一種具有te10輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于高功率微波技術(shù)中的微波源【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種能使軸向輸出的微波模式更加純凈，整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊的具有矩形TE10輸出模式的相對(duì)論磁控管。針對(duì)目前軸向輸出相對(duì)論磁控管需要更加純凈的單一輸出模式的問(wèn)題，和現(xiàn)有軸向輸出相對(duì)論磁控管難以滿足緊湊化、小型化等方面的需求的問(wèn)題，提出了一種新型相對(duì)論磁控管，該磁控管通過(guò)磁控管陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，軸向輸出過(guò)渡段的設(shè)計(jì)，矩形輸出波導(dǎo)的設(shè)計(jì)以及外加磁場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅可以直接軸向輸出更加純凈的矩形TE10模式微波，而且可以使得整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊化、小型化。
【專利說(shuō)明】一種具有TE10輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高功率微波技術(shù)中的微波源【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種能使軸向輸出的微波模式更加純凈，整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊的具有TElO輸出模式的相對(duì)論磁控管。

【背景技術(shù)】
[0002]美國(guó)高功率微波領(lǐng)域的權(quán)威人士James Benford從研制實(shí)用型的高功率微波系統(tǒng)角度出發(fā)，指出了未來(lái)高功率微波源的四個(gè)發(fā)展方向:(I)全面減小系統(tǒng)尺寸和重量，提高功耗比；(2)高重復(fù)頻率工作；(3)頻率可調(diào)諧；(4)長(zhǎng)壽命。為了滿足未來(lái)高功率微波源的發(fā)展應(yīng)用需求，研制出實(shí)用型的高功率微波源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，頻率可調(diào)，適合長(zhǎng)脈沖和高重復(fù)頻率運(yùn)行等特點(diǎn)的相對(duì)論磁控管成了人們廣泛和深入研究的對(duì)象之一。相比徑向輸出相對(duì)論磁控管而言，結(jié)構(gòu)更加緊湊的軸向輸出相對(duì)論磁控管在全面減小系統(tǒng)尺寸和重量方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，因而成為近期研究的一大熱點(diǎn)。
[0003]I軸向輸出相對(duì)論磁控管的發(fā)展?fàn)顩r
[0004]2006年，美國(guó)新墨西哥大學(xué)M.1.Fuks教授等人通過(guò)調(diào)整A6磁控管的軸向輸出端口過(guò)渡到圓錐輸出喇叭的張角槽結(jié)構(gòu)的數(shù)目2個(gè)、3個(gè)和6個(gè)，模擬實(shí)現(xiàn)了磁控管不同輻射模式TE11、TEOl和TE31的軸向輸出。在700kV和0.6T的工作條件下，該磁控管工作在Ji模式，工作頻率為2.18GHz，輸出功率在600MW左右【M.1.Fuks, N.F.Kovalev, A.D.Andreev, and E.Schamiloglu.Mode convers1n in a magnetron with axial extract1nof radiat1n [J].1EEE Trans.Plasma Sc1.，vol.34，n0.3，p.620，Jun.2006.]。
