CN115295380B - 一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器 - Google Patents

一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，具体涉及一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，属于高功率微波技术领域，包括阴极座、阴极、阳极外筒、内导体、注入波导、重入式谐振腔、输入腔、增益腔、群聚腔、末前腔、反射腔、双间隙提取腔、电子束收集极、输出波导、反馈环、支撑杆和螺线管磁场，整体结构关于中心轴线旋转对称；本发明采用了输入腔、增益腔、群聚腔、末前腔四级调制方案，有效提高了对电子束的调制能力，提升了器件的功率转换效率，且器件长度约为10倍器件工作波长，紧凑性较好，有利于推动相对论速调管放大器的模块化以及功率相干合成系统的小型化发展。

Description

一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，具体涉及一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器(Relativistic KlystronAmplifier，RKA)，属于高功率微波技术领域。
背景技术
高功率微波(High Power Microwave，HPM)通常是指输出功率为0.1-100GW，频率介于1GHz～300GHz的电磁波。高功率微波技术是脉冲功率技术和等离子体物理相结合的产物，目前广泛应用于雷达、高能电子加速、微波等离子体加热、定向能等领域。
高功率微波源是高功率微波系统的核心器件，追求更高功率的微波输出一直是高功率微波源的首要发展方向。然而，受限于腔内强场击穿、以及材料水平、加工工艺等限制，单个微波源的功率提升有限。为进一步提升HPM系统的输出功率水平，高功率微波相干合成技术应运而生，其利用多个微波源器件的输出微波进行功率合成，可以极大地提高现有HPM系统的微波输出能力，是高功率微波技术重要的发展方向。
相对论速调管放大器(Relativistic Klystron Amplifier，RKA)是一种基于速度和密度调制原理，将高能电子束的动能转换为高功率微波能量的微波源器件。RKA作为一种放大器件，其输出微波频率和相位严格依赖于输入信号，可以实现锁频锁相，是高功率微波相干合成技术的优选器件，得到了高功率微波技术领域的广泛关注与研究。
2019年，国防科技大学的张威博士提出了一种X波段高功率高效率相对论三轴速调管放大器【张威.X波段高功率高效率相对论三轴速调管放大器研究[D].前沿交叉学科学院，长沙：国防科技大学，2019】(以下称为技术1)。该器件主要由阴极座101、阴极102、阳极外筒103、内导体104、注入波导105、输入腔106、第一反射腔107、第一群聚腔108、第二反射腔109、第二群聚腔110、第三反射腔111、提取腔112、电子束收集极113、锥形波导114、反馈环115、支撑杆116、输出波导117和螺线管磁场118组成，整体结构关于中心轴线旋转对称。阴极座101左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒103左端外接脉冲功率源的外导体。阴极102是一个薄壁圆筒，壁厚为2mm，外半径R1等于电子束的半径；阳极外筒103由两段内半径分别为R2和R3的圆柱筒组成；内导体104是一个半径为R4圆柱体，外侧挖有圆环状凹槽，其右端与收集极113连接。注入波导105为BJ84标准方形波导，通过两段螺线管磁场118a和118b之间的间隙与输入腔106相连接，将外注入微波信号引入至输入腔106中，实现对电子束的调制。输入腔106是一个圆环状的同轴谐振腔，内半径为R5，外半径为R6，工作模式为同轴TM011模式，其轴向长度L1为工作波长λ的四分之一。第一反射腔107为圆环状结构，用于抑制第一群聚腔中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向输入腔的泄露，其内半径为R7，外半径为R8，轴向长度L2为工作波长λ的三分之一。第一群聚腔108为同轴双间隙圆环结构，内半径为R9，外半径为R10，轴向长度L3约为工作波长λ的二分之一，其工作于同轴TM012模式，作用是对电子束进行初步调制。