CN104465276A

CN104465276A - 紧凑型轴向输出te11模式的相对论磁控管

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Publication number: CN104465276A
Application number: CN201410746386.0A
Authority: CN
Inventors: 史迪夫; 钱宝良; 王弘刚; 李伟; 杜广星
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-12-08
Also published as: CN104465276B

Abstract

本发明属于高功率微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种能使轴向输出的微波模式更加纯净，整个***更加紧凑的具有圆TE11输出模式的相对论磁控管。针对目前轴向输出相对论磁控管需要更加纯净的单一输出模式的问题，和现有轴向输出相对论磁控管难以满足紧凑化、小型化等方面的需求的问题，提出了一种新型相对论磁控管，该磁控管由同轴输入结构、谐振腔结构、轴向输出过渡段、圆形输出波导和外加磁场***组成，通过对磁控管阳极结构的改进，轴向输出过渡段的设计，矩形输出波导的设计以及外加磁场***的设计，不仅可以直接轴向输出更加纯净的圆TE11模式微波，而且可以使得整个***更加紧凑化、小型化。

Description

紧凑型轴向输出TE11模式的相对论磁控管

技术领域

本发明属于高功率微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种能使轴向输出的微波模式更加纯净，整个***更加紧凑的具有圆TE11输出模式的相对论磁控管。

背景技术

美国高功率微波领域的权威人士James Benford从研制实用型的高功率微波***角度出发，指出了未来高功率微波源的四个发展方向：(1)全面减小***尺寸和重量，提高功耗比；(2)高重复频率工作；(3)频率可调谐；(4)长寿命。为了满足未来高功率微波源的发展应用需求，研制出实用型的高功率微波源，具有结构简单，效率高，频率可调，适合长脉冲和高重复频率运行等特点的相对论磁控管成了人们广泛和深入研究的对象之一。相比径向输出相对论磁控管而言，结构更加紧凑的轴向输出相对论磁控管在全面减小***尺寸和重量方面具有更大的优势，因而成为近期研究的一大热点。

1轴向输出相对论磁控管的发展状况

2006年，美国新墨西哥大学M.I.Fuks教授等人通过调整A6磁控管的轴向输出端口过渡到圆锥输出喇叭的张角槽结构的数目2个、3个和6个，模拟实现了磁控管不同辐射模式TE11、TE01和TE31的轴向输出。在700kV和0.6T的工作条件下，该磁控管工作在π模式，工作电流在10kA左右，工作频率为2.18GHz，输出功率在600MW左右【M.I.Fuks,N.F.Kovalev,A.D.Andreev,and E.Schamiloglu.Mode conversion in a magnetron with axial extraction ofradiation[J].IEEE Trans.Plasma Sci.,vol.34,no.3,p.620,Jun.2006.】。

2007年，日本长冈技术大学M.Daimon等人在E.Schamiloglu等人的研究基础上提出一种改进型结构的轴向输出相对论磁控管【M.Daimon,W.Jiang.Modified configuration ofrelativistic magnetron with diffraction output for efficiency improvement[J].Appl.Phys.Lett,2007,91(19):191503.】。该磁控管通过在轴向输出的过渡结构中增加一个角度变量Ф₀，使得磁控管功率转换效率得到大幅提升，模拟得到工作频率为2.5GHz，输出功率为1.05GW，功率转换效率为37％，辐射模式为TE31的结果。2008年，他们从实验上也验证了改进型结构有利于输出功率的提高【M.Daimon,K.Itoh,W.Jiang.Experimental demonstration of relativisticmagnetron with modified output configuration[J].Appl.Phys.Lett.,2008,92(19):191504.】。

2009年，中国国防科技大学李伟博士等人针对轴向输出相对论磁控管辐射TE11模式效果差、效率低的情况，提出一种在轴向输出结构的对称张角槽中***具有一定尺寸结构的过渡段的高效型结构，既较好地实现了TE11模式的微波辐射，又提高了功率效率，粒子模拟中工作频率为2.36GHz，输出功率为4.2GW，效率最高达到43％【W.Li and Y.-G.Liu.Anefficient mode conversion configuration in relativistic magnetron with axial diffraction output[J].J.Appl.Phys.,vol.106,no.5,pp.053303–055305,Sep.2009.】。2013年，他们从实验上也验证了高效型结构有利于输出特性的改善【Wei Li,Yong-gui Liu,Jun Zhang,Di-fu Shi,and Wei-qiZhang.Experimental investigations on the relations between configurations and radiation patternsof a relativistic magnetron with diffraction output[J].J.Appl.Phys.,vol.113,no.2,pp.023304-1–023304-4,Jan.2013.】。

目前已报道的轴向输出相对论磁控管虽然在输出模式特性和功率转换效率方面有较大的改善，但是整个***结构在紧凑化和小型化方面仍有不足。

2紧凑型相对论磁控管的发展状况

2011年，中国国防科技大学李伟博士等人针对轴向输出相对论磁控管互作用区中的电子束长距离轴向漂移的问题，提出了一种改进型外加磁场结构【W.Li and Y.G.Liu.Modifiedmagnetic field distribution in relativistic magnetron with diffraction output for compact operation[J].Phys.Plasmas,vol.18,no.2,pp.023103-1–023103-4,Feb.2011.】。该磁场结构通过在输出圆波导前端加载一组轴向磁场与磁控管互作用区轴向磁场反向的螺线管，使得轴向漂移电子束更快地打在轴向输出结构上，不仅提高了功率转换效率，而且减小了轴向输出结构的轴向尺寸。2012年，他们在实验上验证了该外加磁场结构在提高效率，减小结构尺寸方面的作用【WeiLi,Yong-gui Liu,Ting Shu,Han-wu Yang,Yu-wei Fan,Cheng-wei Yuan,and Jun Zhang.Experimental demonstration of a compact high efficient relativistic magnetron with directly axialradiation[J].Phys.Plasmas,vol.19,no.1,pp.013105-1–013105-4,Jan.2012.】。