[0005]2007年，日本長(zhǎng)岡技術(shù)大學(xué)M.Daimon等人在E.Schamiloglu等人的研究基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的軸向輸出相對(duì)論磁控管【M.Daimonj W.Jiang.Modified configurat1nof relativistic magnetron with diffract1n output for efficiency improvement[J].Appl.Phys.Lett，2007，91 (19):191503.】?該磁控管通過(guò)在軸向輸出的過(guò)渡結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)角度變量Φ。，使得磁控管功率轉(zhuǎn)換效率得到大幅提升，模擬得到功率轉(zhuǎn)換效率為37%的結(jié)果。2008年，他們從實(shí)驗(yàn)上也驗(yàn)證了改進(jìn)型結(jié)構(gòu)有利于輸出功率的提高【M.Daimonj K.1tohj W.Jiang.Experimental demonstrat1n of relativistic magnetron with modifiedoutput configurat1n [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 92(19): 191504.】。
[0006]2009年，中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)李偉博士等人針對(duì)軸向輸出相對(duì)論磁控管輻射TEll模式效果差、效率低的情況，提出一種在軸向輸出結(jié)構(gòu)的對(duì)稱張角槽中插入具有一定尺寸結(jié)構(gòu)的過(guò)渡段的高效型結(jié)構(gòu)，既較好地實(shí)現(xiàn)了 TEll模式的微波輻射，又提高了功率效率，粒子模擬效率最高達(dá)到43 %【W(wǎng).Li and Y.-G.Liu.An efficient modeconvers1n configurat1n in relativistic magnetron with axial diffract1noutput [J].J.Appl.Phys., vol.106,n0.5,pp.053303 - 055305, Sep.2009.】? 2013年，他們從實(shí)驗(yàn)上也驗(yàn)證了高效型結(jié)構(gòu)有利于輸出特性的改善【W(wǎng)ei Li，Yong-guiLiuj Jun Zhang, D1-fu Shi，and Wei—qi Zhang.Experimental investigat1ns on therelat1ns between configurat1ns and radiat1n patterns of a relativisticmagnetron with diffract1n output[J].J.Appl.Phys., vol.113, n0.2, pp.023304-1 -023304-4，Jan.2013.】。
[0007]目前已報(bào)道的軸向輸出相對(duì)論磁控管雖然在輸出模式特性和功率轉(zhuǎn)換效率方面有較大的改善，但是整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在緊湊化和小型化方面仍有不足。
[0008]2緊湊型相對(duì)論磁控管的發(fā)展?fàn)顩r
[0009]2011年，中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)李偉博士等人針對(duì)軸向輸出相對(duì)論磁控管互作用區(qū)中的電子束長(zhǎng)距離軸向漂移的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)型外加磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)【W(wǎng).Li and Y.G.Liu.Modified magnetic field distribut1n in relativistic magnetron with diffract1noutput for compact operat1n[J].Phys.Plasmas, vol.18,n0.2,pp.023103-1 -023103-4, Feb.2011.】。該磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)通過(guò)在輸出圓波導(dǎo)前端加載一組軸向磁場(chǎng)與磁控管互作用區(qū)軸向磁場(chǎng)反向的螺線管，使得軸向漂移電子束更快地打在軸向輸出結(jié)構(gòu)上，不僅提高了功率轉(zhuǎn)換效率，而且減小了軸向輸出結(jié)構(gòu)的軸向尺寸。