第二反射腔109为圆环状结构，用于抑制第二群聚腔中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向第一群聚腔的泄露，其内半径为R7，外半径为R8，轴向长度L4为工作波长λ的三分之一。第二群聚腔110为同轴双间隙圆环结构，其内半径为R12，外半径为R13，轴向长度L5约为工作波长λ的二分之一，工作模式为同轴TM011模式，其作用是为了防止电子束的过调制。第三反射腔111为圆环状结构，其内半径为R7，外半径为R8，轴向长度L6约为工作波长λ的三分之一，用于抑制提取腔中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向第二群聚腔的泄露。提取腔112呈同轴双间隙圆环状，其内半径为R14，外半径为R15，轴向长度L7约为工作波长λ的二分之一，工作模式为同轴TM012模式，其作用是为了高效率的束波能量转换。电子束收集极113呈圆柱状，其半径为R16，在左端挖有楔形凹槽。反馈环115是嵌在电子束收集极外壁上的一个金属圆环，用来调节提取腔的谐振频率和Q值。支撑杆116共有两排，两排支撑杆之间的距离L8约为工作波长λ四分之一的奇数倍。螺线管磁场118由118a和118b两段组成，通过设计电流大小和绕线匝数确定磁场位型和强度。该器件工作在X波段，其工作频率为8.4GHz(对应工作波长约为35.7mm)，整个器件的轴向长度约为60cm，对应约为工作波长λ的17倍。实验中，在二极管电压610kV，电流9.1kA、导引磁场0.77T，注入微波功率40kW的情况下，该器件输出微波功率1.766GW，频率8.4GHz，效率31.8％，输出微波的相位抖动被锁定在约10度范围内。该器件采用了级联式的双群聚腔结构，有效克服强流电子束的空间电荷力，提高了电子束的调制深度，使得器件的效率获得了提高，但是依旧存在以下不足：(1)级联式的双群聚腔结构对电子束的调制能力依旧有限，因此提取腔未能高效地将电子束的能量转换为微波的能量，器件的效率相对较低；(2)采用双群聚腔级联式的结构，增大了器件的轴向长度，器件的紧凑性较差，不利于功率相干合成系统的小型化发展。
中国工程物理研究院对多注相对论速调管放大器进行过深入的研究，2020年，中国工程物理研究院的刘振帮等人提出了一种X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器【刘振帮，黄华，金晓，等.X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计[J].强激光与粒子束，2020(10)：30-36.】(以下称为技术2)。该器件主要由阴极座201、多注阴极202、阳极外筒203、内导体204、输入腔205、一级群聚腔206、二级群聚腔207、提取腔208、收集极209、反馈环210、输出波导211、螺线管磁场212和注入波导213组成，整体结构关于中心轴线旋转对称。阴极座201左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒203左端外接脉冲功率源的外导体。阴极202为多注结构，由16根半径为1mm的柱形阴极组成，外半径R1等于电子束的半径，套在阴极座201右端，能够产生16注电子束。阳极外筒203由两段内半径分别为R2和R3的圆柱筒组成。内导体204是一个半径为R4的圆柱体，外侧挖有圆环状凹槽，其右端与收集极209连接。输入腔205是一个“7”字型的同轴谐振腔，内半径为R5，外半径为R6，其轴向长度L1约为工作波长λ的四分之一。一级群聚腔206为单间隙环形结构的同轴腔，其内半径为R7，外半径为R8，轴向长度L2约为工作波长λ的三分之一，其工作模式为基模TM0模，以抑制干扰模式的激励。二级群聚腔207为五间隙环形同轴腔，内半径为R9，外半径为R10，五个间隙总轴向长度L3约为工作波长λ的三分之二，工作模式为2π模，五间隙的二级群聚腔207能够进一步增大调制束流，同时减少末前腔的电场强度，避免射频场过高产生击穿。提取腔112为四间隙环形同轴腔，内半径为R11，外半径为R12，四个间隙总轴向长度L4约为工作波长λ的三分之四，提取腔208采用π模工作模式，该工作模式具有较好的谐振特性和分流阻抗，电子束通过输出腔208间隙时能够产生较好的换能。