緊湊型軸向輸出te11模式的相對論磁控管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于高功率微波技術中的微波源【技術領域】，具體涉及一種能使軸向輸出的微波模式更加純凈，整個系統(tǒng)更加緊湊的具有圓TE11輸出模式的相對論磁控管。針對目前軸向輸出相對論磁控管需要更加純凈的單一輸出模式的問題，和現(xiàn)有軸向輸出相對論磁控管難以滿足緊湊化、小型化等方面的需求的問題，提出了一種新型相對論磁控管，該磁控管由同軸輸入結構、諧振腔結構、軸向輸出過渡段、圓形輸出波導和外加磁場系統(tǒng)組成，通過對磁控管陽極結構的改進，軸向輸出過渡段的設計，矩形輸出波導的設計以及外加磁場系統(tǒng)的設計，不僅可以直接軸向輸出更加純凈的圓TE11模式微波，而且可以使得整個系統(tǒng)更加緊湊化、小型化。
【專利說明】 緊湊型軸向輸出TE11模式的相對論磁控管

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高功率微波技術中的微波源【技術領域】，具體涉及一種能使軸向輸出的微波模式更加純凈，整個系統(tǒng)更加緊湊的具有圓TE11輸出模式的相對論磁控管。

【背景技術】
[0002]美國高功率微波領域的權威人士James Benford從研制實用型的高功率微波系統(tǒng)角度出發(fā)，指出了未來高功率微波源的四個發(fā)展方向:(1)全面減小系統(tǒng)尺寸和重量，提高功耗比；(2)高重復頻率工作；(3)頻率可調諧；(4)長壽命。為了滿足未來高功率微波源的發(fā)展應用需求，研制出實用型的高功率微波源，具有結構簡單，效率高，頻率可調，適合長脈沖和高重復頻率運行等特點的相對論磁控管成了人們廣泛和深入研究的對象之一。相比徑向輸出相對論磁控管而言，結構更加緊湊的軸向輸出相對論磁控管在全面減小系統(tǒng)尺寸和重量方面具有更大的優(yōu)勢，因而成為近期研究的一大熱點。
[0003]1軸向輸出相對論磁控管的發(fā)展狀況
[0004]2006年，美國新墨西哥大學Μ.1.Fuks教授等人通過調整A6磁控管的軸向輸出端口過渡到圓錐輸出喇叭的張角槽結構的數目2個、3個和6個，模擬實現(xiàn)了磁控管不同輻射模式TE11、TE01和TE31的軸向輸出。在700kV和0.6T的工作條件下，該磁控管工作在π模式，工作電流在10kA左右，工作頻率為2.18GHz，輸出功率在600MW左右【Μ.1.Fuks, N.F.Kovalev, A.D.Andreev,and E.Schamiloglu.Mode convers1n in a magnetron withaxial extract1n of radiat1n [J].1EEE Trans.Plasma Sc1., vol.34, n0.3, p.620, Jun.2006.]0
[0005]2007年，日本長岡技術大學M.Daimon等人在E.Schamiloglu等人的研究基礎上提出一種改進型結構的軸向輸出相對論磁控管【M.Daimon, W.Jiang.Modified configurat1nof relativistic magnetron with diffract1n output for efficiency improvement[J].Appl.Phys.Lett, 2007, 91 (19): 191503.】?該磁控管通過在軸向輸出的過渡結構中增加一個角度變量Φ。，使得磁控管功率轉換效率得到大幅提升，模擬得到工作頻率為2.5GHz，輸出功率為1.05GW，功率轉換效率為37%，輻射模式為TE31的結果。2008年，他們從實驗上也驗證了改進型結構有利于輸出功率的提高【M.Daimon, K.1toh，W.Jiang.Experimentaldemonstrat1n of relativistic magnetron with modified output configurat1n [J].Appl.Phys.Lett.，2008，92 (19): 191504.】?
[0006]2009年，中國國防科技大學李偉博士等人針對軸向輸出相對論磁控管輻射TE11模式效果差、效率低的情況，提出一種在軸向輸出結構的對稱張角槽中插入具有一定尺寸結構的過渡段的高效型結構，既較好地實現(xiàn)了 TE11模式的微波輻射，又提高了功率效率，粒子模擬中工作頻率為2.36GHz，輸出功率為4.2GW，效率最高達到43%【W.Li and Y._G.Liu.An efficient mode convers1n configurat1n in relativistic magnetron with axialdiffract1n output [J].J.Appl.Phys.，vol.106，n0.5，pp.053303 - 055305，Sep.2009.】。2013年，他們從實驗上也驗證了高效型結構有利于輸出特性的改善【Wei Li，Yong-guiLiu,Jun Zhang, D1-fu Shi,and Wei—qi Zhang.Experimental investigat1ns on therelat1ns between configurat1ns and radiat1n patterns of a relativisticmagnetron with diffract1n output [J].J.Appl.Phys.，vol.113，n0.2，pp.023304-1 -023304-4，Jan.2013.】。