2012年，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該外加磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)在提高效率，減小結(jié)構(gòu)尺寸方面的作用【W(wǎng)ei Li, Yong-guiLiu, Ting Shu, Han-wu Yang, Yu-wei Fan, Cheng-wei Yuan, and Jun Zhang.Experimentaldemonstrat1n of a compact high efficient relativistic magnetron with directlyaxial radiat1n[J].Phys.Plasmas, vol.19, n0.1, pp.013105-1 - 013105-4，Jan.2012.】。
[0010]2012年，美國(guó)新墨西哥大學(xué)C.Leach博士等人通過(guò)在磁控管的軸向輸出端口直接連接一個(gè)與磁控管半徑尺寸相同的輸出圓波導(dǎo)，研究了磁控管中不同數(shù)目的輸出腔對(duì)輸出特性的影響。粒子模擬表明該新型軸向輸出結(jié)構(gòu)使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在軸向上和徑向上更加緊湊化和小型化，從而使得軸向電子束漂移距離更短，外加磁場(chǎng)系統(tǒng)更緊湊，輸出模式更純凈。結(jié)構(gòu)未經(jīng)優(yōu)化的該磁控管功率轉(zhuǎn)換效率在14%左右【C.Leach, S.Prasad, Μ.Fuks, and E.Schamiloglu.Compact relativistic magnetron with Gaussian radiat1npattern [J].1EEE Trans.Plasma Sc1., vol.40, n0.11, pp.3116 - 3120, Nov.2012.】。
[0011]目前，國(guó)際上對(duì)軸向輸出相對(duì)論磁控管的研究工作雖然在實(shí)現(xiàn)不同輸出模式，提高功率轉(zhuǎn)換效率，減小系統(tǒng)尺寸和重量，以及提高輸出模式純度等方面取得了較大進(jìn)展，但是關(guān)于同時(shí)能使輸出模式更純凈，整個(gè)系統(tǒng)更緊湊，且功率轉(zhuǎn)換效率較高的軸向輸出相對(duì)論磁控管的報(bào)道較為少見(jiàn)，因此，對(duì)于同時(shí)具有以上特點(diǎn)的相對(duì)論磁控管的研究具有重要的價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)目前軸向輸出相對(duì)論磁控管需要更加純凈的單一輸出模式的問(wèn)題，和現(xiàn)有軸向輸出相對(duì)論磁控管難以滿足緊湊化、小型化等方面的需求的問(wèn)題，提出了一種新型相對(duì)論磁控管，該磁控管通過(guò)磁控管陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、軸向輸出過(guò)渡段的設(shè)計(jì)、矩形輸出波導(dǎo)的設(shè)計(jì)以及外加磁場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅可以直接軸向輸出更加純凈的矩形TElO模式微波，而且可以使得整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊化、小型化。
[0013]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0014]一種具有TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管，由同軸輸入結(jié)構(gòu)、諧振腔結(jié)構(gòu)、軸向輸出過(guò)渡段、矩形輸出波導(dǎo)和外加磁場(chǎng)系統(tǒng)組成。同軸輸入結(jié)構(gòu)軸向外接磁控管的諧振腔結(jié)構(gòu)，磁控管的諧振腔結(jié)構(gòu)軸向外接軸向輸出過(guò)渡段，軸向輸出過(guò)渡段軸向外接矩形輸出波導(dǎo)，外加磁場(chǎng)系統(tǒng)安裝在同軸輸入結(jié)構(gòu)、磁控管諧振腔結(jié)構(gòu)和軸向輸出過(guò)渡段的外圍圓柱空間區(qū)域。
[0015]所述同軸輸入結(jié)構(gòu)由陰極連接桿和同軸外筒組成。陰極連接桿與同軸外筒的軸向中心線重合。陰極連接桿半徑與磁控管陰極半徑R。相等，同軸外筒內(nèi)徑與磁控管諧振腔半徑Rv相等。