电子束收集极209为圆柱状，其半径为R13，在左端挖有楔形凹槽。反馈环210是嵌在电子束收集极209外壁上的一个金属圆环，用来调节提取腔208的谐振频率和Q值。该器件的支撑杆位置未交代，故在此不做说明。输出波导211为一圆环状同轴波导，用于输出器件产生的高功率微波，其内半径为R13，外半径为R14。为保证多注电子束的稳定产生与传输，避免引导磁场强度轴向分布不均匀导致的电子束损失，多注二极管与器件均处于同一个螺线管磁场212中。注入波导213位于螺线管磁场212的末端，为标准BJ-100矩形波导。该器件工作在X波段，其工作频率为9.4GHz(对应工作波长约为32mm)，整个器件的轴向长度约为48cm，对应约为工作波长λ的15倍。实验中，在二极管电压550kV，电流5.1kA、导引磁场1T的情况下，该器件输出微波功率0.99GW，频率9.4GHz，效率35％。该技术方案将TKA的同轴漂移管改为了角向分隔的漂移管(其横向截面如图3所示)，通过多注结构来抑制了模式泄露，同时该方案采用了多腔多间隙结构来提高电子束的调制深度，提高了器件的功率转换效率，但是该方案仍旧存在以下不足：(1)多注电子束的产生与传输比较困难，同时漂移管的角向分隔会导致其结构过于复杂；(2)分隔的漂移管能够截止TEM和低阶TE模式，但仍能传输更高阶的TE模式，导致自激振荡；(3)多腔多间隙结构增大了器件的轴向尺寸，器件的紧凑性较差，不利于功率相干合成系统的小型化发展。
综上所述，目前RKA的研究主要集中在X波段，大多采用的是输入腔、一级群聚腔、二级群聚腔这样的三级调制方案，对电子束的调制能力有限，器件效率相对较低(＜40％)，而且器件轴向尺寸普遍较长(＞15λ，λ为器件工作波长)，紧凑性较差，不利于功率相干合成系统的小型化、模块化发展，为推动功率相干合成系统的小型化、模块化发展，目前亟需一种高效率的紧凑型RKA器件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对目前RKA器件三级调制方案效率普遍偏低(＜40％)，且器件轴向尺寸普遍过长(＞15λ)，紧凑性较差，不利于功率相干合成系统的小型化、模块化发展等问题，本发明提出了一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，采用了输入腔、增益腔、群聚腔、末前腔四级调制方案，有效提高了对电子束的调制能力，提升了器件的功率转换效率，且器件长度约为10λ(λ为器件工作波长)，紧凑性较好，有利于推动RKA的模块化以及功率相干合成系统的小型化的发展。该器件结构简单，易于加工。
本发明的技术方案是：
一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，其包括阴极座301、阴极302、阳极外筒303、内导体304、注入波导305、重入式谐振腔306、输入腔307、增益腔308、群聚腔309、末前腔310、反射腔311、双间隙提取腔312、电子束收集极313、输出波导314、反馈环315、支撑杆316和螺线管磁场317，整体结构关于中心轴线旋转对称。阴极座301左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的外导体。
阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚为一般取1-2mm，其半径R1等于电子束的半径，R1的具体尺寸由实际应用时器件的阻抗和功率容量决定。阳极外筒303由内半径分别为R2和R3，外半径均为R5的圆柱筒组成，满足R1＜R3＜R2＜R5。内导体304是一个半径为R4的圆柱体，满足R4＜R1，阳极外筒303和内导体304均采用无磁不锈钢材料制成。阴极302和阳极外筒303之间的轴向长度L1称为阴阳极间距，L1的取值一般为10-20mm；在阳极外筒303上开设有一内半径为R12，宽为L5的圆环形凹槽303a，其左端与内半径为R3的阳极外筒左端的距离为L6，满足R3＜R12＜R2，L5的长度一般取2-5mm，L6一般取工作波长λ的2-2.5倍，圆环形凹槽303a作为注入波导305的注入端口，用于注入种子微波信号。注入波导305位于圆环形凹槽303a的左侧，为BJ-140标准矩形波导，其外壁与阳极外筒303外壁的距离为L7，其横截面为“厂”字形，L7的取值一般为5-10mm，注入波导305为上下对称的双端口结构，其将注入端口引入的外注入式微波信号引入至重入式谐振腔306，再由重入式谐振腔306进入输入腔307中，实现对电子束的调制。