CN114664616B - 一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管 - Google Patents

一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，属于微波技术领域。该磁控管包括若干个结构相同、轴向级联的高频***；相邻高频***之间设置有环形柱状隔离结构；阳极外壳的外侧设置有全腔耦合结构外壳；全腔耦合结构外壳与阳极外壳之间的环形柱状腔体通过4个扇形插片分隔为4个尺寸相同的扇形波导腔；扇形波导腔的两端设置有线性过渡结构，线性过渡结构的另一端连接矩形波导；耦合缝隙将谐振腔中的能量耦合至4个扇形波导腔，最终从8个矩形波导输出。本发明相邻高频***谐振腔中的电磁场通过全腔耦合结构实现耦合，强化了级联锁相的效果；全腔提取和多端口轴向输出，提高了径向空间紧凑性，还提高了模式纯度和工作稳定性。

Description

一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管。
背景技术
从实用型高功率微波***角度出发，高功率微波***的发展主要集中在以下方面：(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；(5)锁相阵列输出与功率合成。相对论磁控管自诞生以来，由于其具有紧凑性和高效率的特点，一直备受关注。为了满足未来高功率微波源的发展应用需求，具有高输出功率、高转换效率、适合长脉冲和高重复频率运行、锁频锁相多端口输出等特点的相对论磁控管成为了人们重点研究目标。
按拓扑结构分类，目前已经提出的相对论磁控管锁相方法有3类，分别为等位锁相、注入锁相、级联锁相。1989年，美国Physics International公司James N.Benford等提出等位锁相的相对论磁控管，使用矩形波导连接2个平行放置的A6相对论磁控管的输出端口实现锁定，并使用其余的端口进行微波输出，在两个磁控管共同工作的情况下获得了约3GW的输出功率。1991年，美国Varian Associates股份有限公司Todd A.Treado等提出注入锁相的相对论磁控管，利用S波段3MW同轴磁控管对相对论磁控管的一个端口注入功率，实验测得相对论磁控管在锁相情况下可产生52MW的输出功率。1992年，美国GeneralDynamics集团Keith G.Kato等提出级联锁相的相对论磁控管，将4个八腔磁控管的阳极沿轴向等间距排布，各管中对应的阴极被连为一体，拟在16个输出端口获得总和高于1GW的输出功率。2015年，美国Raytheon公司Andrey D.Andreev提出利用轴向隔模带连接相邻磁控管的阳极块实现级联锁相定的孔槽型常规磁控管。
多个相对论磁控管级联排列时，将有数倍于单个磁控管工作电流的强电流流过靠近加速器一端的阴极杆，在注-波互作用区引起幅值与轴向外加磁场比拟的角向感应磁场，进而引发电子轴向漂移、工作模式跳变、频率推移效应和脉冲缩短效应，导致级联相对论磁控管锁频锁相失败。
目前提出的级联锁相方案的耦合方式较为单一，级联锁相相对论磁控管主要通过拉近相邻磁控管的间距实现高频电磁场交互，级联锁相常规功率磁控管利用轴向隔模带导通相邻磁控管中的阳极块实现电耦合，两种方案在实际应用中仍然存在较多限制。
拉近相邻阳极块的距离，会改变谐振***的结构特征，进而改变磁控管的各个本征模式的耦合阻抗，易导致磁控管预期工作模式的工作区变窄，损失了一定的电子调谐范围，对外加阳极电压和外加轴向磁场的调控精度提出了更高的要求，降低了磁控管实用性。同时，相邻磁控管提取通道的轴向间距过小会提高结构设计难度，降低了布局的灵活性。
轴向隔模带设计方案在级联常规功率磁控管中运行效果较好，但是在级联相对论磁控管中难以达到理想工作状态。流过级联相对论磁控管阴极的强电流，在阴极和阳极之间的注-波互作用区域引起较强的角向感生磁场，与阴极和阳极之间的径向电场共同推动电子做轴向漂移运动，导致级联的各个磁控管互作用区内电子密度分布失衡，进一步导致各管的输出功率差异过大。较强的角向电场存在易激励起轴向的高次谐波模式，与基模工作频点存在较大差异。仅用常规的隔模带结构难以实现相位锁定。
发明内容