2012年，美国新墨西哥大学C.Leach博士等人通过在磁控管的轴向输出端口直接连接一个与磁控管半径尺寸相同的输出圆波导，研究了磁控管中不同数目的输出腔对输出特性的影响。粒子模拟表明该新型轴向输出结构使得整个***结构在轴向上和径向上更加紧凑化和小型化，从而使得轴向电子束漂移距离更短，外加磁场***更紧凑，输出模式TE11更纯净。结构未经优化的该磁控管工作频率为2.44GHz，输出功率为520MW，功率转换效率在14％左右【C.Leach,S.Prasad,M.Fuks,and E.Schamiloglu.Compact relativistic magnetron withGaussian radiation pattern[J].IEEE Trans.Plasma Sci.,vol.40,no.11,pp.3116–3120,Nov.2012.】。

2012年，美国新墨西哥州空军研究实验室Brad W.Hoff等人提出了一种全腔提取结构的相对论磁控管，提取结构采用径向耦合孔与扇形波导耦合输出，结构更加紧凑【Brad W.Hoff,Andrew D.Greenwood,Peter J.Mardahl,and Michael D.Haworth.All Cavity-Magnetron AxialExtraction Technique[J].IEEE Trans.Plasma Sci.,vol.40,no.11,pp.3046–3051,Nov.2012.】。2014年，中国北京应用物理与计算数学研究所杨郁林等人在此基础上结合了透明阴极技术，研究了一种全腔提取结构透明阴极相对论磁控管。利用粒子模拟在1.375GHz，获得了TEM模式2.98GW的功率输出，效率达到54％【杨郁林,董志伟,王冬.相对论全腔提取磁场管理论分析与数值模拟[J].微波学报,2014,第30卷(增刊):402-404】。

目前，国际上对轴向输出相对论磁控管的研究工作虽然在实现不同输出模式，提高功率转换效率，减小***尺寸和重量，以及提高输出模式纯度等方面取得了较大进展，但是关于同时能使输出模式更纯净，整个***更紧凑，且功率转换效率较高的轴向输出相对论磁控管的报道较为少见，因此，对于同时具有以上特点的相对论磁控管的研究具有重要的价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前轴向输出相对论磁控管需要更加纯净的单一输出模式的问题，和现有轴向输出相对论磁控管难以满足紧凑化、小型化等方面的需求的问题，提出了一种新型相对论磁控管，该磁控管通过对磁控管阳极结构的改进、轴向输出过渡段的设计、圆形输出波导的设计以及外加磁场***的设计，不仅可以直接轴向输出较为纯净的圆TE11模式微波，而且可以使得整个***更加紧凑化、小型化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

紧凑型轴向输出TE11模式的相对论磁控管，由同轴输入结构、谐振腔结构、轴向输出过渡段、圆形输出波导和外加磁场***组成。为了描述方便，定义图1中Z轴方向为轴向，R轴方向为径向。同轴输入结构轴向外接谐振腔结构，谐振腔结构轴向外接轴向输出过渡段，轴向输出过渡段轴向外接圆形输出波导，外加磁场***安装在同轴输入结构、谐振腔结构和轴向输出过渡段的***圆柱空间区域，且它们的轴向中心线均重合。

所述同轴输入结构，由同轴外筒和阴极连接杆组成。阴极连接杆与同轴外筒的轴向中心线重合。同轴外筒内径为R_oi，外径为R_o，阴极连接杆半径为R_i，上述参数之间满足下述关系：0<R_i<R_oi<R_o。

所述谐振腔结构，由具有2(2N+1)个腔的典型磁控管谐振腔结构(其中N＝1，2，3，4，5均可)和磁控管中阳极块的改进结构组成。所述具有2(2N+1)个腔的典型磁控管谐振腔结构由磁控管外筒、阳极和阴极组成。所述磁控管外筒轴向外接在同轴输入结构的末端，其内径为R_v，外径与同轴外筒的外径R_o相等，轴向长度为H_o。所述阳极由2(2N+1)个沿磁控管外筒内壁圆周角向周期分布的阳极块构成，其半径为R_a，轴向长度为H_a，且阳极末端面与磁控管外筒末端面平齐。各阳极块之间的腔构成谐振腔，每个谐振腔的角向宽度均为θ。所述阴极轴向固定在所述同轴输入结构中阴极连接杆的末端，位于磁控管外筒的轴向中心线上，其半径为R_c，轴向长度为H_c。所述磁控管中阳极块的改进结构为每个阳极块的光滑内表面所具有的凹槽或突起结构。其中，所述凹槽或突起结构沿磁控管圆周角向交替分布在每个阳极块内表面上，凹槽或突起的角向中心线均与所在阳极块的角向中心线重合，每个凹槽的径向深度均为ΔR_r，角向宽度均为θ_r，每个突起的径向深度均为ΔR_p，角向宽度均为θ_p，凹槽或突起的轴向长度均与阳极块的轴向长度H_a相等，上述参数之间满足下述关系：0<R_c<R_a<R_v<R_o，0<ΔR_r<R_v-R_a，0<ΔR_p<R_a-R_c，0<θ_r<180°/(2N+1)-θ，0<θ_p<180°/(2N+1)-θ，0<H_a<H_o，H_o-H_a<H_c。