重入式谐振腔306呈圆环状，其左侧与内导体304左侧端面的距离为L2，其内半径为R9，外半径为R8，长度为L4，满足R2＞R8＞R9，L2一般取工作波长λ的0.5-1倍，L4的取值一般为工作波长λ的1-1.5倍，距离重入式谐振腔306右端L8处连接注入波导305，L8的取值一般为工作波长λ的0.15-0.25倍，通过改变L8的长度能够在不改变输入腔谐振频率的前提下调节腔体的Q值，从而减少注入信号的损耗，保证输入腔具有较高的吸收率。输入腔307为一圆环形空腔，其左端与重入式谐振腔306的左端平齐，其内半径为R6，外半径为R7，长度为L3，满足R6＜R4，R3＜R7＜R12，L3的取值为工作波长λ的0.15-0.25倍，输入腔307的作用是将注入的微波信号匹配吸收，并在其内建立起高频电磁场，当电子束经过时对其进行初步的预调制。增益腔308为一圆环形空腔，其位于输入腔307右端L9处，内半径为R10，外半径为R11，长度为L10，满足R6＜R10＜R4，R3＜R11＜R8，L9的取值一般为工作波长λ的1-1.5倍，L10的取值一般为工作波长λ的0.2-0.3倍，增益腔308的作用是对电子束进行第二级调制，提高电子束的调制深度。群聚腔309为一圆环形空腔，其位于增益腔308右端L11处，内半径为R10，外半径为R11，长度为L12，L11的取值一般为工作波长λ的0.6-0.8倍，L12的取值一般为工作波长λ的0.2-0.3倍，群聚腔309的作用是对电子束进行第三级调制，再次提高电子束的调制深度。末前腔310为一横截面为等腰梯形的圆环形空腔，位于群聚腔309右端L13处，其上底内半径为R10，上底外半径为R11，上底长为L14，斜边在轴向的投影长为L15，L13的取值一般为工作波长λ的0.7-0.9倍，L14的取值一般为工作波长λ的0.1-0.2倍，L15的取值一般为工作波长λ的0.05-0.2倍，末前腔310的作用是对电子束进行第四级调制，进一步提高电子束的调制深度，使电子束在双间隙提取腔312处达到最大调制深度。反射腔311为一圆环形空腔，其位于末前腔310右端L16处，内半径为R13，外半径为R14，长度为L17，满足R13＜R6，R8＜R14＜R2，L16的取值一般为工作波长λ的0.5-0.7倍，L17的取值一般为工作波长λ的0.3-0.5倍，反射腔311的作用是抑制双间隙提取腔312中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向末前腔310的泄露。双间隙提取腔312由第一圆环形空腔312a和第二圆环形空腔312b组成：第一圆环形空腔312a位于反射腔311右端L18处，其内半径为R15，外半径为R16，长度为L19，满足R6＜R15＜R4，R3＜R16＜R8，L18的取值一般为工作波长λ的0.25-0.35倍，L19的取值一般为工作波长λ的0.2-0.3倍；第二圆环形空腔312b位于第一圆环形空腔312a右端L20处，其内半径为R15，外半径为R16，长度为L21，L20的取值一般为工作波长λ的0.05-0.1倍，L21的取值一般为工作波长λ的0.2-0.3倍。各个高频腔体之间均由阳极外筒303和内导体304之间的内半径为R4，外半径为R3的圆环形电子漂移管连接。
电子束收集极313为一个在内筒上正对电子束传输路径挖出的一个横截面为直角梯形的圆环型空腔，圆环形空腔的内半径为R18，外半径R19，下底宽度为L23，满足R4＜R18，R19＜R3，L23一般为工作波长λ的1.8-2.2倍，梯形的倾斜角θ一般取值为20°-30°。输出波导314为一段位于阳极外筒303和电子束收集极313之间的长度为L22的横截面为矩形和长度为L25横截面为梯形的圆环形空腔，矩形的内半径为R17，外半径为R16，梯形斜边在轴向的投影长度为L26，上底长为L27，上底半径为R20，下底长为L25，下底半径为R16，L22的取值一般为工作波长λ的2-2.5倍，L24的取值一般为工作波长λ的0.3-0.4倍，L26的取值一般为工作波长λ的0.5-0.6倍，满足R3＜R17＜R16，R14＜R20＜R2，L25＝L22-L24，L27＝L25-L26；在距离电子束收集极313左侧L28处，设置有外半径为R21，宽L29的反馈环315，满足R17＜R21＜R20，L28的取值一般为工作波长λ的0.8-1.2倍，L29的取值一般为3-5mm，通过改变反馈环315的位置L28和宽度L29可以调整双间隙提取腔312的谐振频率和Q值，从而使双间隙提取腔312获得最佳的微波提取效果。支撑杆316位于电子束收集极313左侧端面L30处，L30的取值一般为工作波长λ的1.5-2倍。