[0016]所述諧振腔結(jié)構(gòu)由具有2(2N+1)個(gè)諧振腔的典型磁控管結(jié)構(gòu)(其中N= 1，2，3，4，5均可)和磁控管中陽(yáng)極塊的改進(jìn)結(jié)構(gòu)組成。具有2(2N+1)個(gè)諧振腔的典型磁控管結(jié)構(gòu)主要包括陰極和陽(yáng)極。陰極固定在同軸輸入結(jié)構(gòu)中的陰極連接桿上，位于同軸外筒的軸向中心線上。2(2N+1)個(gè)沿同軸外筒內(nèi)壁圓周角向周期分布的陽(yáng)極塊構(gòu)成陽(yáng)極。陽(yáng)極塊之間的腔構(gòu)成諧振腔。磁控管工作在η模式上，即磁控管中相鄰兩個(gè)諧振腔的電場(chǎng)相位相差180度。磁控管中陽(yáng)極塊的改進(jìn)結(jié)構(gòu)是指將每個(gè)陽(yáng)極塊的光滑內(nèi)表面改造為具有凹槽或突起結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面。其中，凹槽與突起的結(jié)構(gòu)沿圓周角向交替分布在陽(yáng)極塊內(nèi)表面上，凹槽或突起的角向中心線均與所在陽(yáng)極塊的角向中心線重合，凹槽或突起的軸向長(zhǎng)度均與陽(yáng)極塊的軸向長(zhǎng)度Hm相同，八&和Λ Rp分別表示凹槽和突起結(jié)構(gòu)的徑向深度，和θρ分別表示凹槽和突起結(jié)構(gòu)的角向?qū)挾取０疾叟c突起的徑向深度和角向?qū)挾雀鶕?jù)優(yōu)化效果確定。
[0017]所述軸向輸出過(guò)渡段由磁控管的互作用區(qū)軸向過(guò)渡段、輸出腔軸向過(guò)渡段和非輸出腔軸向過(guò)渡段組成，整體長(zhǎng)度為H。。磁控管的互作用區(qū)的端口橫截圓面與矩形輸出波導(dǎo)中心的內(nèi)接圓橫截面之間形成的線性漸變過(guò)渡段，構(gòu)成互作用區(qū)軸向過(guò)渡段。選取磁控管中一組角向相對(duì)的兩個(gè)諧振腔，命名為輸出腔，并將其他諧振腔命名為非輸出腔。輸出腔的端口橫截面與矩形輸出波導(dǎo)的橫截面之間形成的線性漸變過(guò)渡段，構(gòu)成輸出腔軸向過(guò)渡段。
[0018]非輸出腔軸向過(guò)渡段米用兩種方案。方案一:各個(gè)非輸出腔的端口橫截面以關(guān)于軸線方向的傾斜角α徑向向內(nèi)漸變到互作用區(qū)軸向過(guò)渡段，構(gòu)成非輸出腔軸向過(guò)渡段，其中傾斜角α根據(jù)優(yōu)化效果確定。方案二:兩個(gè)相鄰的非輸出腔的端口橫截面與這兩腔之間的陽(yáng)極塊端口橫截面直接軸向外接一個(gè)角向?qū)挾认嗟惹逸S向長(zhǎng)度為Hf的扇形波導(dǎo),構(gòu)成非輸出腔軸向過(guò)渡段，其中長(zhǎng)度Hf根據(jù)優(yōu)化效果確定。
[0019]所述矩形輸出波導(dǎo)由一長(zhǎng)為L(zhǎng)寬為W的矩形波導(dǎo)組成。矩形波導(dǎo)的軸向中心線與磁控管的軸向中心線重合。矩形波導(dǎo)橫截面的長(zhǎng)度L和寬度W根據(jù)優(yōu)化效果確定。
[0020]所述外加磁場(chǎng)系統(tǒng)由兩個(gè)螺線管組成。在同軸輸入結(jié)構(gòu)，磁控管的諧振腔結(jié)構(gòu)和軸向輸出過(guò)渡段的外圍圓柱空間區(qū)域，圍繞磁控管的軸向方向加載兩組螺線管，分別表示為螺線管I和螺線管II。兩組螺線管分居磁控管諧振腔結(jié)構(gòu)的軸向中心平面的兩側(cè)。兩組螺線管同步觸發(fā)，且在磁控管互作用區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)大小和方向一致。
[0021]采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果:
[0022](I) 一種具有TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管通過(guò)設(shè)計(jì)陽(yáng)極塊的改進(jìn)結(jié)構(gòu)使得磁控管輸出的微波起振時(shí)間更短，功率轉(zhuǎn)換效率更高。
[0023](2)設(shè)計(jì)軸向輸出過(guò)渡段不僅使得工作在π模式上的磁控管直接軸向輸出矩形TElO模式微波，而且使得軸向輸出過(guò)渡段在徑向和軸向上更加緊湊化和小型化，還使得互作用區(qū)中軸向漂移的電子迅速打在軸向輸出過(guò)渡段上，減少了漂移電子對(duì)輸出微波能量的吸收幾率，提高了功率轉(zhuǎn)換效率。
