CN114927399B - 一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管，属于微波源技术领域。包括阴极、阳极、能量提取结构，能量提取结构包括沿轴向依次设置的扇形腔体段、模式变换段、矩形波导段；能量通过耦合缝隙进入扇形波导腔内，激励起扇形波导TE11模，扇形波导TE11模通过线性过渡腔转为矩形波导TE10模，最终通过矩形波导腔***式输出。本发明将模式变换结构集成到磁控管器件中，在保证模式转变的同时又不造成能量的大量损耗，提高了整套***的集成度，有效的降低了整体***的重量；同时，将能量通过4个矩形波导***输出，由于TE10模为矩形波导的基模，更有利于后续天线能量的辐射。

Description

一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管
技术领域
本发明属于微波源技术领域，具体涉及一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管。
背景技术
在1976年，麻省理工大学的Bekefi和Orzechowski教授首次提出并研究相对论磁控管器件，其工作结果为器件工作在S波段，输出功率为900MW,总工作效率为20％。
在1997年，美国科学院的Kovalev和苏联物理研究所的Fucks提出并研究具有衍射输出结构的相对论磁控管，但是该研究在当时没有深入研究，因为其工作效率在当时经过研究只有不到10％的效率。
在2000年，美国密歇根大学与新墨西哥大学在相对论磁控管阴极技术领域取得突破。随后，日本团队改进并验证了用此技术的衍射输出结构的相对论磁控管仿真模拟阶段能够获得37％的总工作效率。新墨西哥团队验证了具有透明阴极的轴向衍射输出相对论磁控管在仿真模拟阶段取得70％效率和实验阶段取得63％效率。
在2019年，由磁控管研究领域的权威美国新墨西哥大学的Edl Schamiloglu带领的团队完成并在Physical Review Letters期刊公开发表相关成果，公开报道了具有衍射输出结构的磁控管所达到的总工作效率达到92％，其技术创新点在于磁镜技术的应用。
总工作效率是相对论磁控管器件最为重要的性能指标参数，同时轴向衍射输出结构又具有结构紧凑，要求外加磁场体积小等优势，所以提高具有轴向衍射输出结构的相对论磁控管的总工作效率是目前该方向研究很重要的研究课题。结合美国新墨西哥团队提出利用磁镜技术提高效率的实现难度较大，难以将该技术方案在实验中成功实现，故需要研究设计可靠且更容易实现的方案，这对于相对论磁控管在实际应用领域的发展具有重要的意义及价值。
发明内容
本发明针对现有技术中相对论磁控管工作效率不够高的问题，提出了一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管，通过可靠且易实现的轴向能量提取结构，有效提高相对论磁控管的工作效率。
本发明的技术方案如下：
一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管，该相对论磁控管关于中轴线旋转对称；包括阴极、阳极、能量提取结构；
所述阳极包括第一阳极筒、第二阳极筒、N个扇形阳极叶片；所述第一阳极筒、第二阳极筒轴向连接；N个扇形阳极叶片沿圆周均匀设置于第二阳极筒内壁，N为8或16；
所述阴极包括同轴且依次连接的阴极阻抗匹配结构、阴极连接杆、上游阴极端帽、阴极电子发射段、下游阴极端帽；
所述能量提取结构包括角向等间距设置于第二阳极筒的N/2个耦合缝隙，所述耦合缝隙用于将能量径向耦合输出；
其特征在于，所述第一阳极筒的半径大于第二阳极筒的半径；所述第二阳极筒的另一端为封闭面；