螺线管磁场由第一螺线管磁场317a和第二螺线管磁场317b两段组成，通过圆环形凹槽303a分割，套在阳极外筒303的外面，按照需要的磁场位型采用玻璃丝包铜线或聚酰亚胺薄膜包铜线绕制而成，通过改变通过螺线管磁场线圈的电流大小，从而改变螺线管产生的磁场强度，实现对电子束的传输导引。
与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
(1)本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，采用输入腔、增益腔、群聚腔、末前腔四级调制结构对电子束进行调制，有效提高了高能电子束的调制深度。本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的电子束调制情况如图7所示，由图可知，在输入电流为5kA的条件下，经过输入腔、增益腔、群聚腔、末前腔四级调制，电子束的调制深度达到了125％。
(2)本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，采用了三级单间隙群聚腔设计，简化了器件结构，有效压缩了器件的轴向尺寸，提高了器件的紧凑性，有利于功率相干合成系统的小型化发展。本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器与技术1和技术2中的相对论速调管放大器轴向尺寸对比如图6所示，因三个器件的工作频段不同，所以对其进行了归一化处理，以工作波长λ来度量其轴向尺寸。由图易知，本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管的轴向尺寸约为工作波长λ的10倍，相比于技术1和技术2中的相对论速调管放大器，其轴向尺寸具有明显减小。
(3)本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器虽然采用了和现有技术1相似的双间隙微波提取腔结构，但由于本发明采用了四级调制结构，实现了比技术1更高的电子束调制深度，双间隙提取腔能够更好的提取电子束功率，因而本发明具有比技术1更高的功率转换效率。本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的输出微波功率随时间变化如图8所示，在电子束电压400kV和电流5kA的条件下，输出功率为800MW，功率转换效率达到了40％；本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的功率转换效率随输入电压变化情况如图9所示，由图可知，在输入电压300kV到500kV的范围内，本发明的效率能够保持在35％以上，具有较高的电压应用范围，扩展了本发明的应用场景。
附图说明
图1为背景介绍中技术1公开的相对论三轴速调管放大器的结构示意图；
图2为背景介绍中技术2公开的多注相对论速调管放大器的结构示意图；
图3为背景介绍中技术2公开的多注相对论速调管放大器的漂移管横向剖面示意图；
图4为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的结构示意图；
图5为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的立体示意图；
图6为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器与技术1和技术2中的相对论速调管放大器轴向尺寸对比示意图；
图7为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的电子束调制情况示意图；
图8为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的输出微波功率示意图；
