CN109792833A - 产生电磁波的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于产生电磁波的装置，该装置提供了高效射频放大，有利于低电磁损失，能够高效使用电子动能，并作用于不同无线电频率。设备(100)包括真空外壳(106)，一对金属板，谐振器(112)，电子枪(110)，磁场发生器(130)，拾取循环(124)。所述真空外壳(106)在其中限定了空间(114)。所述一对金属板在所述空间内限定通道。所述谐振器(112)耦合到所述一对金属板。电子枪(110)将受控的电子脉冲(122)发射到通道中。所述磁场发生器配置成产生电磁波。所述拾取循环(124)提取所述产生的电磁波。

Description

产生电磁波的装置

技术领域

本发明涉及电磁波发生***。

背景技术

传统的微波放大管如行波管(TWT)和速调管用于获得放大的RF信号。行波管是在管周围具有磁场的细长真空管。在管的一端存在的电子枪发射电子，该电子被磁场聚焦以形成电子束，该电子束穿过放置在管中间的螺旋线。螺旋线从RF输入延伸到RF输出，电子束通过螺旋线。在管的阳极和阴极处施加电势，管与磁场一起有助于电子束朝向管的集电极端加速，在管里集电极电极将电子返回到电路。速调管与行波管类似。代替行波管中存在的螺旋或耦合腔，速调管包括多个腔谐振器来产生电子束的速度调制以进行放大。然而如果行波管或调速管的任何部分输出信号反射回输入，它会引起管内振荡从而降低放大率。可以放置衰减器以最小化反射，但是衰减器导致增益降低，这会影响管的整体效率。而且，速调管和行波管中的大部分能量在集电极电极板中作为热量损失。此外，行波管和速调管需要放大外部的微波供应，速调管不能提供高RF增益。

因此，需要一种电磁(EM)波产生装置和方法，其限制传统微波放大管的上述缺点并产生电磁波而不输入RF信号。

发明内容

本发明的一些目的，本文中至少一个实施例满足，如下：

本发明的目的是改善现有技术的一个或多个问题或者至少提供有用的替代方案。

本发明的目的是提供一种产生电磁(EM)波的装置。

本发明的另一个目的是提供一种产生电磁(EM)波的装置，其提供有效的射频放大。

本发明的又一个目的是提供一种产生电磁(EM)波的装置，其有助于低电磁损耗。

本发明的又一个目的是提供一种产生电磁(EM)波的装置，其能够几乎完全利用电子的动能。

本发明的另一个目的是提供一种产生电磁(EM)波的装置，其适用于不同的射频。

根据以下描述，本发明的其他目的和优点将更加明显，其并不限制本公开的范围。

本发明设想了一种用于产生电磁波的装置。该装置包括真空外壳，一对金属板，谐振器，电子枪，磁场发生器，拾取循环。所述真空外壳在其中限定了空间。所述一对金属板在所述空间内间隔设置，从而在它们之间构成通道。所述谐振器耦合到所述一对金属板。电子枪配置成以受控方式将电子脉冲发射到通道中。所述磁场发生器配置成在通道上产生时变磁场，从而赋予电子振荡，以在所述一对金属板之间产生振荡电场。所述振荡电场被配置为在所述谐振器中诱导时变电流，从而产生电磁波。所述拾取循环耦合到所述谐振器并配置成提取产生的电磁波。

在实施例中，所述真空外壳耦合在所述电子枪和集电极之间。在另一个实施例中，所述电子枪选自热离子电子枪，静电电子枪和激光驱动电子枪中的一种或多种。进一步，在一个实施例中，在时变磁场的影响下，电子脉冲沿着波形的路径行进。另外，所述电子脉冲在固定的时间周期内历经一个振荡周期。

在一个实施例中，所述谐振器的宽度小于所述真空外壳的宽度。进一步，所述真空外壳的侧壁是锥形的。

在另一个实施例中，该装置包括耦合在所述电子枪和至少一个所述真空外壳之间的“D”形外壳。进一步，它包括设置在由至少一个真空外壳和所述“D”形外壳的周长形成的每个交叉点处的电子吸收材料。在另一个实施例中，所述电子枪配置成发射高速电子流。