[0007]目前已報道的軸向輸出相對論磁控管雖然在輸出模式特性和功率轉換效率方面有較大的改善，但是整個系統(tǒng)結構在緊湊化和小型化方面仍有不足。
[0008]2緊湊型相對論磁控管的發(fā)展狀況
[0009]2011年，中國國防科技大學李偉博士等人針對軸向輸出相對論磁控管互作用區(qū)中的電子束長距離軸向漂移的問題，提出了一種改進型外加磁場結構【W.Li and Y.G.Liu.Modified magnetic field distribut1n in relativistic magnetron with diffract1noutput for compact operat1n[J].Phys.Plasmas, vol.18,n0.2,pp.023103-1 -023103-4, Feb.2011.】。該磁場結構通過在輸出圓波導前端加載一組軸向磁場與磁控管互作用區(qū)軸向磁場反向的螺線管，使得軸向漂移電子束更快地打在軸向輸出結構上，不僅提高了功率轉換效率，而且減小了軸向輸出結構的軸向尺寸。2012年，他們在實驗上驗證了該外加磁場結構在提高效率，減小結構尺寸方面的作用【Wei Li, Yong-guiLiu, Ting Shu, Han-wu Yang, Yu-wei Fan, Cheng-wei Yuan, and Jun Zhang.Experimentaldemonstrat1n of a compact high efficient relativistic magnetron with directlyaxial radiat1n[J].Phys.Plasmas, vol.19, n0.1, pp.013105-1 - 013105-4，Jan.2012.】。
[0010]2012年，美國新墨西哥大學C.Leach博士等人通過在磁控管的軸向輸出端口直接連接一個與磁控管半徑尺寸相同的輸出圓波導，研究了磁控管中不同數目的輸出腔對輸出特性的影響。粒子模擬表明該新型軸向輸出結構使得整個系統(tǒng)結構在軸向上和徑向上更加緊湊化和小型化，從而使得軸向電子束漂移距離更短，外加磁場系統(tǒng)更緊湊，輸出模式TE11更純凈。結構未經優(yōu)化的該磁控管工作頻率為2.44GHz，輸出功率為520麗，功率轉換效率在 14%左右【(1 Leach, S.Prasad, M.Fuks, and E.Schamiloglu.Compactrelativistic magnetron with Gaussian radiat1n pattern[J].1EEE Trans.PlasmaSc1., vol.40, n0.11, pp.3116 - 3120, Nov.2012.】。
[0011]2012年，美國新墨西哥州空軍研究實驗室Brad W.Hoff等人提出了一種全腔提取結構的相對論磁控管，提取結構采用徑向耦合孔與扇形波導耦合輸出，結構更加緊湊【Brad ff.Hoff,Andrew D.Greenwood, Peter J.Mardahl, and Michael D.Haworth.All Cavity-Magnetron Axial Extract1n Technique[J].1EEE Trans.PlasmaSc1.，vol.40，n0.11，pp.3046 - 3051，Nov.2012.】。2014 年，中國北京應用物理與計算數學研究所楊郁林等人在此基礎上結合了透明陰極技術，研究了一種全腔提取結構透明陰極相對論磁控管。利用粒子模擬在1.375GHz,獲得了 TEM模式2.98GW的功率輸出，效率達到54%【楊郁林，董志偉，王冬.相對論全腔提取磁場管理論分析與數值模擬[J].微波學報，2014，第 30 卷(增刊):402-404】。
[0012]目前，國際上對軸向輸出相對論磁控管的研究工作雖然在實現(xiàn)不同輸出模式，提高功率轉換效率，減小系統(tǒng)尺寸和重量，以及提高輸出模式純度等方面取得了較大進展，但是關于同時能使輸出模式更純凈，整個系統(tǒng)更緊湊，且功率轉換效率較高的軸向輸出相對論磁控管的報道較為少見，因此，對于同時具有以上特點的相對論磁控管的研究具有重要的價值。


【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明要解決的技術問題是針對目前軸向輸出相對論磁控管需要更加純凈的單一輸出模式的問題，和現(xiàn)有軸向輸出相對論磁控管難以滿足緊湊化、小型化等方面的需求的問題，提出了一種新型相對論磁控管，該磁控管通過對磁控管陽極結構的改進、軸向輸出過渡段的設計、圓形輸出波導的設計以及外加磁場系統(tǒng)的設計，不僅可以直接軸向輸出較為純凈的圓TE11模式微波，而且可以使得整個系統(tǒng)更加緊湊化、小型化。
