CN105428191A - 一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管，属于电子对抗技术领域。包括外壳、同腔结构阳极、磁控管谐振腔、若干扇形面阴极组成的透明阴极、调谐装置与能量耦合输出装置。本发明将传统的柱状阴极设计为扇形面透明阴极形式，通过改变阴极扇形发射面与扇形谐振腔的相对角度实现π模与2π模之间的模式转换。当阴极发射面与扇形谐振腔的相对角度改变时，阴阳极间的静电场分布也随之改变；同时受到影响的还有电子束相对于谐振模式高频场的初始相位。因此，当阴极旋转时，随着阴极发射面与扇形谐振腔的相对角度改变，相对论磁控管的工作模式也随之改变，达到频率捷变的目的。

Description

一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管

技术领域

本发明属于电子对抗技术领域，具体涉及一种跳频工作的相对论磁控管。

背景技术

相对论磁控管是代表性的高功率微波源之一，具有结构简单、皮实耐用且能够高重频工作等特点，在各类高功率微波***中有着广泛的使用，如英国的Orion，瑞典MTF，法国的Hyperion，德国的Supra等***级的高功率微波效应***都使用或部分使用了可调谐相对论磁控管。近年来随着高功率微波效应研究的不断深入以及实用化的要求，提出了快速可调谐的相对论磁控管，也就是相对论磁控管的捷变频技术。要求相对论磁控管在结构紧凑、小型化的同时，工作频率快速实现大范围的频率跳变。为了实现相对论磁控管结构紧凑与小型化，通常采用永磁包装技术，另外，脉冲功率源通常提供的电压调节范围有限，这些特点限制了利用工作电压或工作磁场的变化来实现模式或频率的改变。此种条件下，一种利用透明阴极实现相对论磁控管的方法被提出。通过旋转阴极的角度实现相对论磁控管频率跳变，它结构简单，实现容易，具有很强的实用性。跳频工作的相对论磁控管主要指标包括输出功率、工作频率、跳频的频率间隔以及频率跳变需要的时间。

目前，传统的调谐相对论磁控管有两种方式。第一种方式的结构如图1所示，它实际上是一个旭日型结构的相对论磁控管，通过调节矩形滑块的位置，改变谐振腔的工作频率，从而实现了频率调谐。另外一种方式的结构如图2所示，它是一个同腔结构的相对论磁控管，工作中通过更换不同半径的阴极，实现π模式与2π模式的转换，实现频率的跳变。这两种方式均属于机械调节的方式。第一种调节方式需要保证五个矩形滑块位置一致，整个过程中均为π模工作，其频率变化是一个连续的过程。此种调节方式结构比较复杂，而且调节所需的时间比较长。同时在频率两端分别由于模式竞争与零模的影响，功率将出现明显下降。第二种调频方式需要打开真空室来更换阴极，再次工作时需要重新获取真空，所需的时间更长。上述特点严重限制跳频相对论磁控管在实际工作中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率快速变换的相对论磁控管，旨在解决传统可调谐相对论磁控管频率调节时间较慢且不方便的问题，也针对诸如永磁包装相对论磁控管在工作磁场或工作电压调节较困难时的频率捷变。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管，包括外壳、同腔结构阳极、磁控管谐振腔、若干扇形面阴极组成的透明阴极、调谐装置与能量耦合输出装置，其特征在于：

所述磁控管谐振腔由偶数个沿圆周均匀分布的扇形谐振腔组成；

所述扇形面阴极的数目与扇形谐振腔的数目对应，其一端通过阴极支撑杆连接外部加速器内轴，另一端通过绝缘介质杆连接调谐装置，在调谐装置作用下，透明阴极绕轴旋转即可调节其与扇形谐振腔的相对位置；

所述同腔结构阳极两端设置有防止微波轴向泄露的圆环形端帽；

所述磁控管采用径向耦合输出，即在某一扇形谐振腔背部开一矩形耦合缝隙，缝隙口的长度与输出波导一致，宽度依据所需的有载Q值确定，磁控管与输出波导之间通过阻抗变换器过渡。

