CN108807117A - 一种l波段双注双频相对论磁控管 - Google Patents

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李天明
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胡标
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    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/50—Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field
    • H01J25/52—Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field with an electron space having a shape that does not prevent any electron from moving completely around the cathode or guide electrode
    • H01J25/58—Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field with an electron space having a shape that does not prevent any electron from moving completely around the cathode or guide electrode having a number of resonators; having a composite resonator, e.g. a helix
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Abstract

本发明公开了一种L波段双注双频相对论磁控管，属于高功率微波技术中的微波源技术领域。该磁控管包括两个轴向连通的高频***，两个高频***均采用单端口径向输出。本发明磁控管满足与低阻抗高功率驱动源匹配的要求，减小脉冲形成线的几何尺寸，使整个高功率微波***小型化、紧凑化。同时，基于低阻抗高功率驱动源，轴向同轴连接的单个高频***仍能在高阻抗条件下工作，避免单个高频***的电子效率因脉冲形成线的几何尺寸减小而受到影响。

Description

一种L波段双注双频相对论磁控管
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L波段双注双频相对论磁控管，基于轴向分段式高频结构，辐射两列不同频率的高功率微波。
背景技术
从实用型高功率微波***角度出发，高功率微波***的发展主要集中在四个方面：(1)***的小型化和紧凑化，提高功耗比；(2)高重复频率工作；(3)频率可调谐；(4)多频输出。相对论磁控管自诞生以来，一直备受关注，并制定计划对其进行研究，开始阶段主要集中在提高单个相对论磁控管输出特性的研究，包括尽可能获取最大峰值、平均值功率，以及提高效率。
最近几年密歇根大学提出了一种新的平面磁控管。基于横向分段式高频结构，两个模式同时工作，输出不同频率的高功率微波。据报道，在外加工作电压300kV左右，轴向磁场0.14～0.23T条件下，平面磁控管输出两列频率分别为1GHz和2GHz的微波，对应的最大峰值功率为32MW和13MW。值得指出的是多频高功率微波由于对作用目标的拍波效应，能够有效降低毁伤阈值和扩大作用目标种类，克服当前窄带高功率微波毁伤效应的缺点。
相对论磁控管在高阻抗条件下工作有利于电子与高频电磁场互作用，是解决相对论磁控管低效率的一个途径，但要求与之匹配的高功率驱动源为高阻抗。众所周知，高阻抗驱动源通常选变压器油为脉冲形成线的绝缘和储能介质，正是脉冲形成线几何尺寸较大的原因。大尺寸的脉冲形成线大幅度增加了整个高功率微波***的体积，不利于***的小型化和紧凑化。目前，随着脉冲功率源技术的发展，通过选取介电常数较大的介质作为脉冲形成线的绝缘和储能介质，减小脉冲形成线的几何尺寸，但其阻抗却降低了，与高阻抗相对论磁控管不匹配。基于理论分析和实验结果，相对论磁控管在高阻抗(～100Ω)条件下比在低阻抗(20～50Ω)时，电子流与高频电场互作用过程中换能更充分，以及两列不同频率的高功率波对目标形成的拍波毁伤效能更高。因此，本发明提出了一种L波段双注双频相对论磁控管，即轴向分段式高频结构的相对论磁控管，辐射出两列不同频率的高功率微波。
发明内容
本发明提出了一种L波段双注双频相对论磁控管。其结构满足与低阻抗高功率驱动源匹配的要求，减小脉冲形成线的几何尺寸，使整个高功率微波***小型化、紧凑化。同时，基于低阻抗高功率驱动源，轴向同轴连接的单个高频***仍能在高阻抗条件下工作，避免单个高频***的电子效率因脉冲形成线的几何尺寸减小而受到影响。