所述轴向输出过渡段，由轴向输出过渡段前段和轴向输出过渡段后段组成，其中轴向输出过渡段前段的轴向长度为H_c1，轴向输出过渡段后段的轴向长度为H_c2。划分轴向输出过渡段前段与轴向输出过渡段后段的横截面为轴向输出过渡段分界横截面。为了描述方便，下面将通过对轴向输出过渡段的真空部分的描述来描述轴向输出过渡段外筒以内的结构。

所述轴向输出过渡段前段，由轴向输出过渡段前段外筒和轴向输出过渡段前段外筒以内的结构组成。所述轴向输出过渡段前段外筒，由磁控管外筒的末端口圆环面(圆环面的内径为R_v，外径为R_o)，与轴向输出过渡段分界横截面上的圆环面(圆环面的内径为R_v1，外径为R_o1)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述轴向输出过渡段前段外筒以内的结构，其真空部分由互作用区轴向过渡段前段、单独输出腔轴向过渡段前段和合成输出腔轴向过渡段前段组成。所述互作用区轴向过渡段前段，由磁控管的互作用区的端口横截圆面(圆面半径为R_a)与轴向输出过渡段分界横截面上的圆面(圆面半径为R_a1)之间形成的线性渐变过渡段构成。选取磁控管中一组角向相对的两个谐振腔，将其命名为单独输出腔，并将其他谐振腔命名为合成输出腔。所述单独输出腔轴向过渡段前段，由单独输出腔的端口横截面与轴向输出过渡段分界横截面上的单独类矩形面(类矩形面的短边长度为W_one1，与轴向中心线相距R_one1,长边长度为R_v1-R_one1)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述合成输出腔轴向过渡段前段，由合成输出腔轴向过渡段前段基本部分减去阳极块轴向过渡段构成。所述合成输出腔轴向过渡段前段基本部分，由两个相邻的合成输出腔的端口横截面加上所述两个相邻的合成输出腔之间的阳极块端口横截面，与轴向输出过渡段分界横截面上的合成类矩形面(类矩形面的短边长度为W_two1，与轴向中心线相距R_two1,长边长度为R_v1-R_two1)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述阳极块轴向过渡段，由阳极块轴向过渡段外部、阳极块轴向过渡段内部前段和阳极块轴向过渡段内部后段组成。以半径R_cut的圆弧为分界将两个相邻的合成输出腔之间的阳极块端口横截面分割成两部分，半径大于R_cut的部分命名为阳极块端口横截面外部，半径小于R_cut的部分命名为阳极块端口横截面内部。所述阳极块轴向过渡段外部，由阳极块端口横截面外部沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_board的类矩形横截面(类矩形横截面的短边长度为W_board，与轴向中心线相距R_board,长边长度为R_v+(R_v1-R_v)*H_board/H_c1-R_board)构成。所述阳极块轴向过渡段内部前段，由阳极块端口横截面内部沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_board的类梯形横截面(类梯形横截面上底即为类矩形横截面短边，边长为W_board，下底为半径为R_stick1，角向宽度为θ_stick1的圆弧)构成。所述阳极块轴向过渡段内部后段，由所述类梯形横截面再沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_stick的类半圆横截面(类半圆横截面的底边为半径为R_stick2，角向宽度为θ_stick2的圆弧，类半圆横截面的半径为R_stick2*sin(θ_stick2/2))构成，上述参数之间满足下述关系：0<R_a<R_cut<R_v<R_o，0≤R_one1≤R_a1，0≤R_two1≤R_a1，0<R_a1<R_v1<R_o1，0<R_stick1≤R_board<R_v+(R_v1-R_v)*H_board/H_c1，0<R_stick2<R_stick2+R_stick2*sin(θ_stick2/2)<R_v1，0<θ_stick1≤180°/(2N+1)-θ，0<θ_stick2≤180°/(2N+1)-θ，0<W_one1<2*R_v1，0<W_two1<2*R_v1，0<H_board+H_stick<H_c1。

所述轴向输出过渡段后段，由轴向输出过渡段后段外筒和轴向输出过渡段后段外筒以内的结构组成。所述轴向输出过渡段后段外筒，由所述轴向输出过渡段分界横截面上的圆环面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上的圆环面(圆环面的内径为R_v2，外径为R_o2)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述轴向输出过渡段后段外筒以内的结构，其真空部分由互作用区轴向过渡段后段、单独输出腔轴向过渡段后段和合成输出腔轴向过渡段后段组成。所述互作用区轴向过渡段后段，由所述轴向输出过渡段分界横截面上的圆面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上的圆面(圆面半径为R_v2)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述单独输出腔轴向过渡段后段，由所述轴向输出过渡段分界横截面上的单独类矩形面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上的单独类矩形面(类矩形面的短边长度为W_one2，与轴向中心线相距R_one2,长边长度为R_v2-R_one2)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述合成输出腔轴向过渡段后段，由所述轴向输出过渡段分界横截面上的合成类矩形面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上的合成类矩形面(类矩形面的短边长度为W_two2，与轴向中心线相距R_two2,长边长度为R_v2-R_two2)之间形成的线性渐变过渡段构成，上述参数之间满足下述关系：0≤R_one2≤R_v2，0≤R_two2≤R_v2，0<R_v2<R_o2，0<W_one2<2*R_v2，0<W_two2<2*R_v2，0<H_c2。