为了克服上述技术存在的不足，本发明在一种轴向级联相对论磁控管的基础上，提供了一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管。相邻高频***谐振腔中的电磁场通过全腔耦合结构实现耦合，解决了轴向级联相对论磁控管中相邻两高频***耦合度不足的问题，强化了级联锁相的效果。全腔提取方案和多端口轴向输出，提高了径向空间紧凑性，可使用螺线管磁场，提高了模式纯度和工作稳定性。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，包括若干个结构相同、轴向级联的高频***；
所述轴向级联的高频***的输入端设置有一个中心开孔的前端面，前端面与相邻阳极叶片之间为圆柱形前端部空间；所述轴向级联的高频***的末端设置有后端封闭面，后端封闭面与相邻阳极叶片之间为圆柱形后端部空间；
所述高频***为同腔结构，包括阴极、阳极、耦合缝隙；
所述阴极，包括阴极电子发射结构、阴极连接杆、阴极端帽；所述阴极电子发射结构设置于阳极外壳内部腔体的中心位置，且与阳极外壳同轴；所述阴极端帽包括2个对称设置于阴极电子发射结构两端的圆柱形端帽；所述阴极连接杆穿过前端面的中心开孔进入高频***，所述阴极电子发射结构与阴极端帽之间、高频***的相邻阴极端帽之间通过阴极连接杆连接固定；
所述阳极，包括圆筒形的阳极外壳、设置于阳极外壳内沿圆周均匀分布的若干扇形阳极叶片，相邻两扇形阳极叶片之间的扇形腔为谐振腔；
所述耦合缝隙包括若干个等间距设置于阳极外壳上的矩形缝隙，一个谐振腔对应一个矩形缝隙，将谐振腔中的能量耦合输出；
其特征在于，相邻两高频***的阳极外壳轴向连接，且连接处的内壁设置有环形柱状隔离结构；所述环形柱状隔离结构的中心为圆柱形开孔，阴极连接杆穿过该圆柱形开孔连接两高频***的阴极端帽；
所述阳极外壳的外侧同轴设置有圆筒形的全腔耦合结构外壳；所述全腔耦合结构外壳与阳极外壳之间的环形柱状腔体通过4个扇形插片分隔为4个尺寸相同的扇形波导腔；所述扇形波导腔的两端对称设置有线性过渡结构，线性过渡结构的另一端连接矩形波导；
所述耦合缝隙将谐振腔中的能量径向耦合至4个扇形波导腔，最终从8个矩形波导输出。
进一步地，所述扇形波导腔的轴向中心位置设置有扇形隔离挡片，通过调节扇形隔离挡片改变相邻两个高频***之间的耦合程度。
进一步地，所述扇形隔离挡片对应的圆心角与扇形波导腔对应的圆心角相同。
进一步地，所述矩形波导的输出方向与轴向平行。
进一步地，所述阳极叶片的轴向长度为ha，相邻两高频***的阳极叶片的端面间距为0.5ha～3ha，其中ha为阳极轴向高度。
进一步地，所述环形柱状隔离结构的轴向长度为0.05ha～0.3ha，其中心的圆柱形腔体的半径为0.8Ra～Rv，其中Ra为阳极叶片内半径，Rv为阳极外壳内半径。
进一步地，所述扇形波导腔对应的圆心角为50deg～85deg；内外半径差为0.1～1倍工作波长。
进一步地，所述扇形隔离挡片包括与阳极外壳连接的小隔离挡片、与全腔耦合结构外壳连接的大隔离挡片。
本发明的级联相对论磁控管的工作原理是：高频电磁场通过全腔耦合结构从一个磁控管传入相邻磁控管中，实现两管内电磁谐振频率同步和高频电磁场相位锁定。
对于相对论磁控管的任一高频***，每2个相邻谐振腔可通过底部的2个耦合缝隙经1路扇形波导腔实现轴向能量提取，全腔提取技术可在保证输出功率不变的前提下使整管径向结构紧凑化。
扇形波导腔在轴向上具有足够的长度，作为两个高频***之间的耦合通道，使高频电磁场的相位在两个高频***之间同步。中央环形柱状隔离结构作为调谐结构，可调谐两个高频***之间的耦合程度，使级联相对论磁控管满足锁相条件。
4个扇形波导腔的两端均设置提取结构，经扇形-矩形线性过渡结构和矩形波导，实现8路微波输出。
对于8谐振腔的全腔级联相对论磁控管，当其工作在π模时，高频***内的高频电磁场经全腔耦合结构实现锁相运行，并通过8个矩形波导输出幅度和相位一致的高功率微波。
本发明有益效果是：(1)级联磁控管中的相邻阳极叶片可以具有较大间距，避免了工作模式跳变，提高了模式纯净度。(2)全腔结构在保证较强的管间耦合度的前提下，较大的阳极间距提供了足够大的阳极端部空间，改善了由于互作用区中***式发射产生的等离子体所带来的脉冲缩短、频率漂移、效率降低等问题。(3)足够大的阳极轴向间距解决了相邻管间输出结构距离过近的问题，提高了结构设计灵活性，有利于级联锁相相对论磁控管的实用化。(4)全腔耦合结构同时实现了级联相位锁定和轴向能量提取，提供了径向紧凑性，
附图说明
图1为实施例全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的整体结构示意图；
图2为实施例全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的纵向剖视图；
