CN116153743A - 一种磁控管高频结构及真空器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控管高频结构及真空器件，磁控管高频结构包括：具有阳极谐振腔的阳极管；所述阳极管的外周侧壁包括有至少两个输出结构；所述输出结构包括有贯穿阳极管管壁且与阳极谐振腔连通的输出耦合口；以及与所述输出耦合口连通的微波通道。本申请提供的磁控管高频结构，结构紧凑、体积小、成本低、重量轻、所需电压低、磁场低、工作电源简单、相位稳定性好，还提高了磁控管的输出功率，降低了输出耦合口高频击穿的风险，适合应用于需要使用高功率微波的领域，能够满足大多数应用场合所需的微波大功率的需求，尤其适合在毫米波、短毫米波、甚至太赫兹频段应用。

Description

一种磁控管高频结构及真空器件

技术领域

本发明涉及真空电子技术领域。更具体地，涉及一种磁控管及真空器件。

背景技术

高功率微波武器是现代武器装备的研制热点，它要求具有高功率微波的输出能力，可以有效实现对目标的强干扰或毁伤的效能。

高功率微波武器的关键器件是高功率微波源，即要求微波源输出高功率，实现高功率的两种途径是单个器件提高功率和多个器件的功率合成，但合适的高功率微波源种类少，尤其是毫米波及以上频段高功率微波源种类单一，限制了高功率微波的应用。

在传统的真空微波管中，磁控管是脉冲功率最大的一种，Ka波段磁控管输出功率可达100kW，W波段磁控管输出功率可达10kW，但传统磁控管只有一个输出端口，相位不相干，很难满足大多数应用场合所需的大功率的要求。

因此，为了克服现有技术存在的缺陷，需要提供一种磁控管高频结构及真空器件。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种磁控管及真空器件，以解决上述技术问题中的至少一个。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供一种磁控管高频结构，包括：具有阳极谐振腔的阳极管；