[0014]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0015]緊湊型軸向輸出TE11模式的相對論磁控管，由同軸輸入結構、諧振腔結構、軸向輸出過渡段、圓形輸出波導和外加磁場系統(tǒng)組成。為了描述方便，定義圖1中Z軸方向為軸向，R軸方向為徑向。同軸輸入結構軸向外接諧振腔結構，諧振腔結構軸向外接軸向輸出過渡段，軸向輸出過渡段軸向外接圓形輸出波導，外加磁場系統(tǒng)安裝在同軸輸入結構、諧振腔結構和軸向輸出過渡段的外圍圓柱空間區(qū)域，且它們的軸向中心線均重合。
[0016]所述同軸輸入結構，由同軸外筒和陰極連接桿組成。陰極連接桿與同軸外筒的軸向中心線重合。同軸外筒內徑為L，外徑為R。，陰極連接桿半徑為Ri;上述參數之間滿足下述關系:0〈民〈1^〈1?。。
[0017]所述諧振腔結構，由具有2 (2N+1)個腔的典型磁控管諧振腔結構(其中N= 1，2，3，4，5均可)和磁控管中陽極塊的改進結構組成。所述具有2(2N+1)個腔的典型磁控管諧振腔結構由磁控管外筒、陽極和陰極組成。所述磁控管外筒軸向外接在同軸輸入結構的末端，其內徑為Rv，外徑與同軸外筒的外徑R。相等，軸向長度為H。。所述陽極由2(2N+1)個沿磁控管外筒內壁圓周角向周期分布的陽極塊構成，其半徑為Ra，軸向長度為Ha，且陽極末端面與磁控管外筒末端面平齊。各陽極塊之間的腔構成諧振腔，每個諧振腔的角向寬度均為Θ。所述陰極軸向固定在所述同軸輸入結構中陰極連接桿的末端，位于磁控管外筒的軸向中心線上，其半徑為R。，軸向長度為H。。所述磁控管中陽極塊的改進結構為每個陽極塊的光滑內表面所具有的凹槽或突起結構。其中，所述凹槽或突起結構沿磁控管圓周角向交替分布在每個陽極塊內表面上，凹槽或突起的角向中心線均與所在陽極塊的角向中心線重合，每個凹槽的徑向深度均為Λ Rp角向寬度均為0〃每個突起的徑向深度均為ARp，角向寬度均為θρ，凹槽或突起的軸向長度均與陽極塊的軸向長度Ha相等，上述參數之間滿足下述關系:0〈Rc〈Ra〈Rv〈RQ，0〈ARr〈Rv-Ra，0〈ARp〈Ra-Rc，0〈 Θ r〈180。/(2N+1)- θ，0〈θρ〈180。/(2Ν+1)- θ，0〈Ha〈H。，H0-Ha〈Hc。
[0018]所述軸向輸出過渡段，由軸向輸出過渡段前段和軸向輸出過渡段后段組成，其中軸向輸出過渡段前段的軸向長度為Ηε1，軸向輸出過渡段后段的軸向長度為。劃分軸向輸出過渡段前段與軸向輸出過渡段后段的橫截面為軸向輸出過渡段分界橫截面。為了描述方便，下面將通過對軸向輸出過渡段的真空部分的描述來描述軸向輸出過渡段外筒以內的結構。
[0019]所述軸向輸出過渡段前段，由軸向輸出過渡段前段外筒和軸向輸出過渡段前段外筒以內的結構組成。所述軸向輸出過渡段前段外筒，由磁控管外筒的末端口圓環(huán)面(圓環(huán)面的內徑為Rv，外徑為R。)，與軸向輸出過渡段分界橫截面上的圓環(huán)面(圓環(huán)面的內徑為Rvl，外徑為RJ之間形成的線性漸變過渡段構成。所述軸向輸出過渡段前段外筒以內的結構，其真空部分由互作用區(qū)軸向過渡段前段、單獨輸出腔軸向過渡段前段和合成輸出腔軸向過渡段前段組成。所述互作用區(qū)軸向過渡段前段，由磁控管的互作用區(qū)的端口橫截圓面(圓面半徑為Ra)與軸向輸出過渡段分界橫截面上的圓面(圓面半徑為Ral)之間形成的線性漸變過渡段構成。選取磁控管中一組角向相對的兩個諧振腔，將其命名為單獨輸出腔，并將其他諧振腔命名為合成輸出腔。所述單獨輸出腔軸向過渡段前段，由單獨輸出腔的端口橫截面與軸向輸出過渡段分界橫截面上的單獨類矩形面(類矩形面的短邊長度為W。-，與軸向中心線相距R。-，長邊長度為Rvl-RmJ之間形成的線性漸變過渡段構成。所述合成輸出腔軸向過渡段前段，由合成輸出腔軸向過渡段前段基本部分減去陽極塊軸向過渡段構成。所述合成輸出腔軸向過渡段前段基本部分，由兩個相鄰的合成輸出腔的端口橫截面加上所述兩個相鄰的合成輸出腔之間的陽極塊端口橫截面，與軸向輸出過渡段分界橫截面上的合成類矩形面(類矩形面的短邊長度為WtTOl，與軸向中心線相距RtW()1，長邊長度為Rvl-Rtwd)之間形成的線性漸變過渡段構成。所述陽極塊軸向過渡段，由陽極塊軸向過渡段外部、陽極塊軸向過渡段內部前段和陽極塊軸向過渡段內部后段組成。以半徑R-的圓弧為分界將兩個相鄰的合成輸出腔之間的陽極塊端口橫截面分割成兩部分，半徑大于R-的部分命名為陽極塊端口橫截面外部，半徑小于Rrat的部分命名為陽極塊端口橫截面內部。所述陽極塊軸向過渡段外部，由陽極塊端口橫截面外部沿軸向方向線性漸變過渡到軸向距離為Hb_d的類矩形橫截面(類矩形橫截面的短邊長度為Wb(OTd，與軸向中心線相距Rb_d，長邊長度為構成。所述陽極塊軸向過渡段內部前段，由陽極塊端口橫截面內部沿軸向方向線性漸變過渡到軸向距離為HbMri的類梯形橫截面(類梯形橫截面上底即為類矩形橫截面短邊，邊長為Wb_d，下底為半徑為Rstidd，角向寬度為Θ stickl的圓弧)構成。所述陽極塊軸向過渡段內部后段，由所述類梯形橫截面再沿軸向方向線性漸變過渡到軸向距離為Hstidi的類半圓橫截面(類半圓橫截面的底邊為半徑為Rstidi2，角向寬度為θ stick2的圓弧，類半圓橫截面的半徑為Rstic;k2*Sin( Θ stick2/2))構成，上述參數之間滿足下述關系:0〈Ra〈Rcut〈Rv〈Ro,0 ( Ronel ( Ral，0 ( Rtwol ( Ral,0〈Ral〈Rvl〈Rol,0〈Rstickl ( Rboard〈Rv+(RV「RV) *Hboard/Hcl，0〈Rstick2〈Rstick2+Rstick2*sin ( Θ stick2/2)〈Rvl，0〈 Θ stiCki ^ 180 / (2N+1) - Θ，0〈 Θ stick2 ( 180。/(2Ν+1)-Θ ,0<ffonel<2*Rvl,0<fftwol<2*Rvl,0<Hboard+Hstick<Hclo