进一步地，所述阴极的轴向长度小于阳极轴向长度的二分之一。

进一步地，所述扇形谐振腔与扇形面阴极的数目为6。

在相对论磁控管的谐振模式中，π模与2π模均属于非简并模式，都可以作为相对论磁控管的工作模式。理论上，当电子的角向速度与某模式的相速接近时，就会激励起该模式的高频振荡。当相对论磁控管工作在不同模式时，输出微波频率将随着模式的变化而变化。本发明是将传统的柱状阴极设计为如图3所示的扇形面透明阴极形式，由于电子束从阴极表面发射时已经处于预群聚状态，此种结构可以加快磁控管的起振速度。本发明通过改变阴极扇形发射面与扇形谐振腔的相对角度实现π模与2π模之间的模式转换。当阴极发射面与扇形谐振腔的相对角度改变时，阴阳极间的静电场分布也随之改变；同时受到影响的还有电子束相对于谐振模式高频场的初始相位。因此，当阴极旋转时，随着阴极发射面与扇形谐振腔的相对角度改变，相对论磁控管的工作模式也随之改变，达到频率捷变的目的。

本发明是一种利用透明阴极实现频率快速变换的相对论磁控管，适用于工作电压与磁场调节不方便的场合，如永磁包装相对论磁控管。在实际应用中，两个工作频率间隔较大，通常跨波段，通过两种频率的交替变换工作，将能够有效增加针对的效应目标物。本发明虽然仍然属于机械式调谐，但是与传统的机械调谐的方式相比，具有更快的捷变频速度，更简单的结构。

附图说明

图1是采用旭日型结构的可调谐相对论磁控管示意图；

图2是同腔结构的相对论磁控管示意图；

图3是本发明相对论磁控管实施例的结构示意图(a.三维剖面图,b.纵截面图，c.横截面图)；

图4是本发明相对论磁控管实施例的静电场分布(a.阴极与谐振腔对应b.阴极与阳极块对应)；

图5是本发明相对论磁控管实施例的模谱分布；

图6是本发明实施例的π模场分布图；

图7是本发明实施例的2π模场分布图；

图8是本发明实施例的π模与2π模B-H图；

图9是本发明实施例的粒子仿真部分结果(阴极与谐振腔对应)；

图10是本发明实施例的粒子仿真部分结果(阴极与阳极块对应)。

附图标号说明：

1.1阴极，1.2.阳极，1.3.谐振腔，1.4.调谐滑块。

2.1阴极，2.2.阳极，2.3.谐振腔。

1.阴极，2.阳极，3.谐振腔，4.阻抗变换器，5.输出波导，6.外壳，7.绝缘支撑杆，8.阳极端帽，9.阴极支撑杆，10.真空室。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的跳频相对论磁控管的工作频点分别为2.90GHz(π模，S波段)与4.20GHz(2π模，C波段)，输出功率约700MW，要求相对论磁控管工作频率跳变时，工作电参数保持恒定。

本实施例如图3所示，一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管，工作在真空条件下，包括外壳6、同腔结构阳极2、磁控管谐振腔3、若干扇形面阴极组成的透明阴极1、调谐装置与能量耦合输出装置。

磁控管谐振腔3由6个沿圆周均匀分布的扇形谐振腔组成，本实施例中，扇形谐振腔外半径Rv＝4.11cm，内半径Ra＝2.11cm，张角20度，轴向长度为7.2cm，阳极材料为1cr18ni9ti；同腔结构阳极两端设置有防止微波轴向泄露的圆环形端帽8，材料为1cr18ni9ti。

6个扇形面阴极均匀分布形成透明阴极，材料为石墨，扇形面阴极两端有凸起的连接端，其一端连接阴极支撑杆9，通过阴极支撑杆进一步连接加速器的负极，另一端通过绝缘介质杆连接调谐装置，本实施例中，扇形面阴极的外半径Rc＝1.5cm，根据加速器提供的电压调节范围或者电磁线圈提供的磁场调节范围进行选择；轴向长度为2cm，根据加速器的阻抗进行选择；扇形张角为20度，两支撑杆的半径(即扇形面阴极内半径)为5mm，当利用调谐装置旋转绝缘介质杆时，阴极发射面与阳极的相对位置产生变化，正是利用这种变化，使磁控管工作在不同的模式，实现频率跳变。其中，外壳材料为1cr18ni9ti，绝缘支撑杆材料为高分子材料，阴极支撑杆材料为无氧铜。