[0024](3)設(shè)計(jì)外加磁場(chǎng)系統(tǒng)使得互作用區(qū)中軸向磁場(chǎng)的分布更加均勻，電子束與微波的相互作用更加充分，且整個(gè)磁控管系統(tǒng)更加緊湊化和小型化。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明一種具有TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管的整體縱截面圖；
[0026]圖2為同軸輸入結(jié)構(gòu)的橫截面圖；
[0027]圖3為磁控管諧振腔結(jié)構(gòu)的組成圖:(a)磁控管諧振腔結(jié)構(gòu)的立體圖，(b)磁控管諧振腔結(jié)構(gòu)的橫截面圖，(C)磁控管諧振腔結(jié)構(gòu)的縱截面圖；
[0028]圖4為軸向輸出過(guò)渡段設(shè)計(jì)方案一的組成圖:
[0029](a)軸向輸出過(guò)渡段的立體圖，(b)軸向輸出過(guò)渡段的真空部分的立體圖，(C)軸向輸出過(guò)渡段的縱截面圖及其兩端口的橫截面圖，(d)軸向輸出過(guò)渡段軸向中心處的橫截面圖；
[0030]圖5為軸向輸出過(guò)渡段設(shè)計(jì)方案二的組成圖:
[0031](a)軸向輸出過(guò)渡段的立體圖，(b)軸向輸出過(guò)渡段的真空部分的立體圖，(C)軸向輸出過(guò)渡段的縱截面圖及其兩端口的橫截面圖，(d)軸向輸出過(guò)渡段軸向中心處的橫截面圖；
[0032]圖6為矩形輸出波導(dǎo)的橫截面圖；
[0033]圖7為外加磁場(chǎng)系統(tǒng)的組成圖:
[0034](a)外加磁場(chǎng)系統(tǒng)的立體圖，(b)外加磁場(chǎng)系統(tǒng)的縱截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作出說(shuō)明:
[0036]一種具有TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管，由同軸輸入結(jié)構(gòu)1、諧振腔結(jié)構(gòu)
2、軸向輸出過(guò)渡段3、矩形輸出波導(dǎo)4和外加磁場(chǎng)系統(tǒng)5組成，如圖1所示，同軸輸入結(jié)構(gòu)I軸向外接磁控管的諧振腔結(jié)構(gòu)2，磁控管的諧振腔結(jié)構(gòu)2軸向外接軸向輸出過(guò)渡段3，軸向輸出過(guò)渡段3軸向外接矩形輸出波導(dǎo)4，外加磁場(chǎng)系統(tǒng)5安裝在同軸輸入結(jié)構(gòu)1、磁控管諧振腔結(jié)構(gòu)2和軸向輸出過(guò)渡段3的外圍圓柱空間區(qū)域。
[0037]所述同軸輸入結(jié)構(gòu)I如圖2所示。其中，101為陰極連接桿，102為同軸外筒。陰極連接桿101與同軸外筒102的軸向中心線重合。陰極連接桿101半徑與磁控管陰極半徑Rc相等，同軸外筒102內(nèi)徑與磁控管諧振腔半徑Rv相等。
[0038]所述諧振腔結(jié)構(gòu)2的設(shè)計(jì)如圖3所示。其中，102為同軸外筒，201為陰極，202為陽(yáng)極，203為諧振腔，204為凹槽，205為突起。Re、Ra和Rv分別為陰極半徑，陽(yáng)極半徑和諧振腔半徑；Θ為諧振腔張角；Hm為陽(yáng)極塊的軸向長(zhǎng)度；△艮和ARp分別表示凹槽和突起結(jié)構(gòu)的徑向深度，Θ ^和θ p分別表示凹槽和突起結(jié)構(gòu)的角向?qū)挾?，它們的值根?jù)優(yōu)化效果確定。
[0039]所述諧振腔結(jié)構(gòu)2由具有2 (2N+1)個(gè)諧振腔的典型磁控管結(jié)構(gòu)(其中N = 1，2，3，4，5均可)和磁控管中陽(yáng)極塊的改進(jìn)結(jié)構(gòu)組成。具有2(2N+1)個(gè)諧振腔的典型磁控管結(jié)構(gòu)主要包括陰極201和陽(yáng)極202。陰極201固定在同軸輸入結(jié)構(gòu)I中的陰極連接桿101上，位于同軸外筒102的軸向中心線上。2(2N+1)個(gè)沿同軸外筒內(nèi)壁圓周角向周期分布的陽(yáng)極塊構(gòu)成陽(yáng)極202。陽(yáng)極塊之間的腔構(gòu)成諧振腔203。磁控管中陽(yáng)極塊的改進(jìn)結(jié)構(gòu)是指將每個(gè)陽(yáng)極塊的光滑內(nèi)表面改造為具有凹槽204或突起205結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面。其中，凹槽與突起的結(jié)構(gòu)沿圓周角向交替分布在陽(yáng)極塊內(nèi)表面上，凹槽或突起的角向中心線均與所在陽(yáng)極塊的角向中心線重合，凹槽或突起的軸向長(zhǎng)度均與陽(yáng)極塊的軸向長(zhǎng)度Hni相同。