[0020]所述軸向輸出過渡段后段，由軸向輸出過渡段后段外筒和軸向輸出過渡段后段外筒以內的結構組成。所述軸向輸出過渡段后段外筒，由所述軸向輸出過渡段分界橫截面上的圓環(huán)面與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上的圓環(huán)面(圓環(huán)面的內徑為Rv2，外徑為ro2)之間形成的線性漸變過渡段構成。所述軸向輸出過渡段后段外筒以內的結構，其真空部分由互作用區(qū)軸向過渡段后段、單獨輸出腔軸向過渡段后段和合成輸出腔軸向過渡段后段組成。所述互作用區(qū)軸向過渡段后段，由所述軸向輸出過渡段分界橫截面上的圓面與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上的圓面(圓面半徑為rv2)之間形成的線性漸變過渡段構成。所述單獨輸出腔軸向過渡段后段，由所述軸向輸出過渡段分界橫截面上的單獨類矩形面與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上的單獨類矩形面(類矩形面的短邊長度為W_2，與軸向中心線相距r_2，長邊長度為rv2-r_2)之間形成的線性漸變過渡段構成。所述合成輸出腔軸向過渡段后段，由所述軸向輸出過渡段分界橫截面上的合成類矩形面與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上的合成類矩形面(類矩形面的短邊長度為wtTO2，與軸向中心線相距RtlTO2，長邊長度為Rv2-RtlTO2)之間形成的線性漸變過渡段構成，上述參數之間滿足下述關系:0 ( Rone2 ( RV2，0 ( Rtwo2 ( Rv2,0〈Rv2〈Ro2,0〈Wone2〈2*Rv2,0〈Wtwo2〈2*Rv2,0〈Hc2。
[0021]所述圓形輸出波導，是一個內徑為Rv2，外徑為1?。2的圓波導。所述圓形輸出波導軸向外接在軸向輸出過渡段后段的末端口橫截面上，上述參數之間滿足下述關系:0〈12〈1?。2。
[0022]所述外加磁場系統(tǒng)，由兩組螺線管組成，包圍在同軸輸入結構，諧振腔結構和軸向輸出過渡段的外圍圓柱空間區(qū)域。所述兩組螺線管，分別位于磁控管陽極結構的軸向中心橫截面的兩側，兩組螺線管同步觸發(fā)，且在磁控管互作用區(qū)內產生的軸向磁場大小和方向一致。
[0023]采用本發(fā)明可以達到以下技術效果:
[0024](1)設計陽極塊的改進結構使得磁控管輸出的微波起振時間更短，抑制模式競爭的能力更強，功率轉換效率更高。
[0025](2)設計軸向輸出過渡段不僅使得工作在π模式上的磁控管直接軸向輸出較為純凈的圓TE11模式微波，而且使得軸向輸出過渡段在徑向和軸向上更加緊湊化和小型化，減小了外加磁場系統(tǒng)的體積和重量，還使得互作用區(qū)中軸向漂移的電子迅速打在軸向輸出過渡段上，減少了漂移電子對輸出微波能量的吸收幾率，提高了功率轉換效率。
[0026](3)設計外加磁場系統(tǒng)使得互作用區(qū)中軸向磁場的分布更加均勻，電子束與微波的相互作用更加充分，且整個磁控管系統(tǒng)更加緊湊化和小型化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明緊湊型軸向輸出TE11模式的相對論磁控管的整體縱截面圖；
[0028]圖2為同軸輸入結構的橫截面圖；
[0029]圖3為磁控管諧振腔結構的組成圖:(a)磁控管諧振腔結構的立體圖，(b)磁控管諧振腔結構的橫截面圖，(c)磁控管諧振腔結構的縱截面圖；
[0030]圖4為軸向輸出過渡段前段和前段的縱截面圖；
[0031]圖5為軸向輸出過渡段前段的組成圖:(a)軸向輸出過渡段前段的立體圖，(b)軸向輸出過渡段前段的真空部分的立體圖，(c)軸向輸出過渡段前段的縱截面圖及其兩端口的橫截面圖；
[0032]圖6為軸向輸出過渡段后段的組成圖:(a)軸向輸出過渡段后段的立體圖，(b)軸向輸出過渡段后段的真空部分的立體圖，(c)軸向輸出過渡段后段的縱截面圖及其兩端口的橫截面圖；
[0033]圖7為圓形輸出波導的橫截面圖；
[0034]圖8為外加磁場系統(tǒng)的組成圖:(a)外加磁場系統(tǒng)的立體圖，(b)外加磁場系統(tǒng)的縱截面圖。

【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作出進一步說明。
[0036]緊湊型軸向輸出TE11模式的相對論磁控管如圖1所示，由同軸輸入結構1、諧振腔結構2、軸向輸出過渡段3、圓形輸出波導4和外加磁場系統(tǒng)5組成。為了描述方便，定義圖1中Z軸方向為軸向，R軸方向為徑向。同軸輸入結構1軸向外接諧振腔結構2，諧振腔結構2軸向外接軸向輸出過渡段3，軸向輸出過渡段3軸向外接圓形輸出波導4，外加磁場系統(tǒng)5安裝在同軸輸入結構1、諧振腔結構2和軸向輸出過渡段3的外圍圓柱空間區(qū)域，且它們的軸向中心線均重合。