附图说明

现在将借助于附图描述本发明产生电磁(EM)波的装置和方法，其中：

图1为根据本发明的实施例的电磁波产生装置示意图。

图2为根据本发明的另一个实施例的电磁波产生装置示意图。

图3为根据本发明的一个实施例的电子振荡图。

图4和5为根据本发明的一个实施例的电子射弹/路径图。

图6和7为根据本发明的一个实施例的电子在磁场中的偏转图。

图8为根据本发明的一个实施例的电场贡献图。

图9为根据本发明的一个实施例的整流逆变器限幅电路的方框示意图。

图10为根据本发明的一个实施例的开关和磁场控制电流的框图。

图11为一个实施例的图1的装置中存在的锥形真空外壳的示意图。

图12为粒子(电子)模拟轨迹的图形图。

说明书和附图中标记说明表：

具体实施方式

传统的微波放大管如行波管(TWT)和速调管用于获得放大的RF信号。行波管是在管周围具有磁场的细长真空管。在管的一端存在的电子枪发射电子，该电子被磁场聚焦以形成电子束，该电子束穿过放置在管中间的螺旋线。螺旋线从RF输入延伸到RF输出，电子束穿过螺旋线。在管的阳极和阴极处施加电势，其与磁场一起有助于电子束向管的集电极端加速，管集电极端将电子返回到电路。速调管与行波管类似。代替行波管中存在的螺旋或耦合腔，速调管包括多个腔谐振器来对电子束调速以进行放大。然而，如果行波管或调速管的任何部分输出信号反射回输入，它会引起管内振荡从而减少放大。可以放置衰减器以最小化反射，但是衰减器导致增益降低，这会影响管的整体效率。此外，行波管需要外部电压源，速调管无法提供高RF增益。

因此，为了限制上述缺点，本发明设想一种用于振荡电荷和产生电磁波的装置和方法。本发明的装置有利于由于时变磁场以同步方式在波形路径中的电子运动，从而在两个金属板之间产生振荡电场，以便在连接到板的环路中产生电流来成功地从使用拾取循环或同轴电缆的环状空间提取振荡磁场。

参考附图，图1为根据本发明的实施例的产生电磁波的装置100的示意图。装置100包括真空外壳106，一对金属板，谐振器112，电子枪110，磁场发生器130和拾取循环124。所述真空外壳106限定一个在其内的空间114。在一个实施例中，所述真空外壳106在电子枪110和集电极116之间被耦合。在另一个实施例中，电子枪110选自热离子电子枪，静电电子枪和激光驱动电子枪中的一种或多种。在另一个实施例中，如图11所示，所述真空外壳106的侧壁是锥形的。一对金属板间隔设置在空间114内，其间构成通道。所述谐振器112耦合到该对金属板上。在一个实施例中，所述谐振器112的宽度小于所述真空外壳106的宽度。在另一个实施例中，所述谐振器112包括多个谐振器。所述电子枪110被配置为以受控方式将电子脉冲122发射到通道中。在一个实施例中，控制器(未显示在图中)用于控制所述电子枪110的操作。在另一个实施例中，在时变磁场的影响下，所述电子脉冲122沿着波形的路径行进。在另一个实施例中，在固定时间期间，所述电子脉冲122历经一个振荡周期。所述磁场发生器130被配置为在通道上产生时变磁场，从而电子振荡诱导金属板间振荡电场。所述振荡电场被配置为在所述谐振器112中感应时变电流，从而产生电磁波。所述拾取循环124耦合到所述谐振器112并且被配置为提取产生的电磁波。

所述装置还包括阴极118，阳极120，非常高压的电池126，电池开关128和磁场发生器130。所述阴极118和阳极120用作所述电子枪110以产生高速电子流。所述阴极118被产生电子的灯丝加热。当电池开关128处于接通状态时，通过非常高压的电池126，在阳极120处施加高正电位，由此，电子被吸引并通过阳极圆柱120a。由所述电子枪110发射的电子脉冲122穿过由真空外壳106的两个平行金属板(未显示在图中)形成的空间114。由磁场发生器130产生的磁场沿着真空外壳106的长度方向交替。在另一个实施例中，磁场发生器130的至少一个电磁铁包括缠绕铁芯的线圈。产生的磁场的强度与通过线圈的电流量成比例。在磁场中穿过的电子脉冲122被迫经历振荡，从而在金属板和空间114的拾取循环124中感应振荡电场。拾取循环124中的振荡场是放大场。在一个实施例中，放大场通过同轴电缆从拾取循环124中提取。当电子脉冲122穿过空间114并放弃它们的能量时，较低能量的电子被集电极116吸收。