所述圆形输出波导，是一个内径为R_v2，外径为R_o2的圆波导。所述圆形输出波导轴向外接在轴向输出过渡段后段的末端口横截面上，上述参数之间满足下述关系：0<R_v2<R_o2。

所述外加磁场***，由两组螺线管组成，包围在同轴输入结构，谐振腔结构和轴向输出过渡段的***圆柱空间区域。所述两组螺线管，分别位于磁控管阳极结构的轴向中心横截面的两侧，两组螺线管同步触发，且在磁控管互作用区内产生的轴向磁场大小和方向一致。

采用本发明可以达到以下技术效果：

(1)设计阳极块的改进结构使得磁控管输出的微波起振时间更短，抑制模式竞争的能力更强，功率转换效率更高。

(2)设计轴向输出过渡段不仅使得工作在π模式上的磁控管直接轴向输出较为纯净的圆TE11模式微波，而且使得轴向输出过渡段在径向和轴向上更加紧凑化和小型化，减小了外加磁场***的体积和重量，还使得互作用区中轴向漂移的电子迅速打在轴向输出过渡段上，减少了漂移电子对输出微波能量的吸收几率，提高了功率转换效率。

(3)设计外加磁场***使得互作用区中轴向磁场的分布更加均匀，电子束与微波的相互作用更加充分，且整个磁控管***更加紧凑化和小型化。

附图说明

图1为本发明紧凑型轴向输出TE11模式的相对论磁控管的整体纵截面图；

图2为同轴输入结构的横截面图；

图3为磁控管谐振腔结构的组成图：(a)磁控管谐振腔结构的立体图，(b)磁控管谐振腔结构的横截面图，(c)磁控管谐振腔结构的纵截面图；

图4为轴向输出过渡段前段和前段的纵截面图；

图5为轴向输出过渡段前段的组成图：(a)轴向输出过渡段前段的立体图，(b)轴向输出过渡段前段的真空部分的立体图，(c)轴向输出过渡段前段的纵截面图及其两端口的横截面图；

图6为轴向输出过渡段后段的组成图：(a)轴向输出过渡段后段的立体图，(b)轴向输出过渡段后段的真空部分的立体图，(c)轴向输出过渡段后段的纵截面图及其两端口的横截面图；

图7为圆形输出波导的横截面图；

图8为外加磁场***的组成图：(a)外加磁场***的立体图，(b)外加磁场***的纵截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明。

紧凑型轴向输出TE11模式的相对论磁控管如图1所示，由同轴输入结构1、谐振腔结构2、轴向输出过渡段3、圆形输出波导4和外加磁场***5组成。为了描述方便，定义图1中Z轴方向为轴向，R轴方向为径向。同轴输入结构1轴向外接谐振腔结构2，谐振腔结构2轴向外接轴向输出过渡段3，轴向输出过渡段3轴向外接圆形输出波导4，外加磁场***5安装在同轴输入结构1、谐振腔结构2和轴向输出过渡段3的***圆柱空间区域，且它们的轴向中心线均重合。

所述同轴输入结构1如图2所示，由同轴外筒101和阴极连接杆102组成。阴极连接杆102与同轴外筒101的轴向中心线重合。同轴外筒101内径为R_oi，外径为R_o，阴极连接杆102半径为R_i，上述参数之间满足下述关系：0<R_i<R_oi<R_o。

所述谐振腔结构2如图3所示，由具有2(2N+1)个腔的典型磁控管谐振腔结构(其中N＝1，2，3，4，5均可)和磁控管中阳极块的改进结构组成。所述具有2(2N+1)个腔的典型磁控管谐振腔结构由磁控管外筒201、阳极202和阴极203组成。所述磁控管外筒201轴向外接在同轴输入结构1的末端，其内径为R_v，外径与同轴外筒101的外径R_o相等，轴向长度为H_o。所述阳极202由2(2N+1)个沿磁控管外筒内壁圆周角向周期分布的阳极块构成，其半径为R_a，轴向长度为H_a，且阳极202末端面与磁控管外筒201末端面平齐。各阳极块之间的腔构成谐振腔204，每个谐振腔的角向宽度均为θ。所述阴极203轴向固定在所述同轴输入结构中阴极连接杆102的末端，位于磁控管外筒201的轴向中心线上，其半径为R_c，轴向长度为H_c。所述磁控管中阳极块的改进结构为每个阳极块的光滑内表面所具有的凹槽205或突起206结构。其中，所述凹槽或突起结构沿磁控管圆周角向交替分布在每个阳极块内表面上，凹槽或突起的角向中心线均与所在阳极块的角向中心线重合，每个凹槽的径向深度均为ΔR_r，角向宽度均为θ_r，每个突起的径向深度均为ΔR_p，角向宽度均为θ_p，凹槽或突起的轴向长度均与阳极块的轴向长度H_a相等，上述参数之间满足下述关系：0<R_c<R_a<R_v<R_o，0<ΔR_r<R_v-R_a，0<ΔR_p<R_a-R_c，0<θ_r<180°/(2N+1)-θ，0<θ_p<180°/(2N+1)-θ，0<H_a<H_o，H_o-H_a<H_c。