所述磁控管采用径向耦合输出，即在某一扇形谐振腔背部开一矩形耦合缝隙，缝隙口的长度为7.2cm，与输出波导BJ32一致，宽度d＝0.8cm；磁控管与输出波导5之间通过切比雪夫阻抗变换器4过渡，波导与阻抗变换器材料均为无氧铜。阻抗变换器减少微波耦合输出过程中的反射，也起到工作频率变化时平衡输出功率的作用。

应用CST微波工作室分析了电压加载时的静场分布，如图4所示,(a)为阴极发射面正对谐振腔时的静场分布，(b)为阴极发射面正对阳极时的静场分布。可见，当阴极旋转时，阴阳极间的电场变化十分明显。

应用CST微波工作室分析了磁控管的高频特性，其色散模谱如图5所示，π模(模式数3)和2π模(模式数6)的冷腔谐振频率分别为3.20GHz与4.52GHz，二者的场分布图分别如图6、图7所示，相邻腔间的相位间隔分别是π与2π。

相对论大电流情况下，电子与高频场的同步条件为

式中 $b_z=B_{ze}\left|e\right|(r_a^2-r_c^2)/\left(2{\mathrm{mc}}^2{r}_a\right),$ m与e分别为电子质量与电荷，c为光速，r_a与r_c分别为阳极半径与阴极半径，w₀为高频场的角频率，I是磁控管工作电流，Bze为磁控管工作磁场。π模和2π模的同步曲线与截至曲线如图8所示。由图可见，在相同磁场下，π模和2π模的工作电压不一致，也即阴阳极间的静电场不一样。所以，当旋转阴极，导致阴阳极间的静电场变化的时候，磁控管的工作模式将随着工作条件的变化而变化。

在上述结构参数下，固定工作磁场为0.75Tesla，工作电压为600kV、700kV与800kV时，通过绝缘支撑杆旋转透明阴极，利用PIC粒子模拟进行仿真计算，得到的粒子模拟结果如下表1所示。模拟结果清晰地反映出，在相同的工作参数下，当旋转透明阴极时，能够导致相对论磁控管工作模式实现转换，工作频率实现跳变。模拟结果如图9、图10所示。其中，图9为磁控管工作在π模时的输出功率与频率，图10为磁控管工作在2π模时的输出功率与频率。

表1旋转扇形透明阴极结构计算结果

综上所述，本实施例工作频点能够在S波段与C波段之间实现跨波段的跳变。在频率跳变过程中输出功率保持了700MW左右，并且在频率捷变的过程中，工作的电参数(电压与磁场)保持恒定。此捷变频技术能够结合相对论磁控管的永磁包装技术，形成小型化结构紧凑的捷变频相对论磁控管，具有实际应用价值。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管，包括外壳、同腔结构阳极、磁控管谐振腔、若干扇形面阴极组成的透明阴极、调谐装置与能量耦合输出装置，其特征在于：

所述磁控管谐振腔由偶数个沿圆周均匀分布的扇形谐振腔组成；

所述扇形面阴极的数目与扇形谐振腔的数目对应，其一端通过阴极支撑杆连接外部加速器内轴，另一端通过绝缘介质杆连接调谐装置，在调谐装置作用下，透明阴极绕轴旋转即可调节其与扇形谐振腔的相对位置；

所述同腔结构阳极两端设置有防止微波轴向泄露的圆环形端帽；

所述磁控管采用径向耦合输出，即在某一扇形谐振腔背部开一矩形耦合缝隙，缝隙口的长度与输出波导一致，宽度依据所需的有载Q值确定，磁控管与输出波导之间通过阻抗变换器过渡。

2.如权利要求1所述的一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管，其特征在于：所述阴极的轴向长度小于阳极轴向长度的二分之一。

3.如权利要求1所述的一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管，其特征在于：所述扇形谐振腔与扇形面阴极的数目为6。

4.如权利要求1所述的一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管，其特征在于：所述阻抗变换器为切比雪夫阻抗变换器。

5.如权利要求1所述的一种利用透明阴极实现跳频工作的相对论磁控管，其特征在于：所述扇形面阴极两端均设置有凸起的连接端，通过连接端与阴极支撑杆及绝缘支撑杆连接。