图2为根据本发明的另一个实施例的电磁波产生装置100示意图。装置100包括“D”形半圆形部分104(下文称为“D”形外壳)，从“D”形外壳104的周长延伸的真空外壳106，存在于由真空外壳106和“D”形外壳104的周长形成的每个交叉点处的电子吸收材料108，至少一个磁场发生器(未显示在图中)，发射高速电子流的电子枪110和存在于真空外壳106的自由端的谐振器112。在一个工作的例子中，图2的装置100放置在真空区域102中。在一个实施例中，真空外壳106可以是波导管或波管。在另一个实施例中，真空外壳106包括两个平行的金属板。

参考附图，图9为根据本发明的一个实施例的整流逆变器限幅电路800的方框示意图以及图10为本发明的一个实施例的开关和磁场控制电路900的框图。磁场控制电路900被配置为产生控制信号，该控制信号被施加到磁场发生器130的至少一个电磁体。磁场发生器130被配置为产生时变磁场，该磁场定向在总是横向于包含装置100的平面的方向上。例如，在时间t＝t₀,磁场可以穿透平面内部(由‘x’表示)，在t＝t₁，磁场可能会从平面出来(由‘.’表示)。磁场控制电路900包括整流逆变器限幅电路800，自耦变压器902，信号处理电路904。在一个实施例中，整流逆变器限幅电路800的输入可以是三相交流电源802。整流逆变器限幅电路800包括至少下列部件，亦即，六脉冲控制整流器804，感应滤波器806，变频逆变器808，限流器810和罐电路812。罐电路812包括至少一个电容器，该电容器与至少一个感应器并联。三相交流电源802向六脉冲控制整流器804提供三相交流输入。六脉冲控制整流器804将交流输入信号转换为脉动信号直流信号。脉动直流信号被施加到感应滤波器806的输入端，该感应滤波器806被配置为去除脉动信号中存在的纹波以便产生直流信号。通过变频逆变器808将直流信号转换为交流信号。变频逆变器808的输出端耦合到模拟滤波器914的输入端，该模拟滤波器914是通过限流器810，罐电路812和自耦变压器902被配置为过滤交流信号。模拟滤波器914的输出端连接在模数转换器912的输入端。模数转换器912包括样品和保持电路(未显示在图中)和量化器(未显示在图中)。转换器912被配置为将过滤的交流信号转换为数字信号。数字信号施加在分频器910的输入端。分频器910的输出端施加在数字滤波器908的输入端。数字滤波器908的输出端是方波信号。在一个实施例中，方波信号施加在开关906上。在一个实施例中，开关906是NMOS晶体管，数字滤波器908的方波输出信号施加在NMOS晶体管的栅极端。在实施例中，输入电压可以施加开关906(NMOS晶体管)的源极端子处，以在NMOS晶体管的漏极端子处获得输出电压。在另一个实施例中，开关906是PMOS晶体管，方波输出信号施加在PMOS晶体管的栅极端。电子枪110被配置为产生高速电子束。在实施例中，电子枪110适用于沿逆时针方向或顺时针方向扫描“D”形外壳104。典型地，电子枪110包括阴极和至少一个阳极。阴极被灯丝加热，灯丝产生的电子被吸引并以高正电位通过阳极。由至少一个磁场发生器产生的磁场避免电子束的随机扩散。进一步，如果任何电子束随机分散，在不符合为了行进的所需方向上，然后，这种分散的电子束被电子吸收材料108吸收。在实施例中，电子束的所需行进方向是真空外壳106的两个金属板之间的行进路径。在一个实施例中，“D”形外壳104的外周保持负电荷。在另一个实施例中，在预定时间周期内连续电子行进路径之间的角位移基于每个电子沿行进路径发射的相应时间值随时间(Δt)线性变化。从电子枪110辐射的电子束进入“D”形外壳104的区域，其中在时变磁场的影响下电子束的电子被迫进行振荡，从而在真空外壳106的两个平行的金属板之间产生振荡电场。在两个平行的金属板之间产生的振荡电场在连接到板的谐振器112的环路中产生电流。进一步，产生的电场的相位保持不变。环路中产生的磁场然后使用拾取循环或同轴电缆被拾取。在实施例中，产生的电流是时变电流，它根据麦克斯韦方程产生时变磁场。

装置100引起电子的连续加速，需要时变磁场，最终导致它们在弯曲的路径中，主要是波中移动。这是通过在时变磁场(B)中传递电子束来实现的，该磁场对电子施加洛伦兹力。电场完成的净工作几乎为零，其影响被忽略。施加的力因此由以下等式给出：