通过以上设计，当2(2N+1)腔磁控管工作在π模式时，磁控管中相邻两个谐振腔的电场相位相差180度，使得角向相对的任意两个谐振腔的电场方向一致，而其余谐振腔的电场方向关于该两个谐振腔的中心对称面左右对称，从而为磁控管轴向输出圆TE11模式微波提供了有利条件。通过在阳极块上设置凹槽和突起结构使得磁控管输出微波的起振时间更短，抑制模式竞争的能力更强，功率转换效率更高。

所述轴向输出过渡段3如图4所示，由轴向输出过渡段前段3a和轴向输出过渡段后段3b组成，其中轴向输出过渡段前段3a的轴向长度为H_c1，轴向输出过渡段后段3b的轴向长度为H_c2。划分轴向输出过渡段前段与轴向输出过渡段后段的横截面为轴向输出过渡段分界横截面3ab。为了描述方便，下面将通过对轴向输出过渡段的真空部分的描述来描述轴向输出过渡段外筒以内的结构。

所述轴向输出过渡段前段3a如图5所示，由轴向输出过渡段前段外筒321和轴向输出过渡段前段外筒以内的结构组成。所述轴向输出过渡段前段外筒321，由磁控管外筒201的末端口圆环面319(圆环面的内径为R_v，外径为R_o)，与轴向输出过渡段分界横截面3ab上的圆环面320(圆环面的内径为R_v1，外径为R_o1)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述轴向输出过渡段前段外筒以内的结构，其真空部分由互作用区轴向过渡段前段303、单独输出腔轴向过渡段前段306和合成输出腔轴向过渡段前段318组成。所述互作用区轴向过渡段前段303，由磁控管的互作用区的端口横截圆面301(圆面半径为R_a)与轴向输出过渡段分界横截面3ab上的圆面302(圆面半径为R_a1)之间形成的线性渐变过渡段构成。选取磁控管中一组角向相对的两个谐振腔，将其命名为单独输出腔，并将其他谐振腔命名为合成输出腔。所述单独输出腔轴向过渡段前段306，由单独输出腔的端口横截面304与轴向输出过渡段分界横截面3ab上的单独类矩形面305(类矩形面的短边长度为W_one1，与轴向中心线相距R_one1,长边长度为R_v1-R_one1)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述合成输出腔轴向过渡段前段318，由合成输出腔轴向过渡段前段基本部分310减去阳极块轴向过渡段317构成。所述合成输出腔轴向过渡段前段基本部分310，由两个相邻的合成输出腔的端口横截面307加上所述两个相邻的合成输出腔之间的阳极块端口横截面308，与轴向输出过渡段分界横截面3ab上的合成类矩形面309(类矩形面的短边长度为W_two1，与轴向中心线相距R_two1,长边长度为R_v1-R_two1)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述阳极块轴向过渡段317，由阳极块轴向过渡段外部312、阳极块轴向过渡段内部前段314和阳极块轴向过渡段内部后段316组成。以半径R_cut的圆弧为分界将两个相邻的合成输出腔之间的阳极块端口横截面分割成两部分，半径大于R_cut的部分命名为阳极块端口横截面外部308a，半径小于R_cut的部分命名为阳极块端口横截面内部308b。所述阳极块轴向过渡段外部312，由阳极块端口横截面外部308a沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_board的类矩形横截面311(类矩形横截面的短边长度为W_board，与轴向中心线相距R_board,长边长度为R_v+(R_v1-R_v)*H_board/H_c1-R_board)构成。所述阳极块轴向过渡段内部前段314，由阳极块端口横截面内部308b沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_board的类梯形横截面313(类梯形横截面上底即为类矩形横截面短边，边长为W_board，下底为半径为R_stick1，角向宽度为θ_stick1的圆弧)构成。所述阳极块轴向过渡段内部后段316，由所述类梯形横截面313再沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_stick的类半圆横截面315(类半圆横截面的底边为半径为R_stick2，角向宽度为θ_stick2的圆弧，类半圆横截面的半径为R_stick2*sin(θ_stick2/2))构成，上述参数之间满足下述关系：0<R_a<R_cut<R_v<R_o，0≤R_one1≤R_a1，0≤R_two1≤R_a1，0<R_a1<R_v1<R_o1，0<R_stick1≤R_board<R_v+(R_v1-R_v)*H_board/H_c1，0<R_stick2<R_stick2+R_stick2*sin(θ_stick2/2)<R_v1，0<θ_stick1≤180°/(2N+1)-θ，0<θ_stick2≤180°/(2N+1)-θ，0<W_one1<2*R_v1，0<W_two1<2*R_v1，0<H_board+H_stick<H_c1。