[0037]所述同軸輸入結構1如圖2所示，由同軸外筒101和陰極連接桿102組成。陰極連接桿102與同軸外筒101的軸向中心線重合。同軸外筒101內徑為L，外徑為R。，陰極連接桿102半徑為Ri;上述參數之間滿足下述關系:0〈民〈1^〈1?。。
[0038]所述諧振腔結構2如圖3所示，由具有2(2N+1)個腔的典型磁控管諧振腔結構(其中N = 1，2，3，4，5均可)和磁控管中陽極塊的改進結構組成。所述具有2(2N+1)個腔的典型磁控管諧振腔結構由磁控管外筒201、陽極202和陰極203組成。所述磁控管外筒201軸向外接在同軸輸入結構1的末端，其內徑為Rv，外徑與同軸外筒101的外徑R。相等，軸向長度為H。。所述陽極202由2 (2N+1)個沿磁控管外筒內壁圓周角向周期分布的陽極塊構成，其半徑為Ra，軸向長度為Ha，且陽極202末端面與磁控管外筒201末端面平齊。各陽極塊之間的腔構成諧振腔204，每個諧振腔的角向寬度均為Θ。所述陰極203軸向固定在所述同軸輸入結構中陰極連接桿102的末端，位于磁控管外筒201的軸向中心線上，其半徑為R。，軸向長度為H。。所述磁控管中陽極塊的改進結構為每個陽極塊的光滑內表面所具有的凹槽205或突起206結構。其中，所述凹槽或突起結構沿磁控管圓周角向交替分布在每個陽極塊內表面上，凹槽或突起的角向中心線均與所在陽極塊的角向中心線重合，每個凹槽的徑向深度均為Λ艮，角向寬度均為0〃每個突起的徑向深度均為Λ Rp，角向寬度均為θρ，凹槽或突起的軸向長度均與陽極塊的軸向長度Ha相等，上述參數之間滿足下述關系^WR/R。，0〈 Δ Rr〈Rv-Ra，0〈 Δ Rp<Ra-Rc, 0〈 Θ r<180。/ (2N+1) - θ，0〈 θ p〈180。/ (2N+1) - Θ，0〈Ha〈H。，H0-Ha〈Hc。
[0039]通過以上設計，當2(2N+1)腔磁控管工作在π模式時，磁控管中相鄰兩個諧振腔的電場相位相差180度，使得角向相對的任意兩個諧振腔的電場方向一致，而其余諧振腔的電場方向關于該兩個諧振腔的中心對稱面左右對稱，從而為磁控管軸向輸出圓ΤΕ11模式微波提供了有利條件。通過在陽極塊上設置凹槽和突起結構使得磁控管輸出微波的起振時間更短，抑制模式競爭的能力更強，功率轉換效率更高。
[0040]所述軸向輸出過渡段3如圖4所示，由軸向輸出過渡段前段3a和軸向輸出過渡段后段3b組成，其中軸向輸出過渡段前段3a的軸向長度為Hel，軸向輸出過渡段后段3b的軸向長度為Η?。劃分軸向輸出過渡段前段與軸向輸出過渡段后段的橫截面為軸向輸出過渡段分界橫截面3ab。為了描述方便，下面將通過對軸向輸出過渡段的真空部分的描述來描述軸向輸出過渡段外筒以內的結構。
[0041]所述軸向輸出過渡段前段3a如圖5所示，由軸向輸出過渡段前段外筒321和軸向輸出過渡段前段外筒以內的結構組成。所述軸向輸出過渡段前段外筒321，由磁控管外筒201的末端口圓環(huán)面319 (圓環(huán)面的內徑為Rv，外徑為R。)，與軸向輸出過渡段分界橫截面3ab上的圓環(huán)面320(圓環(huán)面的內徑為Rvl，外徑為RJ之間形成的線性漸變過渡段構成。所述軸向輸出過渡段前段外筒以內的結構，其真空部分由互作用區(qū)軸向過渡段前段303、單獨輸出腔軸向過渡段前段306和合成輸出腔軸向過渡段前段318組成。所述互作用區(qū)軸向過渡段前段303，由磁控管的互作用區(qū)的端口橫截圓面301 (圓面半徑為Ra)與軸向輸出過渡段分界橫截面3ab上的圓面302 (圓面半徑為Ral)之間形成的線性漸變過渡段構成。選取磁控管中一組角向相對的兩個諧振腔，將其命名為單獨輸出腔，并將其他諧振腔命名為合成輸出腔。所述單獨輸出腔軸向過渡段前段306，由單獨輸出腔的端口橫截面304與軸向輸出過渡段分界橫截面3ab上的單獨類矩形面305 (類矩形面的短邊長度為Wmel，與軸向中心線相距R。-，長邊長度為Rvl-RmJ之間形成的線性漸變過渡段構成。所述合成輸出腔軸向過渡段前段318，由合成輸出腔軸向過渡段前段基本部分310減去陽極塊軸向過渡段317構成。所述合成輸出腔軸向過渡段前段基本部分310，由兩個相鄰的合成輸出腔的端口橫截面307加上所述兩個相鄰的合成輸出腔之間的陽極塊端口橫截面308，與軸向輸出過渡段分界橫截面3ab上的合成類矩形面309 (類矩形面的短邊長度為WtTOl，與軸向中心線相距Rtwol,長邊長度為Rvl_RtwJ之間形成的線性漸變過渡段構成。所述陽極塊軸向過渡段317，由陽極塊軸向過渡段外部312、陽極塊軸向過渡段內部前段314和陽極塊軸向過渡段內部后段316組成。以半徑Rm的圓弧為分界將兩個相鄰的合成輸出腔之間的陽極塊端口橫截面分割成兩部分，半徑大于R-的部分命名為陽極塊端口橫截面外部308a，半徑小于Rrat的部分命名為陽極塊端口橫截面內部308b。所述陽極塊軸向過渡段外部312，由陽極塊端口橫截面外部308a沿軸向方向線性漸變過渡到軸向距離為Hb_d的類矩形橫截面311 (類矩形橫截面的短邊長度為WbMri，與軸向中心線相距Rb_i，長邊長度為Rv+(Rv「Rv)*Hb_/Hcl-Rboard)構成。