图3为实施例全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的磁控管的横向剖视图；
图4为实施例全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的详细示意图；
图5为实施例全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的尺寸标注图；
图6为全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的输出信号功率图；
图7为全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的输出信号频谱图。
附图标记说明：1、阴极结构，2、阳极结构，3、全腔耦合结构，4、轴向输出结构，5、扇形波导腔，11、阴极连接杆，12、阴极电子发射结构，13、阴极端帽，21、阳极叶片，22、阳极外壳，23、后端封闭面，24、前端面，31、全腔耦合结构外壳，32、扇形插片，33、大隔离挡片，34、小隔离挡片，41、矩形波导，42、线性过渡结构，51、环形柱状隔离结构。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的、优点以及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不限定本发明。
图1～图5为本实施例的全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管结构示意图，包括2个结构相同、轴向级联的高频***。
所述轴向级联的高频***的输入端设置有一个中心开孔半径为18mm的前端面，前端面与相邻阳极叶片之间为圆柱形前端部空间；所述轴向级联的高频***的末端设置有后端封闭面，后端封闭面与相邻阳极叶片之间为圆柱形后端部空间；前、后端部空间的轴向长度hES为21mm。
所述高频***为8腔同腔结构；包括阴极、阳极、耦合缝隙。
所述阴极，包括阴极连接杆、阴极电子发射结构、阴极端帽；所述阴极电子发射结构设置于阳极外壳内部腔体的中心位置，且与阳极外壳同轴；所述阴极端帽包括2个对称设置于阴极电子发射结构两端的圆柱形端帽；所述阴极电子发射结构与阴极端帽之间、高频***的相邻阴极端帽之间通过阴极连接杆连接固定。所述阴极端帽的外半径RCAP为9mm，轴向长度hCAP为5mm，同一高频***中的两个阴极端帽相向端面的间距hc为60mm；所述阴极电子发射结构的外半径Rc为9mm，轴向长度he为40mm；相邻高频***中的阴极端帽相向端面的间距hL为82.9mm；所述阴极连接杆的半径RACC为5mm。
所述阳极，包括圆筒形的阳极外壳、设置于阳极外壳内沿圆周均匀分布的8个扇形阳极叶片，相邻两扇形阳极叶片之间的扇形腔为谐振腔。
阳极外壳内半径Rv为40mm，外半径RSWS为42mm；阳极叶片的轴向长度ha为60mm，内半径Ra为18mm；阳极叶片张角
Figure BDA0003560451390000061
为20deg，谐振腔张角/>
Figure BDA0003560451390000062
为25deg。
所述耦合缝隙包括8个等间距设置于阳极外壳上的矩形缝隙，一个谐振腔对应一个矩形缝隙，将谐振腔中的能量耦合输出；所述矩形缝隙的轴向长度为60mm，张角
Figure BDA0003560451390000064
为8deg。
相邻两个高频***的阳极外壳轴向连接，且连接处的内壁设置有环形柱状隔离结构；所述环形柱状隔离结构的中心为圆柱形腔体，阴极连接杆穿过该圆柱形腔体连接两高频***的阴极端帽。环形柱状隔离结构的轴向长度为hd为40mm，内部圆柱形腔体的半径为40mm。
所述阳极外壳的外侧同轴设置有圆筒形的全腔耦合结构外壳；所述全腔耦合结构外壳与阳极外壳之间的环形柱状腔体通过4个扇形插片分隔为4个尺寸相同扇形波导腔；所述扇形波导腔的两端对称设置有线性过渡结构，线性过渡结构的另一端连接矩形波导；耦合缝隙将谐振腔中的能量径向耦合至4个扇形波导腔，最终从8个矩形波导输出。所述全腔结构外壳的轴向长度为318.9mm，内半径RT为72mm；扇形插片的轴向长度与全腔结构外壳相同，圆心角
Figure BDA0003560451390000065
为20deg；被扇形插片分割而成的4个扇形波导腔的圆心角/>
Figure BDA0003560451390000063