所述轴向输出过渡段后段3b如图6所示，由轴向输出过渡段后段外筒329和轴向输出过渡段后段外筒以内的结构组成。所述轴向输出过渡段后段外筒329，由所述轴向输出过渡段分界横截面3ab上的圆环面320与轴向输出过渡段后段的端口横截面上的圆环面328(圆环面的内径为R_v2，外径为R_o2)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述轴向输出过渡段后段外筒以内的结构，其真空部分由互作用区轴向过渡段后段323、单独输出腔轴向过渡段后段325和合成输出腔轴向过渡段后段327组成。所述互作用区轴向过渡段后段323，由所述轴向输出过渡段分界横截面3ab上的圆面302与轴向输出过渡段后段的端口横截面上的圆面322(圆面半径为R_v2)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述单独输出腔轴向过渡段后段325，由所述轴向输出过渡段分界横截面3ab上的单独类矩形面305与轴向输出过渡段后段的端口横截面上的单独类矩形面324(类矩形面的短边长度为W_one2，与轴向中心线相距R_one2,长边长度为R_v2-R_one2)之间形成的线性渐变过渡段构成。所述合成输出腔轴向过渡段后段327，由所述轴向输出过渡段分界横截面3ab上的合成类矩形面309与轴向输出过渡段后段的端口横截面上的合成类矩形面326(类矩形面的短边长度为W_two2，与轴向中心线相距R_two2,长边长度为R_v2-R_two2)之间形成的线性渐变过渡段构成，上述参数之间满足下述关系：0≤R_one2≤R_v2，0≤R_two2≤R_v2，0<R_v2<R_o2，0<W_one2<2*R_v2，0<W_two2<2*R_v2，0<H_c2。

通过以上设计，所述轴向输出过渡段3不仅使得工作在π模式上的2(2N+1)腔磁控管直接轴向输出较为纯净的圆TE11模式微波，而且使得轴向输出过渡段3在径向和轴向上更加紧凑化和小型化，减小了外加磁场***5的体积和重量，还使得互作用区中轴向漂移的电子迅速打在轴向输出过渡段3上，减少了漂移电子对输出微波能量的吸收几率，提高了功率转换效率。

所述圆形输出波导4如图7所示，是一个内径为R_v2，外径为R_o2的圆波导。所述圆形输出波导4轴向外接在轴向输出过渡段后段3b的末端口横截面328上，上述参数之间满足下述关系：0<R_v2<R_o2。

所述外加磁场***5如图8所示，由两组螺线管501和502组成，包围在同轴输入结构1，谐振腔结构2和轴向输出过渡段3的***圆柱空间区域。所述两组螺线管501和502，分别位于磁控管阳极结构202的轴向中心横截面2xy的两侧，两组螺线管同步触发，且在磁控管互作用区内产生的轴向磁场大小和方向一致。

通过以上设计，外加磁场***5不仅使得互作用区中轴向磁场的分布更加均匀，电子束与微波的相互作用更加充分，而且使得整个磁控管***更加紧凑化和小型化。

实施例一：国防科技大学按照以上设计方案模拟实现了工作频率为4.48GHz的具有圆TE11输出模式的紧凑型相对论磁控管(相应尺寸设计为：同轴输入结构和谐振腔结构：N＝1,R_i＝R_c＝5.0mm,R_oi＝R_a＝13.0mm,R_v＝24.0mm,R_o＝26.0mm,ΔR_r＝ΔR_p＝1.0mm,θ＝20°,θ_r＝θ_p＝5°,H_o＝H_c＝108mm,H_a＝72mm；轴向输出过渡段和圆形输出波导：R_cut＝19mm,R_a1＝13mm,R_v1＝R_v2＝24.0mm,R_o1＝R_o2＝26.0mm,R_one1＝R_one2＝R_two1＝R_two2＝0.0mm,R_stick1＝R_stick2＝13.0mm,R_board＝19.0mm,θ_stick1＝θ_stick2＝24°,W_one1＝W_one2＝10.0mm,W_two1＝W_two2＝20.0mm,W_board＝2.0mm,H_c1＝H_c2＝50.0mm,H_board＝30.0mm,H_stick＝5.0mm.)。在工作电压为360kV，轴向磁场为0.6T的条件下，微波输出功率为433.0MW，功率转换效率为41.9％，微波起振时间为16ns。

实施例二：国防科技大学按照以上设计方案模拟实现了工作频率为4.29GHz的具有圆TE11输出模式的紧凑型相对论磁控管(相应尺寸设计为：同轴输入结构和谐振腔结构：N＝2,R_i＝R_c＝11.0mm,R_oi＝R_a＝18.0mm,R_v＝30.0mm,R_o＝32.0mm,ΔR_r＝ΔR_p＝1.0mm,θ＝18°,θ_r＝θ_p＝4.5°,H_o＝H_c＝108mm,H_a＝72mm；轴向输出过渡段和圆形输出波导：R_cut＝19mm,R_a1＝18mm,R_v1＝R_v2＝30.0mm,R_o1＝R_o2＝32.0mm,R_one1＝R_one2＝R_two1＝R_two2＝0.0mm,R_stick1＝R_stick2＝17.0mm,R_board＝19.0mm,θ_stick1＝θ_stick2＝14°,W_one1＝W_one2＝11.0mm,W_two1＝W_two2＝23.0mm,W_board＝2.0mm,H_c1＝H_c2＝50.0mm,H_board＝30.0mm,H_stick＝4.0mm.)。在工作电压为230kV，轴向磁场为0.4T的条件下，微波输出功率为285.0MW，功率转换效率为26.4％，微波起振时间为15ns。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种紧凑型轴向输出TE11模式的相对论磁控管，其特征在于：所述磁控管由同轴输入结构、谐振腔结构、轴向输出过渡段、圆形输出波导和外加磁场***组成，其中，同轴输入结构轴向外接谐振腔结构，谐振腔结构轴向外接轴向输出过渡段，轴向输出过渡段轴向外接圆形输出波导，外加磁场***安装在同轴输入结构、谐振腔结构和轴向输出过渡段的***圆柱空间区域，且它们的轴向中心线均重合；