所述陽極塊軸向過渡段內部前段314，由陽極塊端口橫截面內部308b沿軸向方向線性漸變過渡到軸向距離為Hb_d的類梯形橫截面313 (類梯形橫截面上底即為類矩形橫截面短邊，邊長為Wb(OTd，下底為半徑為Rstidd，角向寬度為0stidd的圓弧)構成。所述陽極塊軸向過渡段內部后段316，由所述類梯形橫截面313再沿軸向方向線性漸變過渡到軸向距離為Hstidi的類半圓橫截面315 (類半圓橫截面的底邊為半徑為Rstidi2，角向寬度為θ stick2的圓弧，類半圓橫截面的半徑為Rstic;k2*Sin( Θ stick2/2))構成，上述參數之間滿足下述關系:0〈Ra〈Rcut〈Rv〈Ro,0 ( Ronel ( Ral，0 ( Rtwol ( Ral,0〈Ral〈Rvl〈Rol,0〈Rstickl ( Rboard〈Rv+(RV「RV) *Hboard/Hcl，0〈Rstick2〈Rstick2+Rstick2*sin ( Θ stick2/2)〈Rvl，0〈 Θ stiCki ^ 180 / (2N+1) - Θ，0〈 Θ stick2 ( 180。/(2Ν+1)-Θ ,0<ffonel<2*Rvl,0<fftwol<2*Rvl,0<Hboard+Hstick<Hclo
[0042]所述軸向輸出過渡段后段3b如圖6所示，由軸向輸出過渡段后段外筒329和軸向輸出過渡段后段外筒以內的結構組成。所述軸向輸出過渡段后段外筒329，由所述軸向輸出過渡段分界橫截面3ab上的圓環(huán)面320與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上的圓環(huán)面328(圓環(huán)面的內徑為Rv2，外徑為RJ之間形成的線性漸變過渡段構成。所述軸向輸出過渡段后段外筒以內的結構，其真空部分由互作用區(qū)軸向過渡段后段323、單獨輸出腔軸向過渡段后段325和合成輸出腔軸向過渡段后段327組成。所述互作用區(qū)軸向過渡段后段323，由所述軸向輸出過渡段分界橫截面3ab上的圓面302與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上的圓面322(圓面半徑為Rv2)之間形成的線性漸變過渡段構成。所述單獨輸出腔軸向過渡段后段325，由所述軸向輸出過渡段分界橫截面3ab上的單獨類矩形面305與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上的單獨類矩形面324 (類矩形面的短邊長度為W_2，與軸向中心線相距R_2，長邊長度為rv2-r_2)之間形成的線性漸變過渡段構成。所述合成輸出腔軸向過渡段后段327，由所述軸向輸出過渡段分界橫截面3ab上的合成類矩形面309與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上的合成類矩形面326 (類矩形面的短邊長度為Wt?2，與軸向中心線相距RtTO2，長邊長度為Rv2-RtwJ之間形成的線性漸變過渡段構成，上述參數之間滿足下述關系:0 < Rone2 ( RV2，0 ( Rtwo2 ( Rv2, 0〈Rv2〈Ro2, 0〈Wone2〈2*Rv2,0〈Wtwo2〈2*Rv2, 0〈Hc2。
[0043]通過以上設計，所述軸向輸出過渡段3不僅使得工作在π模式上的2(2Ν+1)腔磁控管直接軸向輸出較為純凈的圓ΤΕ11模式微波，而且使得軸向輸出過渡段3在徑向和軸向上更加緊湊化和小型化，減小了外加磁場系統(tǒng)5的體積和重量，還使得互作用區(qū)中軸向漂移的電子迅速打在軸向輸出過渡段3上，減少了漂移電子對輸出微波能量的吸收幾率，提高了功率轉換效率。
[0044]所述圓形輸出波導4如圖7所示，是一個內徑為Rv2，外徑為R&的圓波導。所述圓形輸出波導4軸向外接在軸向輸出過渡段后段3b的末端口橫截面328上,上述參數之間滿足下述關系:0〈Rv2〈Ro2。
[0045]所述外加磁場系統(tǒng)5如圖8所示，由兩組螺線管501和502組成，包圍在同軸輸入結構1，諧振腔結構2和軸向輸出過渡段3的外圍圓柱空間區(qū)域。所述兩組螺線管501和502，分別位于磁控管陽極結構202的軸向中心橫截面2xy的兩側，兩組螺線管同步觸發(fā)，且在磁控管互作用區(qū)內產生的軸向磁場大小和方向一致。
[0046]通過以上設計，外加磁場系統(tǒng)5不僅使得互作用區(qū)中軸向磁場的分布更加均勻，電子束與微波的相互作用更加充分，而且使得整個磁控管系統(tǒng)更加緊湊化和小型化。
[0047]實施例一:國防科技大學按照以上設計方案模擬實現(xiàn)了工作頻率為4.48GHz的具有圓TE11輸出模式的緊湊型相對論磁控管(相應尺寸設計為:同軸輸入結構和諧振腔結構:N = 1, Rj = Rc = 5.0mm, Roi = Ra = 13.0mm, Rv = 24.0mm, R。= 26.0mm, Δ Rr = Δ Rp=1.0mm, θ=20。，θΓ=θρ = 5。，HQ = HC= 108mm, Ha = 72mm ;軸向輸出過渡段和圓形輸出波導:Rcut = 19mm, Ral = 13mm, Rvl = Rv2 = 24.0mm, RQl = Ro2 = 26.0mm, Rmei =R0ne2 = Rtwol = Rtwo2 = ?.0臟，Rstickl = Rstick2 = 13.0臟，Rboard = 19.0臟，Θ stickl = Θ stick2 =