为70deg；所述矩形波导为沿轴向传输的矩形波导，矩形波导内部腔体截面的宽边长度a为72mm，窄边长度b为30mm，轴向长度hWG为50mm；所述线性过渡结构为由扇形线性渐变至矩形的结构，其轴向长度hMC为80mm。
所述扇形波导腔的轴向中心位置设置有与阳极外壳连接的小隔离挡片、与全腔耦合结构外壳连接的大隔离挡片，通过调节扇形隔离挡片改变相邻两个高频***之间的耦合程度。大、小隔离挡片的轴向长度hw为2mm；大隔离挡片的内半径RWo为67mm，小隔离挡片的外半径RWi为47mm。
按照上述实施例模拟实现了工作频率为3.26GHz的全腔耦合级联锁相相对论磁控管。从仿真图6-7上看出，在工作电压为450kV，轴向引导磁场为0.52T的条件下，相邻级联磁控管在7ns时刻实现相位锁定。
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 (8)

1.一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，包括若干个结构相同、轴向级联的高频***；
所述轴向级联的高频***的输入端设置有一个中心开孔的前端面，前端面与相邻阳极叶片之间为圆柱形前端部空间；所述轴向级联的高频***的末端设置有后端封闭面，后端封闭面与相邻阳极叶片之间为圆柱形后端部空间；
所述高频***为同腔结构，包括阴极、阳极、耦合缝隙；
所述阴极，包括阴极电子发射结构、阴极连接杆、阴极端帽；所述阴极电子发射结构设置于阳极外壳内部腔体的中心位置，且与阳极外壳同轴；所述阴极端帽包括2个对称设置于阴极电子发射结构两端的圆柱形端帽；所述阴极连接杆穿过前端面的中心开孔进入高频***，所述阴极电子发射结构与阴极端帽之间、高频***的相邻阴极端帽之间通过阴极连接杆连接固定；
所述阳极，包括圆筒形的阳极外壳、设置于阳极外壳内沿圆周均匀分布的若干扇形阳极叶片，相邻两扇形阳极叶片之间的扇形腔为谐振腔；
所述耦合缝隙包括若干个等间距设置于阳极外壳上的矩形缝隙，一个谐振腔对应一个矩形缝隙，将谐振腔中的能量耦合输出；
其特征在于，相邻两高频***的阳极外壳轴向连接，且连接处的内壁设置有环形柱状隔离结构；所述环形柱状隔离结构的中心为圆柱形开孔，阴极连接杆穿过该圆柱形开孔连接两高频***的阴极端帽；
所述阳极外壳的外侧同轴设置有圆筒形的全腔耦合结构外壳；所述全腔耦合结构外壳与阳极外壳之间的环形柱状腔体通过4个扇形插片分隔为4个尺寸相同的扇形波导腔；所述扇形波导腔的两端对称设置有线性过渡结构，线性过渡结构的另一端连接矩形波导；
所述耦合缝隙将谐振腔中的能量径向耦合至4个扇形波导腔，最终从8个矩形波导输出。
2.如权利要求1所述的一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述扇形波导腔的轴向中心位置设置有扇形隔离挡片，通过调节扇形隔离挡片改变相邻两个高频***之间的耦合程度。
3.如权利要求2所述的一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述扇形隔离挡片包括与阳极外壳连接的小隔离挡片、与全腔耦合结构外壳连接的大隔离挡片。
4.如权利要求2或3所述的一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述扇形隔离挡片对应的圆心角与扇形波导腔对应的圆心角相同。
5.如权利要求4所述的一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述矩形波导的输出方向与轴向平行。
6.如权利要求4所述的一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述阳极叶片的轴向长度为ha，相邻两高频***的阳极叶片的端面间距为0.5ha～3ha，其中ha为阳极轴向高度。
7.如权利要求6所述的一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述环形柱状隔离结构的轴向长度为0.05ha～0.3ha，其中心的圆柱形腔体的半径为0.8Ra～Rv，其中Ra为阳极叶片内半径，Rv为阳极外壳内半径。
8.如权利要求4所述的一种基于全腔耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述扇形波导腔对应的圆心角为50deg～85deg；内外半径差为0.1～1倍工作波长。
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