所述阳极管的外周侧壁包括有至少两个输出结构；

所述输出结构包括有贯穿阳极管管壁且与阳极谐振腔连通的输出耦合口；以及与所述输出耦合口连通的微波通道。

此外，优选地方案是，所述输出耦合口的径向截面为矩形；

所述输出耦合口的径向截面的长边L设计为：L＝0.5λ

所述输出耦合口的径向截面的短边S设计为：S＝(0.09-0.01N)λ

其中，N表示输出结构的数量，λ表示输出微波的波长。

此外，优选地方案是，当输出结构的数量为两个时，两个所述输出结构之间的夹角为90°。

此外，优选地方案是，相邻两个所述输出结构之间的夹角α设计为：α＝360°/N

其中，N表示输出结构的数量。

此外，优选地方案是，所述输出结构还包括：

与所述输出耦合口依次连通的过渡波导、输出窗和标准波导；

所述过渡波导的波导腔、输出窗的内腔和标准波导的波导腔共同形成所述微波通道。

此外，优选地方案是，所述标准波导的外侧壁上包括有与外接部件连接的法兰。

此外，优选地方案是，所述磁控管高频结构还包括：与所述阳极管顶部连通的调谐管，以及与所述阳极管底部连通的阴极管。

此外，优选地方案是，所述过渡波导和标准波导的径向截面为矩形，所述输出窗的径向截面为圆形；

输出窗上包括有材质为陶瓷的输出窗片。

此外，优选地方案是，所述阳极谐振腔具有多个；所述阳极管的内腔还包括有呈圆环形布置的多个阳极叶片，多个阳极叶片分别与多个阳极谐振腔一一对应。

本发明第二方面还提供一种真空器件，所述真空器件包括如第一方面所述的磁控管高频结构。

本发明的有益效果为：

本发明提供的磁控管高频结构，在阳极管的外周侧壁上设置的至少两个输出结构，均可以输出一定频率和一定功率的微波，各输出结构输出的微波功率以及射频频率大致相同、且射频频率相位相干，可以进行功率合成。在相同电压和电流的条件下，多个输出结构输出的微波功率相比于一个输出结构输出的微波功率提升了38％至45％，工作效率提高了9％至13％。本申请提供的磁控管高频结构，结构紧凑、体积小、成本低、重量轻、所需电压低、磁场低、工作电源简单、相位稳定性好，还提高了磁控管的输出功率，降低了输出耦合口高频击穿的风险，适合应用于需要使用高功率微波的领域，能够满足大多数应用场合所需的微波大功率的需求，尤其适合在毫米波、短毫米波、甚至太赫兹频段应用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明一个实施例提供的磁控管高频结构的整体结构示意图。

图2示出本发明一个实施例提供的磁控管高频结构中输出结构与阳极管配合使用时的爆炸图。

图3示出本发明一个实施例提供的磁控管高频结构在使用阳极管内腔中电子注的分布图。

图4示出本发明一个实施例提供的磁控管高频结构具有两个输出结构时，其中一个输出结构输出射频信号的波动曲线。

图5示出本发明一个实施例提供的磁控管高频结构具有两个输出结构时，另一个输出结构输出射频信号的波动曲线。

图6示出本发明一个实施例提供的磁控管高频结构具有两个输出结构时，两个的输出结构输出的射频相互的相位关系图。

图7示出本发明一个实施例提供的磁控管高频结构具有两个输出结构时，两个输出结构之间的输出射频频谱图。

图8表示在Ka波段中，本发明提供的磁控管高频结构具有两个输出结构时，矢量网络分析仪测试的相位特性曲线。

图9表示表示在Ka波段中，本发明提供的磁控管高频结构具有两个输出结构时，两个输出结构的频率相位差。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种磁控管高频结构，如图1至9所示，包括：具有阳极谐振腔11的阳极管1；所述阳极管1的外周侧壁包括有至少两个输出结构。输出结构用于输出微波；所述输出结构包括有贯穿阳极管1管壁且与阳极谐振腔11连通的输出耦合口21；以及与所述输出耦合口21连通的微波通道22。磁控管中产生的微波依次穿过输出结构的输出耦合口21和微波通道22，从而传输至外接负载中。

本申请的上述实施例中，在阳极管1的外周侧壁上设置的至少两个输出结构，均可以输出一定频率和一定功率的微波，各输出结构输出的微波功率以及射频频率大致相同、且射频频率相位相干，可以进行功率合成。在相同电压和电流的条件下，多个输出结构输出的微波功率相比于一个输出结构输出的微波功率提升了38％至45％，工作效率提高了9％至13％。本申请提供的磁控管高频结构，结构紧凑、体积小、成本低、重量轻、所需电压低、磁场低、工作电源简单、相位稳定性好，还提高了磁控管的输出功率，降低了输出耦合口21高频击穿的风险，适合应用于需要使用高功率微波的领域，能够满足大多数应用场合所需的微波大功率的需求，尤其适合在毫米波、短毫米波、甚至太赫兹频段应用。

需要说明的是，图2中仅示出了一个输出结构，其他输出结构未示出，但不代表本申请提供的磁控管的高频结构只有一个输出结构。

在实际应用中，输出耦合口21是影响输出微波功率以及射频频率耦合度的关键尺寸，耦合度过小，会导致输出功率较小；耦合度过大，容易导致互作用起振困难，即电子和高频场在互作用空间12中相互作用，形成稳定振荡的过程较慢，稳定性降低。

在一具体实施例中，所述输出耦合口21的径向截面为矩形，径向截面指的是沿磁控管的轴向方向切割的截面，所述输出耦合口21的径向截面的长边L设计为：L＝0.5λ，所述输出耦合口21的径向截面的短边S设计为：S＝(0.09-0.01N)λ，其中，N表示输出结构的数量，λ表示输出微波的波长。因此，输出结构的数量和输出的微波波长不同，输出耦合口21的径向截面的长边和短边的尺寸也不相同，例如当λ＝8.57，N＝2时，输出耦合口21的径向截面的长边L＝4.285mm，短边S＝0.600mm。