24。，Wonel = ffone2 = 10.0mm, fftwol = fftwo2 = 20.0mm, ffboard = 2.0mm, Hcl = Hc2 = 50.0mm, Hboard=30.0mm, Hstick = 5.0mm.)。在工作電壓為360kV，軸向磁場為0.6T的條件下，微波輸出功率為433.0MW，功率轉換效率為41.9%，微波起振時間為16ns。
[0048]實施例二:國防科技大學按照以上設計方案模擬實現(xiàn)了工作頻率為4.29GHz的具有圓TE11輸出模式的緊湊型相對論磁控管(相應尺寸設計為:同軸輸入結構和諧振腔結構:N = 2, Rj = Rc = 11.0mm, Roi = Ra = 18.0mm, Rv = 30.0mm, R。= 32.0mm, Δ Rr = Δ Rp=1.0mm, Θ = 18。，Θ r = Θ p = 4.5。，H。= Hc = 108mm, Ha = 72mm ;軸向輸出過渡段和圓形輸出波導:Rcut = 19mm, Ral = 18mm, Rvl = Rv2 = 30.0mm, RQl = Ro2 = 32.0mm, Rmei =R0ne2 = Rtwol = Rtwo2 = ?.0臟，Rstickl = Rstick2 = 17.0臟，Rboard = 19.0臟，Θ stickl = Θ stick2 =14°，ffonel = Wone2 = 11.0mm, fftwol = fftwo2 = 23.0mm, ffboard = 2.0mm, Hcl = Hc2 = 50.0mm, Hboard=30.0mm, Hstick = 4.0mm.)。在工作電壓為230kV，軸向磁場為0.4T的條件下，微波輸出功率為285.0MW，功率轉換效率為26.4%，微波起振時間為15ns。
[0049]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種緊湊型軸向輸出TEll模式的相對論磁控管，其特征在于:所述磁控管由同軸輸入結構、諧振腔結構、軸向輸出過渡段、圓形輸出波導和外加磁場系統(tǒng)組成，其中，同軸輸入結構軸向外接諧振腔結構，諧振腔結構軸向外接軸向輸出過渡段，軸向輸出過渡段軸向外接圓形輸出波導，外加磁場系統(tǒng)安裝在同軸輸入結構、諧振腔結構和軸向輸出過渡段的外圍圓柱空間區(qū)域，且它們的軸向中心線均重合； 所述同軸輸入結構由同軸外筒和陰極連接桿組成，所述陰極連接桿與所述同軸外筒的軸向中心線重合，所述同軸外筒內徑為Roi，外徑為R。，所述陰極連接桿半徑為Ri,上述參數之間滿足下述關系:0〈民〈1^〈1?。； 所述諧振腔結構由具有2(2N+1)個腔的典型磁控管諧振腔結構和磁控管中陽極塊的改進結構組成，所述具有2(2N+1)個腔的典型磁控管諧振腔結構由磁控管外筒、陽極和陰極組成，所述磁控管外筒軸向外接在同軸輸入結構的末端，其內徑為Rv，外徑與同軸外筒的外徑R。相等，軸向長度為H。，所述陽極由2(2N+1)個沿磁控管外筒內壁圓周角向周期分布的陽極塊構成，其半徑為Ra，軸向長度為Ha，且陽極末端面與磁控管外筒末端面平齊，各陽極塊之間的腔構成磁控管諧振腔，每個諧振腔的角向寬度均為Θ，所述陰極軸向固定在所述同軸輸入結構中陰極連接桿的末端，位于所述磁控管外筒的軸向中心線上，其半徑為R。，軸向長度為H。；所述磁控管中陽極塊的改進結構為每個陽極塊的光滑內表面所具有的凹槽或突起結構，其中，所述凹槽或突起結構沿磁控管圓周角向交替分布在每個陽極塊內表面上，凹槽或突起的角向中心線均與所在陽極塊的角向中心線重合，每個凹槽的徑向深度均為Λ Rp角向寬度均為Θ P每個突起的徑向深度均為Λ Rp，角向寬度均為θρ，凹槽或突起的軸向長度均與陽極塊的軸向長度Ha相等，上述參數之間滿足下述關系^WR/R。，0〈 Δ Rr〈Rv-Ra，0〈 Δ Rp<Ra-Rc, 0〈 Θ r<180。/ (2N+1) - Θ，0〈 θ p〈180。/ (2N+1) - Θ，0〈Ha〈H。，H0-Ha〈Hc ； 所述軸向輸出過渡段由軸向輸出過渡段前段和軸向輸出過渡段后段組成，其中所述軸向輸出過渡段前段的軸向長度為Hcl，所述軸向輸出過渡段后段的軸向長度為Η?，劃分軸向輸出過渡段前段與軸向輸出過渡段后段的橫截面為軸向輸出過渡段分界橫截面； 所述軸向輸出過渡段前段由軸向輸出過渡段前段外筒和軸向輸出過渡段前段外筒以內的結構組成，所述軸向輸出過渡段前段外筒由磁控管外筒內徑為Rv，外徑為R。