本发明采取的技术方案是：一种L波段双注双频相对论磁控管，其特征在于：该磁控管包括两个轴向连通的高频***。所述两个高频***均包括阳极外套筒、外套筒内沿圆周均匀分布的扇形谐振腔、以及互作用区，所述两个高频***的互作用区通过一圆柱形连接通道连通，且两个互作用区分别设置有一通过阴极支撑杆连接的阴极；所述两个高频***采用径向输出。
进一步地，所述两个高频***均采用其中一个扇形谐振腔通过径向输出过渡段连接输出矩形波导进行微波输出。
进一步地，所述连接通道内半径与互作用区半径相同。
磁控管振荡器属于一种正交场器件，在正交DC电场和磁场作用下，电子沿EDC×B0方向做轮摆运动，当其漂移速度与高频电场相速满足同步条件，以物理机理ERF·J彼此交换能量。相对论磁控管在大电流驱动下产生辐射功率高于非相对论器件两个数量级以上，输出峰值功率达到GW水平。在大电流的情况下，空间电荷引起的自磁场对注波互作用的影响不能忽略，尤其在本发明提出的轴向分段式高频结构中，注波互作用过程中自磁场的影响较大，通过调节两个高频***的轴向间隔，可减小空间电荷形成的自磁场互相的影响。
本发明有益效果是：(1)轴向分段式高频结构的相对论磁控管既能满足单个高频***在高阻抗条件下工作，同时又可以满足与低阻抗高功率驱动源匹配的要求，减小脉冲形成线的几何尺寸，使整个高功率微波***小型化、紧凑化；(2)与密歇根大学提出的横向分段式高频结构的相对论磁控管比较，轴向分段式高频结构中双束电子注独立参与互作用，不要求两个工作模式的相速相同，不仅有利于注波互作用，而且输出的两列高功率微波的频率间隔调节范围更大；(3)输出的两列不同频率的高功率微波，对攻击目标造成拍波毁伤效应，比单个窄带高功率微波对目标的毁伤效能更高,有效毁伤目标种类更多。
附图说明
图1为密歇根大学提出的横向分段式高频结构的谐振阵列示意图；
图2为本发明提出的轴向分段式高频结构的相对论磁控管示意图；
图3为本实施例提供一种L波段双注双频相对论磁控管的输出结果，图3(a)和(b)为端口4输出的时域信号及其FFT分析，图3(c)和(d)为端口5输出的时域信号及其FFT分析。
附图标号说明：1阳极外套筒，2扇形谐振腔，3互作用区，4阴极，5输出过渡段，6输出矩形波导BJ14,7阴极支撑杆。
具体实施方式
图1为美国密歇根大学提出的横向分段式高频结构的谐振阵列(图1(a)为正面图，图1(b)为斜视图)。据报道在工作电压300kV，磁场0.14～0.23T条件下，两端口输出最大的峰值功率分别为32MW和13MW，对应的频率为1GHz和2GHz。
图2为本发明提出的轴向分段式高频结构的相对论磁控管(图2(a)为剖面图，图2(b)为整体结构示意图)。该磁控管包括两个轴向连通的高频***，两个高频***均包括阳极外套筒、沿圆周均匀分布的扇形谐振腔、以及互作用区，两个高频***的互作用区通过一圆柱形连接通道连通，且两个互作用区分别设置有一通过阴极支撑杆连接的阴极。所述两个高频***采用径向输出，即两个高频***的其中一个扇形谐振腔通过径向输出过渡段连接输出矩形波导进行微波输出。所述连接通道内半径与互作用区半径相同。
本实例中A6相对论磁控管的几何参数为：阴极半径rc＝12.7mm，阳极半径ra＝31.8mm，阳极外半径rb＝82.6mm，扇形谐振腔的角度θ＝20°，矩形波导窄边宽度a＝82mm，径向输出过渡段与矩形波导连接处耦合口窄边距离b＝48mm，径向输出过渡段的长度c＝55mm，高频***的高度L＝160mm，两套高频***轴向间隔d＝60mm。两套高频***采取单端口径向输出结构。
图3表示L波段双注双频相对论磁控管仿真验证输出的时域微波信号及其对应的FFT分析。其中图3(a)和(b)表示输出端口6输出的时域微波信号及其FFT分析；图3(c)和(d)表示另外一个输出端口6输出的时域微波信号及其FFT分析。PIC仿真在工作电压750kV，磁场0.33T条件下，端口6输出峰值功率达到500MW，频率为1.25GHz；另一端口6输出峰值功率达到800MW，频率为1.48GHz。经计算轴向分段式高频结构的相对论磁控管的阻抗降到约30Ω，有利于与低阻抗驱动源匹配。因此，本发明提出的轴向分段式高频结构L波段双注双频相对论磁控管具有重要的研究和应用价值。

Claims (4)

1.一种L波段双注双频相对论磁控管，其特征在于：该磁控管包括两个轴向连通的高频***。
2.如权利要求1所述的一种L波段双注双频相对论磁控管，其特征在于：所述两个高频***均包括阳极外套筒、外套筒内沿圆周均匀分布的扇形谐振腔、以及互作用区，所述两个高频***的互作用区通过一圆柱形连接通道连通，且两个互作用区分别设置有一通过阴极支撑杆连接的阴极；所述两个高频***采用径向输出。
3.如权利要求2所述的一种L波段双注双频相对论磁控管，其特征在于：所述两个高频***均采用一个扇形谐振腔通过径向输出过渡段连接输出矩形波导进行微波输出。
4.如权利要求2所述的一种L波段双注双频相对论磁控管，其特征在于：所述连接通道内半径与互作用区半径相同。
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