[0040]通過(guò)以上設(shè)計(jì)，當(dāng)2(2N+1)腔磁控管工作在π模式時(shí)，磁控管中相鄰兩個(gè)諧振腔的電場(chǎng)相位相差180度，使得角向相對(duì)的兩個(gè)諧振腔的電場(chǎng)方向一致。通過(guò)在陽(yáng)極塊上設(shè)置凹槽和突起使得磁控管輸出的微波起振時(shí)間更短，功率轉(zhuǎn)換效率更高。
[0041]所述軸向輸出過(guò)渡段3的設(shè)計(jì)如圖4、圖5所不。其中，圖4為方案一，圖5為方案二，301為磁控管互作用區(qū)端口的橫截圓面，302為矩形輸出波導(dǎo)中心的內(nèi)接圓橫截面，303為互作用區(qū)軸向過(guò)渡段，304為磁控管輸出腔的端口橫截面，305為矩形輸出波導(dǎo)的橫截面，306為輸出腔軸向過(guò)渡段，307為磁控管非輸出腔的端口橫截面，308為非輸出腔軸向過(guò)渡段，H。為軸向輸出過(guò)渡段的軸向長(zhǎng)度，α為方案一中非輸出腔關(guān)于軸線方向徑向向內(nèi)漸變的傾斜角，Hf的為方案二中非輸出腔軸向外接的扇形波導(dǎo)的軸向長(zhǎng)度。
[0042]軸向輸出過(guò)渡段3由磁控管的互作用區(qū)軸向過(guò)渡段303、輸出腔軸向過(guò)渡段306和非輸出腔軸向過(guò)渡段308組成，整體長(zhǎng)度為H。。磁控管的互作用區(qū)的端口橫截圓面301與矩形輸出波導(dǎo)中心的內(nèi)接圓橫截面302之間形成的線性漸變過(guò)渡段，構(gòu)成互作用區(qū)軸向過(guò)渡段303。選取磁控管中一組角向相對(duì)的兩個(gè)諧振腔，命名為輸出腔，并將其他諧振腔命名為非輸出腔。輸出腔的端口橫截面304與矩形輸出波導(dǎo)的橫截面305之間形成的線性漸變過(guò)渡段，構(gòu)成輸出腔軸向過(guò)渡段306。
[0043]非輸出腔軸向過(guò)渡段308米用兩種方案。方案一:各個(gè)非輸出腔的端口橫截面307以關(guān)于軸線方向的傾斜角α徑向向內(nèi)漸變到互作用區(qū)軸向過(guò)渡段303，構(gòu)成非輸出腔軸向過(guò)渡段308，其中傾斜角α根據(jù)優(yōu)化效果確定。方案二:兩個(gè)相鄰的非輸出腔的端口橫截面307與這兩腔之間的陽(yáng)極塊端口橫截面直接軸向外接一個(gè)角向?qū)挾认嗟惹逸S向長(zhǎng)度為Hf的扇形波導(dǎo)，構(gòu)成非輸出腔軸向過(guò)渡段308，其中長(zhǎng)度Hf根據(jù)優(yōu)化效果確定。
[0044]通過(guò)以上設(shè)計(jì)，軸向輸出過(guò)渡段3不僅使得工作在π模式上的2(2Ν+1)腔磁控管直接軸向輸出矩形TElO模式微波，而且使得軸向輸出過(guò)渡段在徑向和軸向上更加緊湊化和小型化，還使得互作用區(qū)中軸向漂移的電子迅速打在軸向輸出過(guò)渡段上，減少了漂移電子對(duì)輸出微波能量的吸收幾率，提高了功率轉(zhuǎn)換效率。
[0045]所述矩形輸出波導(dǎo)4的設(shè)計(jì)如圖6所示。其中，L和W分別為矩形波導(dǎo)橫截面的長(zhǎng)度和寬度。矩形波導(dǎo)的軸向中心線與磁控管的軸向中心線重合。對(duì)于工作在π模式上的固定頻率的2(2Ν+1)腔磁控管，矩形輸出波導(dǎo)橫截面的長(zhǎng)度L和寬度W不僅影響磁控管輸出模式的傳輸與截止，而且影響磁控管的功率轉(zhuǎn)換效率，因此它們的值需要根據(jù)優(yōu)化效果來(lái)確定。
[0046]通過(guò)以上設(shè)計(jì)，對(duì)于工作在π模式上的固定頻率的2(2Ν+1)腔磁控管，矩形輸出波導(dǎo)4在保證磁控管輸出純凈的矩形TElO模式的前提下，通過(guò)調(diào)整矩形波導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾?，能夠使得磁控管的功率轉(zhuǎn)換效率得到改善。
[0047]所述外加磁場(chǎng)系統(tǒng)5的設(shè)計(jì)如圖7所示。其中，501為螺線管I，502為螺線管II。在同軸輸入結(jié)構(gòu)、磁控管的諧振腔結(jié)構(gòu)和軸向輸出過(guò)渡段的外圍圓柱空間區(qū)域，圍繞磁控管的軸向方向加載兩組螺線管501和502，分別表示為螺線管I和螺線管II。兩組螺線管分居磁控管諧振腔結(jié)構(gòu)的軸向中心平面的兩側(cè)。兩組螺線管同步觸發(fā)，且在磁控管互作用區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)大小和方向一致。