图9为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的功率转换效率随输入电压变化情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
图4为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的结构示意图，图5为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的立体示意图。本发明由阴极座301、阴极302、阳极外筒303、内导体304、注入波导305、重入式谐振腔306、输入腔307、增益腔308、群聚腔309、末前腔310、反射腔311、双间隙提取腔312、电子束收集极313、输出波导314、反馈环315、支撑杆316和螺线管磁场317组成，整体结构关于中心轴线旋转对称。
本实施例实现了中心频率为14.25GHz(对应工作波长λ约为21mm)的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器(相应的尺寸为：R1＝30mm，R2＝44mm，R3＝33mm，R4＝27mm，R5＝50mm，R6＝24mm，R7＝35mm，R8＝37mm，R9＝35mm，R10＝24.5mm，R11＝35.5mm，R12＝39mm，R13＝21mm，R14＝39mm，R15＝25mm，R16＝35mm，R17＝33.5mm，R18＝28mm，R19＝32mm，R20＝40mm，R21＝37.5mm，L1＝12mm，L2＝10mm，L3＝5mm，L4＝23.5mm，L5＝3mm，L6＝50mm，L7＝6mm，L8＝4mm，L9＝25mm，L10＝4.5mm，L11＝15mm，L12＝4.5mm，L13＝17mm，L14＝2mm，L15＝1.5mm，L16＝13mm，L17＝7mm，L18＝6mm，L19＝4.5mm，L20＝2mm，L21＝4.5mm，L22＝44mm，L23＝41mm，L24＝7.5mm，L25＝36.5mm，L26＝12mm，L27＝24.5mm，L28＝22mm，L29＝4mm，L30＝34mm。)。仿真模拟中，在电子束电压400kV和电流5kA，引导磁场为0.6T均匀磁场的前提条件下，输出微波功率为800MW，对应效率为40％，输出微波频率为14.25GHz，相位抖动幅度在±5°以内，器件的轴向总长度约为21cm(对应约为10λ)。
图6为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器与技术1和技术2中的相对论速调管放大器轴向尺寸对比示意图，因三个器件的工作频段不同，所以对其进行了归一化处理，以工作波长来度量其轴向尺寸。由图易知，本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管的轴向尺寸约工作波长的10倍，相比于技术1和技术2中的相对论速调管放大器，其轴向尺寸具有明显减小。
图7为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的电子束调制情况示意图，由图可知，在输入电流为5kA的条件下，电子束经过输入腔、增益腔、群聚腔、末前腔四级调制，其调制深度达到了125％。
图8为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的输出微波功率示意图，由图易知，在电子束电压400kV和电流5kA的条件下，输出功率为800MW，
功率转换效率达到了40％。
图9为本发明提供的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器优选实施例的功率转换效率随输入电压变化情况示意图，由图可知，在输入电压300kV到500kV的范围内，本发明的效率能够保持在35％以上，具有较高的电压应用范围，扩展了本发明的应用场景。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管已经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (4)