所述阴极电子发射结构设置于第一阳极筒内部，所述上游阴极端帽、下游阴极端帽设置于第二阳极筒内部；
所述能量提取结构还包括沿轴向依次设置的扇形腔体段、模式变换段、矩形波导段；所述扇形腔体段包括设置于第二阳极筒外侧沿圆周均匀分布的N/2个扇形波导腔，所述模式变换段包括沿圆周均匀设置的N/2个线性过渡腔，所述矩形波导段包括沿圆周均匀设置的N/2个矩形波导腔；能量通过耦合缝隙进入扇形波导腔内，激励起扇形波导TE11模，扇形波导TE11模通过线性过渡腔转为矩形波导TE10模，最终通过矩形波导腔***式输出；本发明将模式变换结构集成到磁控管器件中，提高了整套***的集成度，有效的降低了整体***的重量，这在实际应用中是必须考虑的因素；同时，将能量通过4个矩形波导***输出，由于TE10模为矩形波导的基模，更有利于后续天线能量的辐射。
进一步地，所述扇形阳极叶片的两端分别连接一环形挡片，所述环形挡片的外侧与第二阳极筒内壁连接，内半径与扇形阳极叶片的内半径相同；环形挡片能有效的减少电子离散，从而能够在一定程度上提高器件效率。
进一步地，所述封闭面的中部挖空有一个圆柱形腔体，该圆柱形腔体与第二阳极筒连通且半径小于第二阳极筒的半径；该设计是为了提高器件的功率容量，降低真空击穿现象的发生概率，提高器件工作稳定性。
本发明将模式变换结构集成到磁控管器件中，扇形波导腔与矩形波导腔之间通过线性过渡腔连接，在保证模式转变的同时又不造成能量的大量损耗，且不需要复杂的模式转换结构。同时，采用4个矩形波导将能量***输出，能够提高整体器件能量的传输效率，物理量有载品质因数的减小，外观品质因数变小，同时保证了工作的稳定性不被破坏，对比于同轴输出结构可知，输出结构的传输性得到提高。
因此，本发明具有以下优势：1、优化了高频结构的特性阻抗，提高了电子互作用效率。2、确保相对论磁控管能够在高性能状态下稳定的工作。3、***输出结构简单易加工，可实施性极高。
附图说明
图1为本发明实施例相对论磁控管的3D结构示意图。
图2为本发明实施例相对论磁控管的截面图；其中图(a)为沿轴向的截面图，图(b)为图(a)中A处的截面图，图(c)为图(a)中B处的截面图，图(d)为图(a)中C处的截面图，图(e)为图(a)中D处的截面图。
图3为本发明实施例各矩形波导的输出信号图。
图4为本发明实施例阳极收集电流仿真结果图。
附图标号说明:1.1、阴极阻抗匹配结构，1.2、阴极连接杆1.3、上游阴极端帽，1.4、阴极电子发射段，1.5、下游阴极端帽，2.1、第一阳极筒，2.2、第二阳极筒，2.3、扇形阳极叶片，2.4、环形挡片，2.5、圆柱形腔体，3.1、扇形波导腔，3.2、耦合缝隙，3.3、线性过渡腔，3.4、矩形波导腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细说明。
本实施例提供了一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管，工作电压为235kV，轴向外加磁场为0.25T。
该相对论磁控管结构如图1、图2所示，整体结构关于中轴线90度旋转对称；包括阴极、阳极、能量提取结构；
所述阳极包括第一阳极筒、第二阳极筒、8个扇形阳极叶片、两个环形挡片；所述第一阳极筒、第二阳极筒轴向连接，所述第二阳极筒的另一端为封闭面，封闭面的中部挖空有一个圆柱形腔体；8个扇形阳极叶片沿圆周均匀设置于第二阳极筒内壁，叶缝比为2:1；扇形阳极叶片的两端分别连接一环形挡片，使阳极叶片之间的间隙两侧封闭；其中，第一阳极筒、第二阳极筒的内半径分别为182mm，长度分别为93.5mm；扇形阳极叶片和环形挡片的内半径ra为42.5mm，轴向长度为101.6mm，环形挡片的厚度为1mm；右侧环形挡片与封闭面的间距为169mm；圆柱形腔体的半径为80mm，轴向长度为100mm。