[0048]通過(guò)以上設(shè)計(jì)，外加磁場(chǎng)系統(tǒng)5不僅使得互作用區(qū)中軸向磁場(chǎng)的分布更加均勻，電子束與微波的相互作用更加充分，而且使得整個(gè)磁控管系統(tǒng)更加緊湊化和小型化。
[0049]按照方案一的設(shè)計(jì)模擬實(shí)現(xiàn)了工作頻率為2.50GHz的具有矩形TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管(相應(yīng)尺寸設(shè)計(jì)為:? = 10.0mm, Ra = 21.0mm, Rv = 42.1mm, Δ Rr =Δ Rp = 1.0mm, θ=20。，θΓ=θρ = 5。，Hm = 72mm, Hc = 100.0mm, α = 68.8。，L =84.2mm, W = 24.0mm, N = I)。在工作電壓為360kV，軸向磁場(chǎng)為0.4T的條件下，輸出微波功率為409.2MW，功率轉(zhuǎn)換效率為21.9%，微波起振時(shí)間為25ns。
[0050]按照方案二的設(shè)計(jì)模擬實(shí)現(xiàn)了工作頻率為2.52GHz的具有矩形TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管(相應(yīng)尺寸設(shè)計(jì)為:R。= 10.0mm, Ra = 21.0mm, Rv = 42.1mm, Δ Rr=Δ Rp = 1.0mm, θ=20。，θΓ=θρ = 5。，Hm = 72mm, Hc = 100.0mm, Hf = 75mm, L =84.2mm, W = 24.0mm, N = I)。在工作電壓為360kV，軸向磁場(chǎng)為0.4T的條件下，輸出微波功率為419.0MW，功率轉(zhuǎn)換效率為24.0%，微波起振時(shí)間為25ns。
[0051 ] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有TE1輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管，其特征在于:所述磁控管由同軸輸入結(jié)構(gòu)(I)、諧振腔結(jié)構(gòu)(2)、軸向輸出過(guò)渡段(3)、矩形輸出波導(dǎo)(4)和外加磁場(chǎng)系統(tǒng)(5)組成，所述同軸輸入結(jié)構(gòu)⑴軸向外接所述諧振腔結(jié)構(gòu)(2)，所述諧振腔結(jié)構(gòu)(2)軸向外接所述軸向輸出過(guò)渡段(3)，所述軸向輸出過(guò)渡段(3)軸向外接所述矩形輸出波導(dǎo)(4)，所述外加磁場(chǎng)系統(tǒng)(5)安裝在所述同軸輸入結(jié)構(gòu)(I)、諧振腔結(jié)構(gòu)(2)和軸向輸出過(guò)渡段(3)的外圍圓柱空間區(qū)域； 所述同軸輸入結(jié)構(gòu)(I)由陰極連接桿(101)和同軸外筒(102)組成，陰極連接桿(101)與同軸外筒(102)的軸向中心線重合，陰極連接桿(101)半徑與磁控管陰極半徑R。相等，同軸外筒(102)內(nèi)徑與磁控管諧振腔半徑Rv相等； 所述諧振腔結(jié)構(gòu)(2)由具有2(2N+1)個(gè)諧振腔的典型磁控管結(jié)構(gòu)和磁控管中陽(yáng)極塊的改進(jìn)結(jié)構(gòu)組成，所述具有2(2N+1)個(gè)諧振腔的典型磁控管結(jié)構(gòu)主要包括陰極(201)和陽(yáng)極(202)，所述陰極(201)固定在同軸輸入結(jié)構(gòu)(I)中的陰極連接桿(101)上，位于同軸外筒(102)的軸向中心線上，所述陽(yáng)極(202)由2(2N+1)個(gè)沿同軸外筒(102)內(nèi)壁圓周角向周期分布的陽(yáng)極塊構(gòu)成，陽(yáng)極塊之間的腔構(gòu)成諧振腔(203);所述磁控管中陽(yáng)極塊的改進(jìn)結(jié)構(gòu)為將每個(gè)陽(yáng)極塊的光滑內(nèi)表面設(shè)計(jì)成具有凹槽(204)或突起(205)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面，其中，凹槽(204)與突起(205)的結(jié)構(gòu)沿圓周角向交替分布在陽(yáng)極塊內(nèi)表面上，凹槽(204)或突起(205)的角向中心線均與所在陽(yáng)極塊的角向中心線重合，凹槽(204)或突起(205)的軸向長(zhǎng)度均與陽(yáng)極塊的軸向長(zhǎng)度Hm相同，ARr和ARp分別表示凹槽(204)和突起(205)結(jié)構(gòu)的徑向深度，Θ,和9 