1.一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，其特征在于：所述放大器包括阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、内导体(304)、注入波导(305)、重入式谐振腔(306)、输入腔(307)、增益腔(308)、群聚腔(309)、末前腔(310)、反射腔(311)、双间隙提取腔(312)、电子束收集极(313)、输出波导(314)、反馈环(315)、支撑杆(316)和螺线管磁场(317)，整体结构关于中心轴线旋转对称；阴极座(301)左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒(303)左端外接脉冲功率源的外导体；
阴极(302)是一个薄壁圆筒，其半径R1等于电子束的半径，R1的具体尺寸由实际应用时器件的阻抗和功率容量决定；阳极外筒(303)由内半径分别为R2和R3，外半径均为R5的圆柱筒组成，满足R1＜R3＜R2＜R5；内导体(304)是一个半径为R4的圆柱体，满足R4＜R1；阴极(302)和阳极外筒(303)之间的轴向长度L1称为阴阳极间距，L1的取值为10-20mm；在阳极外筒(303)上开设有一内半径为R12，宽为L5的圆环形凹槽(303a)，其左端与内半径为R3的阳极外筒左端的距离为L6，满足R3＜R12＜R2，L5的长度取2-5mm，L6取工作波长λ的2-2.5倍，圆环形凹槽(303a)作为注入波导(305)的注入端口，用于注入种子微波信号；注入波导(305)位于圆环形凹槽(303a)的左侧，为BJ-140标准矩形波导，其外壁与阳极外筒(303)外壁的距离为L7，其横截面为“厂”字形，L7的取值为5-10mm，注入波导(305)为上下对称的双端口结构，其将注入端口引入的外注入式微波信号引入至重入式谐振腔(306)，再由重入式谐振腔(306)进入输入腔(307)中，实现对电子束的调制；重入式谐振腔(306)呈圆环状，其左侧与内导体(304)左侧端面的距离为L2，其内半径为R9，外半径为R8，长度为L4，满足R2＞R8＞R9，L2取工作波长λ的0.5-1倍，L4的取值为工作波长λ的1-1.5倍，距离重入式谐振腔(306)右端L8处连接注入波导(305)，L8的取值为工作波长λ的0.15-0.25倍，通过改变L8的长度能够在不改变输入腔谐振频率的前提下调节腔体的Q值，从而减少注入信号的损耗，保证输入腔具有较高的吸收率；输入腔(307)为一圆环形空腔，其左端与重入式谐振腔(306)的左端平齐，其内半径为R6，外半径为R7，长度为L3，满足R6＜R4，R3＜R7＜R12，L3的取值为工作波长λ的0.15-0.25倍，输入腔(307)的作用是将注入的微波信号匹配吸收，并在其内建立起高频电磁场，当电子束经过时对其进行初步的预调制；增益腔(308)为一圆环形空腔，其位于输入腔(307)右端L9处，内半径为R10，外半径为R11，长度为L10，满足R6＜R10＜R4，R3＜R11＜R8，L9的取值为工作波长λ的1-1.5倍，L10的取值为工作波长λ的0.2-0.3倍，增益腔(308)的作用是对电子束进行第二级调制，提高电子束的调制深度；群聚腔(309)为一圆环形空腔，其位于增益腔(308)右端L11处，内半径为R10，外半径为R11，长度为L12，L11的取值为工作波长λ的0.6-0.8倍，L12的取值为工作波长λ的0.2-0.3倍，群聚腔(309)的作用是对电子束进行第三级调制，再次提高电子束的调制深度；末前腔(310)为一横截面为等腰梯形的圆环形空腔，位于群聚腔(309)右端L13处，其上底内半径为R10，上底外半径为R11，上底长为L14，斜边在轴向的投影长为L15，L13的取值为工作波长λ的0.7-0.9倍，L14的取值为工作波长λ的0.1-0.2倍，L15的取值为工作波长λ的0.05-0.2倍，末前腔(310)的作用是对电子束进行第四级调制，进一步提高电子束的调制深度，使电子束在双间隙提取腔(312)处达到最大调制深度；反射腔(311)为一圆环形空腔，其位于末前腔(310)右端L16处，内半径为R13，外半径为R14，长度为L17，满足R13＜R6，R8＜R14＜R2，L16的取值为工作波长λ的0.5-0.7倍，L17的取值为工作波长λ的0.3-0.5倍，反射腔(311)的作用是抑制双间隙提取腔(312)中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向末前腔(310)的泄露；双间隙提取腔(312)由第一圆环形空腔(312a