所述同轴输入结构由同轴外筒和阴极连接杆组成，所述阴极连接杆与所述同轴外筒的轴向中心线重合，所述同轴外筒内径为R_oi，外径为R_o，所述阴极连接杆半径为R_i，上述参数之间满足下述关系：0<R_i<R_oi<R_o；

所述谐振腔结构由具有2(2N+1)个腔的典型磁控管谐振腔结构和磁控管中阳极块的改进结构组成，所述具有2(2N+1)个腔的典型磁控管谐振腔结构由磁控管外筒、阳极和阴极组成，所述磁控管外筒轴向外接在同轴输入结构的末端，其内径为R_v，外径与同轴外筒的外径R_o相等，轴向长度为H_o，所述阳极由2(2N+1)个沿磁控管外筒内壁圆周角向周期分布的阳极块构成，其半径为R_a，轴向长度为H_a，且阳极末端面与磁控管外筒末端面平齐，各阳极块之间的腔构成磁控管谐振腔，每个谐振腔的角向宽度均为θ，所述阴极轴向固定在所述同轴输入结构中阴极连接杆的末端，位于所述磁控管外筒的轴向中心线上，其半径为R_c，轴向长度为H_c；所述磁控管中阳极块的改进结构为每个阳极块的光滑内表面所具有的凹槽或突起结构，其中，所述凹槽或突起结构沿磁控管圆周角向交替分布在每个阳极块内表面上，凹槽或突起的角向中心线均与所在阳极块的角向中心线重合，每个凹槽的径向深度均为ΔR_r，角向宽度均为θ_r，每个突起的径向深度均为ΔR_p，角向宽度均为θ_p，凹槽或突起的轴向长度均与阳极块的轴向长度H_a相等，上述参数之间满足下述关系：0<R_c<R_a<R_v<R_o，0<ΔR_r<R_v-R_a，0<ΔR_p<R_a-R_c，0<θ_r<180°/(2N+1)-θ，0<θ_p<180°/(2N+1)-θ，0<H_a<H_o，H_o-H_a<H_c；

所述轴向输出过渡段由轴向输出过渡段前段和轴向输出过渡段后段组成，其中所述轴向输出过渡段前段的轴向长度为H_c1，所述轴向输出过渡段后段的轴向长度为H_c2，划分轴向输出过渡段前段与轴向输出过渡段后段的横截面为轴向输出过渡段分界横截面；

所述轴向输出过渡段前段由轴向输出过渡段前段外筒和轴向输出过渡段前段外筒以内的结构组成，所述轴向输出过渡段前段外筒由磁控管外筒内径为R_v，外径为R_o的末端口圆环面，与轴向输出过渡段分界横截面上内径为R_v1，外径为R_o1的圆环面之间形成的线性渐变过渡段构成；所述轴向输出过渡段前段外筒以内的结构，其真空部分由互作用区轴向过渡段前段、单独输出腔轴向过渡段前段和合成输出腔轴向过渡段前段组成，所述互作用区轴向过渡段前段由磁控管的互作用区上圆面半径为R_a的端口横截圆面与轴向输出过渡段分界横截面上圆面半径为R_a1的圆面之间形成的线性渐变过渡段构成，选取磁控管中一组角向相对的两个谐振腔，将其命名为单独输出腔，并将其他谐振腔命名为合成输出腔，则所述单独输出腔轴向过渡段前段由所述单独输出腔的端口横截面与轴向输出过渡段分界横截面上短边长度为W_one1、与轴向中心线相距R_one1、长边长度为(R_v1-R_one1)的单独类矩形面之间形成的线性渐变过渡段构成，所述合成输出腔轴向过渡段前段由合成输出腔轴向过渡段前段基本部分减去阳极块轴向过渡段构成，所述合成输出腔轴向过渡段前段基本部分由两个相邻的合成输出腔的端口横截面加上所述两个相邻的合成输出腔之间的阳极块端口横截面与轴向输出过渡段分界横截面上短边长度为W_two1、与轴向中心线相距R_two1、长边长度为(R_v1-R_two1)的合成类矩形面之间形成的线性渐变过渡段构成，所述阳极块轴向过渡段由阳极块轴向过渡段外部、阳极块轴向过渡段内部前段和阳极块轴向过渡段内部后段组成，以半径R_cut的圆弧为分界将两个相邻的合成输出腔之间的阳极块端口横截面分割成两部分，将半径大于R_cut的部分命名为阳极块端口横截面外部，将半径小于R_cut的部分命名为阳极块端口横截面内部，所述阳极块轴向过渡段外部由阳极块端口横截面外部沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_board、短边长度为W_board、与轴向中心线相距R_board、长边长度为(R_v+(R_v1-R_v)*H_board/H_c1-R_board)的类矩形横截面构成，所述阳极块轴向过渡段内部前段由阳极块端口横截面内部沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_board、上底为类矩形横截面短边、边长为W_board、下底为半径为R_stick1、角向宽度为θ_stick1的圆弧的类梯形横截面构成，所述阳极块轴向过渡段内部后段由所述类梯形横截面再沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_stick、底边为半径为R_stick2、角向宽度为θ_stick2的圆弧、类半圆横截面的半径为(R_stick2*sin(θ_stick2/2))的类半圆横截面构成，上述参数之间满足下述关系：0<R_a<R_cut<R_v<R_o，0≤R_one1≤R_a1，0≤R_two1≤R_a1，0<R_a1<R_v1<R_o1，0<R_stick1≤R_board<R_v+(R_v1-R_v)*H_board/H_c1，0<R_stick2<R_stick2+R_stick2*sin(θ_stick2/2)<R_v1，0<θ_stick1≤180°/(2N+1)-θ，0<θ_stick2≤180°/(2N+1)-θ，0<W_one1<2*R_v1，0<W_two1<2*R_v1，0<H_board+H_stick<H_c1；