在实际应用中，相邻两个所述输出结构之间的夹角α设计为：α＝360°/N，其中，N表示输出结构的数量。这样设计，使得多个输出结构能够均匀分布在阳极管1的外周，能够实现每一个输出结构输出的微波功率以及射频频率大致相同、且射频频率相位相干，可以进行功率合成，如果多个输出结构不均匀分布，那么多个输出结构分别输出的微波功率以及射频频率就不相等、且射频频率相位相干性大大降低，也不能进行功率合成。

在一具体实施例中，如图1所示，当输出结构的数量为两个时，两个所述输出结构之间的夹角可以为90°，也可以为180°，当两个所述输出结构之间的夹角为90°时，整个磁控管高频结构更加紧凑，更容易与外接部件连接，而且两个输出结构之间的夹角为90°与两个输出结构之间的夹角为180°相比，输出微波的功率以及射频频率相差不大，依然能够满足使用需求。

具体的，当输出结构具有两个时，在工作电压11.0kV，工作磁场1.2T，脉冲电流8A条件下，电子注14与高频场π模进行注波互作用，电子相位图如图3所示，其中互作用空间12与阳极谐振腔11之间为电子注14，显然可以看出电子注14的分布，磁控管高频结构内部的电子相位稳定，不受输出结构数量的影响；两个输出结构输出射频信号的波动曲线分别如图4和图5所示，图4表示其中一个输出结构输出射频信号的波动曲线，输出功率分别为15.1kW，图5表示另一个输出结构输出射频信号的波动曲线，输出功率分别为15.3kW，由此可知，两个输出结构输出的射频信号大致相等，能够进行合成，合成后的功率为30.4kW，效率为34.5％；需要说明的是，由于射频信号波动较快，形成的图4和图5看不出来曲线的波动；图6表示两个输出结构输出的射频相互的相位关系，其中，01表示其中一个输出结构输出的射频信号的波动曲线，02表示另一个输出结构输出的射频信号的波动曲线，由此可知，时间延迟0.00285ns，相位相差约35°，实现了射频频率的相位相干，需要说明的是，图6中的01和02表示的曲线分别代表图4和图5中在同一时间段截取的部分曲线；图7表示两个输出结构之间的输出射频频谱图，其中，01表示其中一个输出结构输出的射频频谱图，02表示另一个输出结构输出的射频频谱图，由此可知，两个输出结构输出的射频频谱曲线重合，频率相同。

如果其他结构相同，输出结构具有一个时，同等工作条件下，即在工作电压11.0kV，工作磁场1.2T，脉冲电流8A条件下，输出结构输出的微波功率为22kW，效率为25％。因此，磁控管高频结构包括有两个输出结构与包括有一个输出结构相比，输出功率提升了38.2％，效率提升9.5％。

具体应用在Ka波段中，本申请提供的磁控管高频结构包括有两个输出结构时，进行试验并测试，图8是矢量网络分析仪测试的相位特性曲线，其中，1A指的是其中一个输出结构输出的功率，1B指的是其中一个输出结构输出的功率，1C指的是两个输出结构之间在同一时间内功率的差值。两个输出结构输出功率分别为76.1dBm(相当于40.7kw)和75.3dBm(相当于33.8kw)，

图9表示两个输出结构的频率相位差，其中图8与图9在同一时间段t内，相位差24.66°，输出功率较为一致，相位相干性强。

在一具体实施例中，所述磁控管高频结构还包括：与所述阳极管1顶部连通的调谐管3，以及与所述阳极管1底部连通的阴极管4。阳极管1决定谐振特性，阴极管4提供所需电子，输出结构实现能量耦合输出，调谐部件调整磁控管振荡频率，磁控管高频结构还包括磁系统，磁系统提供互作用所需轴向磁场，阴极管4和阳极管1同轴安置，在阴极和阳极之间加载工作电压后，在正交的径向电场和轴向磁场的作用下阴极发射的电子与高频场互作用，将能量交给高频场，实现稳定振荡，振荡产生的微波通过输出结构耦合到外接负载，实现微波输出利用