因此，如图3所示，对于电子，沿着路径行进所需的时间＝波的时间段T₀的一半，它应该覆盖角位移的π弧度＝θ_t。

因此，通过使用等式(1)

于是，等式3提供了磁场之间的唯一关系。

参考图4和5，显示了装置100中的电子射弹。就如可以观察到的那样，电子的曲率半径变化，但是速度总是与射弹相切。沿x轴的速度分量是νsin(θ_t)，沿y轴的是νcos(θ_t)。水平分量给出波长，垂直分量给出幅度。

因为振幅＝∫ν_ydt

沿x轴的速度＝ν_x＝νsinθ_t

通过假设整个速度恒定来获得等式4和5。

在另一个实施例中，可以使用在装置中流动的电子的时间相关速度来修改上述等式。

因为电子束中的电子在“D”形外壳104中连续进入，在“D”形外壳中将存在电子的角位移。如图6和7所示，由于磁场的值在不同时间不同而发生这种现象。因此，可能需要多个管子来吸收电子的能量。这些管子中的每一个都被谐振空间包围，管子本身是电容器等效物。

电场的效果如图8所示。时变磁场产生由麦克斯韦方程给出的感应电场。

因为，通量∝B

因为，cos(ω₀t)是从0°到90°为正，从90°到180°为负。

因此，当电子的速度明显小于光速时，电场在半个时间段内完成的净工作为零，最终速度＝初始速度。但是，这可能导致波长和幅度的增加或改变，然而，振荡频率不受影响。

在一个实施例中，通过使用COMSOL多物理场仿真软件验证电子脉冲122的波形路径。在此模拟中，修改粒子配置以验证结果是否符合要求。这里，粒子指的是离子、电子、等离子体，它遵循波形路径，以这样的方式，即使其速度变化，其波动运动时间周期也始终保持不变。用于模拟，粒子属性更改如下：

离子质量(mp)＝6.6422×10^-26kg

磁通量(B)＝2[T]

粒子速度(v0)＝2000m/s

拉莫尔半径(rL)＝4.1457×10^-4m

然后将粒子速度的z分量设为零，使其保持在x-y平面内。然后借助上述等式(3)计算角频率ω₀，其中施加的振荡磁场＝B₀sin(ω₀t)，其中B₀是2T。通过等式(3)，角频率(ω₀)是3071203.006Hz，频率是488797.1396Hz。然后将这些值用于模拟。

该模拟的结果如图12所示，表明粒子轨迹的预期路径与模拟路径完全匹配。进一步，观察到颗粒最初和每半个时间段之后的方向与轴呈90度角，与在正弦波中不同，在正弦波中的方向与轴呈45度角。这是粒子的波动运动的最重要特征之一。因为速度不会随着时间的推移变化，不会有颗粒的阻尼作用。

在典型的电子真空管如行波管和速调管，然而，所有电子速度都集中在x方向，在本发明的装置100中，只有一小部分速度在x方向。因此，每单位体积存储更多能量，并且可以获得更长时间来提取电子的动能。

技术进步

以上描述的本发明具有若干技术优点，包括但不限于，实现用于产生电磁(EM)波的装置，

·提供有效的射频放大；

·促进低损耗电磁产生；

·能够几乎完全利用电子的动能；以及

·通过改变用于产生磁场的线圈的敲击和逆变器的频率，适用于不同的无线电频率

本发明在此提及的所附的实施例不限制本发明的范围。所提供的描述纯粹是作为示例和说明。在下面的描述中参考非限制性实施例解释了本文的实施例及其各种特征和有利细节。省略了对公知组件和处理技术的描述，以免不必要地模糊本文中的实施例。这里使用的示例仅旨在便于理解本文中的实施例可以实践的方式，并且进一步使本领域技术人员能够实践本文的实施例。因此，这些示例不应被解释为限制本文实施例的范围。

具体实施例的前述描述充分揭示了实施例的一般性质，在此其他人也可以，通过应用现有知识，在不脱离一般概念的情况下，容易地修改和/或使各种应用适应这些特定的实施例，以及，因此，在所公开的实施例的等同物的含义和范围内，应当并且旨在理解这些改编和修改。应理解，本文采用的措辞或术语是出于描述的目的而非限制。因此，虽然已经根据优选实施例描述了本文的实施例，但是本领域技术人员将认识到，本文的实施例可以在本文所述的实施例的精神和范围内通过修改来实施。