所述阴极包括同轴且依次连接的阴极阻抗匹配结构、阴极连接杆、上游阴极端帽、阴极电子发射段、下游阴极端帽；其中阴极阻抗匹配结构的半径为23.95mm、轴向长度为101.6mm，其与阴极连接杆连接的一端倒圆角处理；阴极连接杆、阴极电子发射段的轴向长度分别为300mm、138.7mm，半径均为23.95mm；上游阴极端帽和下游阴极端帽的半径为40mm、厚度为19mm。
所述能量提取结构包括角向等间距设置于第二阳极筒的4个耦合缝隙，所述耦合缝隙的长、宽分别为50mm，17mm，用于将能量径向耦合输出；还包括沿轴向依次设置的扇形腔体段、模式变换段、矩形波导段；所述扇形腔体段包括设置于第二阳极筒外侧沿圆周均匀分布的4个扇形波导腔，所述模式变换段包括沿圆周均匀设置的4个线性过渡腔，所述矩形波导段包括沿圆周均匀设置的4个矩形波导腔；其中，扇形波导腔的内外半径分别为100mm、182mm，圆心角为65°，轴向长度为101.6mm；线性过渡腔的轴向长度为70mm；矩形波导腔的长宽分别为195.6mm，97.8mm。能量通过耦合缝隙进入扇形波导腔内，激励起扇形波导TE11模，扇形波导TE11模通过线性过渡腔转为矩形波导TE10模，最终通过矩形波导腔输出。
如图3所示，本实施例中的每个矩形波导的输出功率均大于50MW，总输出功率大于200MW。如图4所示，阳极收集电流880A，相较于美国空军实验室的相对论磁控管，仅在输出结构设计改变的情况下，62％提高为96.7％，故本发明的***式轴向能量提取结构的相对论磁控管能够极大地提升器件效率。

Claims (3)

1.一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管，该相对论磁控管关于中轴线旋转对称；包括阴极、阳极、能量提取结构；
所述阳极包括第一阳极筒、第二阳极筒、N个扇形阳极叶片，N的取值为8或16；所述第一阳极筒、第二阳极筒轴向连接；N个扇形阳极叶片沿圆周均匀设置于第二阳极筒内壁；
所述阴极包括同轴且依次连接的阴极阻抗匹配结构、阴极连接杆、上游阴极端帽、阴极电子发射段、下游阴极端帽；
所述能量提取结构包括角向等间距设置于第二阳极筒的N/2个耦合缝隙，所述耦合缝隙用于将能量径向耦合输出；
其特征在于，所述第一阳极筒的半径大于第二阳极筒的半径；所述第二阳极筒的另一端为封闭面；
所述阴极电子发射结构设置于第一阳极筒内部，所述上游阴极端帽、下游阴极端帽设置于第二阳极筒内部；
所述能量提取结构还包括沿轴向依次设置的扇形腔体段、模式变换段、矩形波导段；所述扇形腔体段包括设置于第二阳极筒外侧沿圆周均匀分布的N/2个扇形波导腔，所述模式变换段包括沿圆周均匀设置的N/2个线性过渡腔，所述矩形波导段包括沿圆周均匀设置的N/2个矩形波导腔；能量通过耦合缝隙进入扇形波导腔内，激励起扇形波导TE11模，扇形波导TE11模通过线性过渡腔转为矩形波导TE10模，最终通过矩形波导腔***式输出。
2.如权利要求1所述的一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管，其特征在于，所述扇形阳极叶片的两端分别连接一环形挡片，所述环形挡片的外侧与第二阳极筒内壁连接，内半径与扇形阳极叶片的内半径相同。
3.如权利要求2所述的一种具有***式轴向能量提取结构的相对论磁控管，其特征在于，所述封闭面的中部挖空有一个圆柱形腔体，该圆柱形腔体与第二阳极筒连通且半径小于第二阳极筒的半径。
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