所述轴向输出过渡段后段由轴向输出过渡段后段外筒和轴向输出过渡段后段外筒以内的结构组成，所述轴向输出过渡段后段外筒由所述轴向输出过渡段分界横截面上的圆环面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上内径为R_v2，外径为R_o2的圆环面之间形成的线性渐变过渡段构成；所述轴向输出过渡段后段外筒以内的结构，其真空部分由互作用区轴向过渡段后段、单独输出腔轴向过渡段后段和合成输出腔轴向过渡段后段组成，所述互作用区轴向过渡段后段由所述轴向输出过渡段分界横截面上的圆面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上半径为R_v2的圆面之间形成的线性渐变过渡段构成，所述单独输出腔轴向过渡段后段由所述轴向输出过渡段分界横截面上的单独类矩形面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上短边长度为W_one2、与轴向中心线相距R_one2、长边长度为(R_v2-R_one2)的单独类矩形面之间形成的线性渐变过渡段构成，所述合成输出腔轴向过渡段后段由所述轴向输出过渡段分界横截面上的合成类矩形面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上短边长度为W_two2、与轴向中心线相距R_two2、长边长度为(R_v2-R_two2)的合成类矩形面之间形成的线性渐变过渡段构成，上述参数之间满足下述关系：0≤R_one2≤R_v2，0≤R_two2≤R_v2，0<R_v2<R_o2，0<W_one2<2*R_v2，0<W_two2<2*R_v2，0<H_c2；

所述圆形输出波导是一个内径为R_v2，外径为R_o2的圆波导，所述圆形输出波导轴向外接在所述轴向输出过渡段后段的末端口横截面上，上述参数之间满足下述关系：0<R_v2<R_o2；

所述外加磁场***由两组螺线管组成，包围在同轴输入结构、谐振腔结构和轴向输出过渡段的***圆柱空间区域，所述两组螺线管分别位于磁控管阳极结构的轴向中心横截面的两侧，两组螺线管同步触发，且在磁控管互作用区内产生的轴向磁场大小和方向一致。

2.一种如权利要求1所述紧凑型轴向输出TE11模式的相对论磁控管，其特征在于：N＝1、2、3、4或5。

3.一种如权利要求1或2所述具有TE10输出模式的紧凑型相对论磁控管，其特征在于：所述磁控管各参数如下：N＝1,R_i＝R_c＝5.0mm,R_oi＝R_a＝13.0mm,R_v＝24.0mm,R_o＝26.0mm,ΔR_r＝ΔR_p＝1.0mm,θ＝20°,θ_r＝θ_p＝5°,H_o＝H_c＝108mm,H_a＝72mm；轴向输出过渡段和圆形输出波导：R_cut＝19mm,R_a1＝13mm,R_v1＝R_v2＝24.0mm,R_o1＝R_o2＝26.0mm,R_one1＝R_one2＝R_two1＝R_two2＝0.0mm,R_stick1＝R_stick2＝13.0mm,R_board＝19.0mm,θ_stick1＝θ_stick2＝24°,W_one1＝W_one2＝10.0mm,W_two1＝W_two2＝20.0mm,W_board＝2.0mm,H_c1＝H_c2＝50.0mm,H_board＝30.0mm,H_stick＝5.0mm。

4.一种如权利要求1或2所述具有TE10输出模式的紧凑型相对论磁控管，其特征在于：所述磁控管各参数如下：N＝2,R_i＝R_c＝11.0mm,R_oi＝R_a＝18.0mm,R_v＝30.0mm,R_o＝32.0mm,ΔR_r＝ΔR_p＝1.0mm,θ＝18°,θ_r＝θ_p＝4.5°,H_o＝H_c＝108mm,H_a＝72mm；轴向输出过渡段和圆形输出波导：R_cut＝19mm,R_a1＝18mm,R_v1＝R_v2＝30.0mm,R_o1＝R_o2＝32.0mm,R_one1＝R_one2＝R_two1＝R_two2＝0.0mm,R_stick1＝R_stick2＝17.0mm,R_board＝19.0mm,θ_stick1＝θ_stick2＝14°,W_one1＝W_one2＝11.0mm,W_two1＝W_two2＝23.0mm,W_board＝2.0mm,H_c1＝H_c2＝50.0mm,H_board＝30.0mm,H_stick＝4.0mm。