p分別表示凹槽(204)和突起(205)結(jié)構(gòu)的角向?qū)挾龋疾?204)與突起(205)的徑向深度和角向?qū)挾雀鶕?jù)優(yōu)化效果確定； 所述軸向輸出過(guò)渡段(3)由磁控管的互作用區(qū)軸向過(guò)渡段(303)、輸出腔軸向過(guò)渡段(306)和非輸出腔軸向過(guò)渡段(308)組成，整體長(zhǎng)度為H。，所述磁控管的互作用區(qū)的端口橫截圓面(301)與矩形輸出波導(dǎo)中心的內(nèi)接圓橫截面(302)之間形成的線性漸變過(guò)渡段，構(gòu)成互作用區(qū)軸向過(guò)渡段(303)，選取磁控管中一組角向相對(duì)的兩個(gè)諧振腔，命名為輸出腔，并將其他諧振腔命名為非輸出腔，輸出腔的端口橫截面(304)與矩形輸出波導(dǎo)的橫截面(305)之間形成的線性漸變過(guò)渡段，構(gòu)成輸出腔軸向過(guò)渡段(306);各個(gè)非輸出腔的端口橫截面(307)以關(guān)于磁控管軸線方向的傾斜角α徑向向內(nèi)漸變到互作用區(qū)軸向過(guò)渡段(303)，構(gòu)成非輸出腔軸向過(guò)渡段(308)，其中傾斜角α根據(jù)優(yōu)化效果確定； 所述矩形輸出波導(dǎo)(4)由一長(zhǎng)為L(zhǎng)寬為W的矩形波導(dǎo)組成，所述矩形波導(dǎo)的軸向中心線與磁控管的軸向中心線重合，矩形波導(dǎo)橫截面的長(zhǎng)度L和寬度W根據(jù)優(yōu)化效果確定；所述外加磁場(chǎng)系統(tǒng)(5)由兩個(gè)螺線管組成，在同軸輸入結(jié)構(gòu)(I)、諧振腔結(jié)構(gòu)(2)和軸向輸出過(guò)渡段(3)的外圍圓柱空間區(qū)域，圍繞磁控管的軸向方向加載兩組螺線管，分別表示為螺線管I (501)和螺線管II (502)，兩組螺線管分居磁控管諧振腔結(jié)構(gòu)(2)的軸向中心平面的兩側(cè)，兩組螺線管同步觸發(fā)，且在磁控管互作用區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)大小和方向一致。
2.一種如權(quán)利要求1所述具有TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管，其特征在于:所述軸向輸出過(guò)渡段⑶中的非輸出腔軸向過(guò)渡段(308)還可以通過(guò)兩個(gè)相鄰的非輸出腔的端口橫截面(307)與這兩腔之間的陽(yáng)極塊端口橫截面直接軸向外接一個(gè)角向?qū)挾认嗟惹逸S向長(zhǎng)度為Hf的扇形波導(dǎo)構(gòu)成，其中長(zhǎng)度Hf根據(jù)優(yōu)化效果確定。
3.—種如權(quán)利要求1或2所述具有TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管，其特征在于:N = 1、2、3、4 或 5。
4.一種如權(quán)利要求1所述具有TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管，其特征在于:R。=10.0mm，Ra = 21.0mm，Rv = 42.1mm，Δ Rr = Δ Rp = 1.0mm，θ=20。，Qr=Qp = 5。，Hm=72mm，Hc = 100.0mm，a = 68.8° , L = 84.2mm，W = 24.0mm，N = I。
5.—種如權(quán)利要求2所述具有TElO輸出模式的緊湊型相對(duì)論磁控管，其特征在于:R。=10.0mm，Ra = 21.0mm，Rv = 42.1mm，Δ Rr = Δ Rp = 1.0mm，θ=20。，Qr=Qp = 5。，Hm=72mm，Hc = 100.0mm，Hf = 75mm，L = 84.2mm，W = 24.0mm，N = I。
【文檔編號(hào)】H01J23/02GK104183445SQ201410452109
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】史迪夫, 錢(qián)寶良, 王弘剛, 李偉, 杜廣星 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)