在整个说明书中，“包含”一词，或诸如“包含”的变体，将被理解为暗示包含所述元素、整数或步骤，或元素、整数或步骤的组合，但不排除任何其他元素、整数或步骤，或元素、整数或步骤的组合。

使用表达“至少”或“至少一个”表示使用一种或多种元素或成分或量，因为可以在本发明的实施例中使用以实现一个或多个期望的对象或结果。

对本说明书中包括的文件，法案，材料，装置，物品等的任何讨论仅仅是为了提供本发明的背景。不应将其视为承认任何或所有这些事项构成现有技术基础的一部分或者是与本发明相关领域的公知常识，因为它存在于本申请的优先权日之前的任何地方。

对于各种物理参数、尺寸或数量提及的数值仅是近似值，并且设想该高于/低于数值的值被分配给落入本发明的范围内的参数、尺寸或数量，除非在说明书中相反地具体有一个声明。

虽然相当多的重视被放在了优选实施例的部件和部件组件上，应当理解，可以制造许多实施例，并且在不脱离本发明的原理的情况下，可以在优选实施例中进行许多改变。根据本发明内容，优选实施例中的这些和其他变化以及本发明的其他实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的，因此，应该清楚地理解，前述描述性内容仅仅被解释为对本发明的说明而不是限制。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种产生电磁波的装置(100)，其中，所述装置(100)包括：

限定空间(114)的真空外壳(106)；

一对金属板，在所述空间(114)中间隔设置，其间构成通道；

谐振器(112)，被耦合到所述一对金属板；

电子枪(110)，被配置成以受控方式将电子脉冲(122)发射到所述通道中；

磁场发生器(130)，被配置成在所述通道上产生横切于包含所述装置的平面的时变磁场，从而发出电子振荡以在所述一对金属板间感应出振荡电场，所述振荡电场被配置为在所述谐振器(112)中感应出时变电流从而产生电磁波；

拾取循环(124)，被耦合到所述谐振器(112)并配置成提取所述产生的电磁波。

2.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述真空外壳(106)被耦合在所述电子枪(110)和集电极(116)之间。

3.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述电子枪(110)选自热离子电子枪、静电电子枪和激光驱动电子枪中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述电子脉冲(122)在所述时变磁场的影响下沿着波形的路径行进。

5.如权利要求4所述的装置(100)，其中，所述电子脉冲(122)在固定的时间段内经历一个振荡周期。

6.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述谐振器(112)的宽度小于所述真空外壳(106)的宽度。

7.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述真空外壳(106)的侧壁是锥形的。

8.如权利要求1所述的装置(100)，其包括耦合在所述电子枪(110)和至少一个真空外壳(106)之间的“D”形外壳(104)。

9.如权利要求8所述的装置(100)，其中，所述电子枪(110)配置成发射高速电子流。

10.如权利要求9所述的装置(100)，其中，连续电子行进路径之间的角位移随时间线性变化。

Claims (10)

1.一种用于产生电磁波的装置(100)，所述装置(100)包括：

限定空间(114)的真空外壳(106)；

一对金属板，在所述空间(114)中间隔设置，其间构成通道；

谐振器(112)，被耦合到所述一对金属板；

电子枪(110)，被配置成以受控方式将电子脉冲(122)发射到所述通道中；

磁场发生器(130)，被配置成在所述通道上产生时变磁场，从而发出电子振荡以在所述一对金属板之间感应出振荡电场，所述振荡电场被配置为在所述谐振器(112)中感应出时变电流从而产生电磁波；以及

拾取循环(124)，被耦合到所述谐振器(112)并配置成提取所述产生的电磁波。

2.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述真空外壳(106)被耦合在所述电子枪(110)和集电极(116)之间。

3.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述电子枪(110)选自热离子电子枪、静电电子枪和激光驱动电子枪中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述电子脉冲(122)在所述时变磁场的影响下沿着波形的路径行进。

5.如权利要求4所述的装置(100)，其中，所述电子脉冲(122)在固定的时间段内经历一个振荡周期。

6.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述谐振器(112)的宽度小于所述真空外壳(106)的宽度。

7.如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述真空外壳(106)的侧壁是锥形的。

8.如权利要求1所述的装置(100)，其中，包括耦合在所述电子枪(110)和至少一个真空外壳(106)之间的“D”形外壳(104)。

9.如权利要求8所述的装置(100)，其中，所述电子枪(110)配置成发射高速电子流。

10.如权利要求9所述的装置(100)，其中，连续电子行进路径之间的角位移随时间线性变化。