)和第二圆环形空腔(312b)组成：第一圆环形空腔(312a)位于反射腔(311)右端L18处，其内半径为R15，外半径为R16，长度为L19，满足R6＜R15＜R4，R3＜R16＜R8，L18的取值为工作波长λ的0.25-0.35倍，L19的取值为工作波长λ的0.2-0.3倍；第二圆环形空腔(312b)位于第一圆环形空腔(312a)右端L20处，其内半径为R15，外半径为R16，长度为L21，L20的取值为工作波长λ的0.05-0.1倍，L21的取值为工作波长λ的0.2-0.3倍；各个高频腔体之间均由阳极外筒(303)和内导体(304)之间的内半径为R4，外半径为R3的圆环形电子漂移管连接；
电子束收集极(313)为一个在内筒上正对电子束传输路径挖出的一个横截面为直角梯形的圆环型空腔，圆环形空腔的内半径为R18，外半径R19，下底宽度为L23，满足R4＜R18，R19＜R3，L23为工作波长λ的1.8-2.2倍，梯形的倾斜角θ取值为20°-30°；输出波导(314)为一段位于阳极外筒(303)和电子束收集极(313)之间的长度为L22的横截面为矩形和长度为L25横截面为梯形的圆环形空腔，矩形的内半径为R17，外半径为R16，梯形斜边在轴向的投影长度为L26，上底长为L27，上底半径为R20，下底长为L25，下底半径为R16，L22的取值为工作波长λ的2-2.5倍，L24的取值为工作波长λ的0.3-0.4倍，L26的取值为工作波长λ的0.5-0.6倍，满足R3＜R17＜R16，R14＜R20＜R2，L25＝L22-L24，L27＝L25-L26；在距离电子束收集极(313)左侧L28处，设置有外半径为R21，宽L29的反馈环(315)，满足R17＜R21＜R20，L28的取值为工作波长λ的0.8-1.2倍，L29的取值为3-5mm，通过改变反馈环(315)的位置L28和宽度L29可以调整双间隙提取腔(312)的谐振频率和Q值，从而使双间隙提取腔(312)获得最佳的微波提取效果；支撑杆(316)位于电子束收集极(313)左侧端面L30处，L30的取值为工作波长λ的1.5-2倍；
螺线管磁场由第一螺线管磁场(317a)和第二螺线管磁场(317b)两段组成，通过圆环形凹槽(303a)分割，套在阳极外筒(303)的外面，通过改变通过螺线管磁场线圈的电流大小，从而改变螺线管产生的磁场强度，实现对电子束的传输导引。
2.根据权利要求1所述四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，其特征在于：阴极(302)壁厚取1-2mm。
3.根据权利要求1所述四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，其特征在于：所述螺线管磁场按照需要的磁场位型采用玻璃丝包铜线或聚酰亚胺薄膜包铜线绕制而成。
4.根据权利要求1至3任一项所述四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，其特征在于：中心频率为14.25GHz的四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器相应的尺寸为：R1＝30mm，R2＝44mm，R3＝33mm，R4＝27mm，R5＝50mm，R6＝24mm，R7＝35mm，R8＝37mm，R9＝35mm，R10＝24.5mm，R11＝35.5mm，R12＝39mm，R13＝21mm，R14＝39mm，R15＝25mm，R16＝35mm，R17＝33.5mm，R18＝28mm，R19＝32mm，R20＝40mm，R21＝37.5mm，L1＝12mm，L2＝10mm，L3＝5mm，L4＝23.5mm，L5＝3mm，L6＝50mm，L7＝6mm，L8＝4mm，L9＝25mm，L10＝4.5mm，L11＝15mm，L12＝4.5mm，L13＝17mm，L14＝2mm，L15＝1.5mm，L16＝13mm，L17＝7mm，L18＝6mm，L19＝4.5mm，L20＝2mm，L21＝4.5mm，L22＝44mm，L23＝41mm，L24＝7.5mm，L25＝36.5mm，L26＝12mm，L27＝24.5mm，L28＝22mm，L29＝4mm，L30＝34mm。
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