在一具体示例中，所述阳极谐振腔11具有多个；所述阳极管1的内腔还包括有呈圆环形布置的多个阳极叶片13，多个阳极叶片13分别与多个阳极谐振腔11一一对应。输出耦合口21与其中一个阳极谐振腔11连通，将阳极管1中形成的微波输出。

在一具体实施例中，所述输出结构还包括：与所述输出耦合口21依次连通的过渡波导23、输出窗24和标准波导25；所述过渡波导23的波导腔、输出窗24的内腔和标准波导25的波导腔共同形成所述微波通道22。过渡波导23和输出窗24的设计使得微波从阳极管1中输出时，其传输的过程更加平缓，稳定性更强。

在一具体实施例中，所述过渡波导23和标准波导25的径向截面为矩形，所述输出窗24的径向截面为圆形，这样微波传输时损耗低，反射小，带宽宽。输出窗24上包括有材质为陶瓷的输出窗片241，不会阻挡微波的传输。微波从输出耦合口21输出后依次经过过渡波导23、输出窗24和标准波导25，再输入至外接负载。

在一具体示例中，所述标准波导25的外侧壁上包括有与外接部件连接的法兰6。法兰6上设置有多个连接孔61，通过连接孔61将外接负载与输出结构连接，以将微波输出至外接负载。

本申请实施例还提供一种真空器件，所述真空器件包括上述实施例所述的磁控管高频结构。真空器件能够输出较大功率，使用场合更广。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种磁控管高频结构，其特征在于，包括：具有阳极谐振腔的阳极管；

所述阳极管的外周侧壁包括有至少两个输出结构；

所述输出结构包括有贯穿阳极管管壁且与阳极谐振腔连通的输出耦合口；以及与所述输出耦合口连通的微波通道。

2.根据权利要求1所述的磁控管高频结构，其特征在于，所述输出耦合口的径向截面为矩形；

所述输出耦合口的径向截面的长边L设计为：L＝0.5λ

所述输出耦合口的径向截面的短边S设计为：S＝(0.09-0.01N)λ

其中，N表示输出结构的数量，λ表示输出微波的波长。

3.根据权利要求1所述的磁控管高频结构，其特征在于，当输出结构的数量为两个时，两个所述输出结构之间的夹角为90°。

4.根据权利要求1所述的磁控管高频结构，其特征在于，相邻两个所述输出结构之间的夹角α设计为：α＝360°/N

其中，N表示输出结构的数量。

5.根据权利要求1所述的磁控管高频结构，其特征在于，所述输出结构还包括：

与所述输出耦合口依次连通的过渡波导、输出窗和标准波导；

所述过渡波导的波导腔、输出窗的内腔和标准波导的波导腔共同形成所述微波通道。

6.根据权利要求5所述的磁控管高频结构，其特征在于，所述标准波导的外侧壁上包括有与外接部件连接的法兰。

7.根据权利要求1所述的磁控管高频结构，其特征在于，所述磁控管高频结构还包括：与所述阳极管顶部连通的调谐管，以及与所述阳极管底部连通的阴极管。

8.根据权利要求1所述的磁控管高频结构，其特征在于，所述过渡波导和标准波导的径向截面为矩形，所述输出窗的径向截面为圆形；

输出窗上包括有材质为陶瓷的输出窗片。

9.根据权利要求1所述的磁控管高频结构，其特征在于，所述阳极谐振腔具有多个；所述阳极管的内腔还包括有呈圆环形布置的多个阳极叶片，多个阳极叶片分别与多个阳极谐振腔一一对应。

10.一种真空器件，其特征在于，所述真空器件包括如权利要求1至9任意一项权利要求所述的磁控管高频结构。

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