的末端口圓環(huán)面，與軸向輸出過渡段分界橫截面上內徑為Rvl，外徑為Rtjl的圓環(huán)面之間形成的線性漸變過渡段構成；所述軸向輸出過渡段前段外筒以內的結構，其真空部分由互作用區(qū)軸向過渡段前段、單獨輸出腔軸向過渡段前段和合成輸出腔軸向過渡段前段組成，所述互作用區(qū)軸向過渡段前段由磁控管的互作用區(qū)上圓面半徑為Ra的端口橫截圓面與軸向輸出過渡段分界橫截面上圓面半徑為Ral的圓面之間形成的線性漸變過渡段構成，選取磁控管中一組角向相對的兩個諧振腔，將其命名為單獨輸出腔，并將其他諧振腔命名為合成輸出腔，則所述單獨輸出腔軸向過渡段前段由所述單獨輸出腔的端口橫截面與軸向輸出過渡段分界橫截面上短邊長度為Wmel、與軸向中心線相距Rmel、長邊長度為(Rvl-Rmel)的單獨類矩形面之間形成的線性漸變過渡段構成，所述合成輸出腔軸向過渡段前段由合成輸出腔軸向過渡段前段基本部分減去陽極塊軸向過渡段構成，所述合成輸出腔軸向過渡段前段基本部分由兩個相鄰的合成輸出腔的端口橫截面加上所述兩個相鄰的合成輸出腔之間的陽極塊端口橫截面與軸向輸出過渡段分界橫截面上短邊長度為Wtirol、與軸向中心線相距Rtirol、長邊長度為(Rvl-RtwJ的合成類矩形面之間形成的線性漸變過渡段構成，所述陽極塊軸向過渡段由陽極塊軸向過渡段外部、陽極塊軸向過渡段內部前段和陽極塊軸向過渡段內部后段組成，以半徑Rrat的圓弧為分界將兩個相鄰的合成輸出腔之間的陽極塊端口橫截面分割成兩部分，將半徑大于Rrat的部分命名為陽極塊端口橫截面外部，將半徑小于Rrat的部分命名為陽極塊端口橫截面內部，所述陽極塊軸向過渡段外部由陽極塊端口橫截面外部沿軸向方向線性漸變過渡到軸向距離為Hbtmd、短邊長度為Wbtjar1、與軸向中心線相距Rbtjar1、長邊長度為(Rv+(Rvl-Rv)J的類矩形橫截面構成，所述陽極塊軸向過渡段內部前段由陽極塊端口橫截面內部沿軸向方向線性漸變過渡到軸向距離為Hb_d、上底為類矩形橫截面短邊、邊長為Wbtjar1、下底為半徑為Rstidd、角向寬度為Θ stickl的圓弧的類梯形橫截面構成，所述陽極塊軸向過渡段內部后段由所述類梯形橫截面再沿軸向方向線性漸變過渡到軸向距離為Hstid1、底邊為半徑為Rstidi2、角向寬度為Θ stick2的圓弧、類半圓橫截面的半徑為(Rstidi2*sin(0stic；k2/2))的類半圓橫截面構成，上述參數之間滿足下述關系:0〈Ra〈Rcut〈Rv〈R。，O ^ Ronel ^ Rai，0 ^ Rtwol ^ Ral，0〈Ral〈Rvl〈Rol，0〈Rstickl ^ Rboard〈Rv+(Rv「Rv) *HbMrd/Hcl，0〈Rstick2〈Rstick2+Rstick2*sin ( Θ stick2/2)〈Rvl，0〈 Θ stiCki ^ 180 / (2N+1) - Θ，0〈 Θ stick2 彡 180。/(2N+1)- Θ，0<ffonel<2*Rvl,0<fftwol<2*Rvl,0<Hboard+Hstick<Hcl ； 所述軸向輸出過渡段后段由軸向輸出過渡段后段外筒和軸向輸出過渡段后段外筒以內的結構組成，所述軸向輸出過渡段后段外筒由所述軸向輸出過渡段分界橫截面上的圓環(huán)面與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上內徑為Rv2，外徑為Rt52的圓環(huán)面之間形成的線性漸變過渡段構成；所述軸向輸出過渡段后段外筒以內的結構，其真空部分由互作用區(qū)軸向過渡段后段、單獨輸出腔軸向過渡段后段和合成輸出腔軸向過渡段后段組成，所述互作用區(qū)軸向過渡段后段由所述軸向輸出過渡段分界橫截面上的圓面與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上半徑為Rv2的圓面之間形成的線性漸變過渡段構成，所述單獨輸出腔軸向過渡段后段由所述軸向輸出過渡段分界橫截面上的單獨類矩形面與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上短邊長度為Wme2、與軸向中心線相距Rme2、長邊長度為(Rv2-Rme2)的單獨類矩形面之間形成的線性漸變過渡段構成，所述合成輸出腔軸向過渡段后段由所述軸向輸出過渡段分界橫截面上的合成類矩形面與軸向輸出過渡段后段的端口橫截面上短邊長度為Wt?2、與軸向中心線相距Rtiro2、長邊長度為(Rv2-Rtm2)的合成類矩形面之間形成的線性漸變過渡段構成，上述參數之間滿足下述關系:0 ( Rone2 ( Rv2,0 ( Rtwo2 ( Rv2,0<Rv2<Ro2,0〈Wone2〈2*Rv2,0〈Wtwo2〈2*Rv2,0〈Hc2 ； 所述圓形輸出波導是一個內徑為Rv2，外徑為Rt52的圓波導，所述圓形輸出波導軸向外接在所述軸向輸出過渡段后段的末端口橫截面上，上述參數之間滿足下述關系:0〈12〈1?。2 ； 所述外加磁場系統(tǒng)由兩組螺線管組成，包圍在同軸輸入結構、諧振腔結構和軸向輸出過渡段的外圍圓柱空間區(qū)域，所述兩組螺線管分別位于磁控管陽極結構的軸向中心橫截面的兩側，兩組螺線管同步觸發(fā)，且在磁控管互作用區(qū)內產生的軸向磁場大小和方向一致。
2.一種如權利要求1所述緊湊型軸向輸出TEll模式的相對論磁控管，其特征在于:N=1、2、3、4 或 5。
3.—種如權利要求1或2所述具有TElO輸出模式的緊湊型相對論磁控管，其特征在于:所述磁控管各參數如下:N = I, Ri = Rc = 5.0mm, Roi = Ra = 13.0mm, Rv = 24.0mm, R0 =26.0mm, Δ Rr = Δ Rp = 1.0mm, θ=20。，θΓ=θρ = 5。，H0 = Hc= 108mm, Ha = 72mm ;軸向輸出過渡段和圓形輸出波導:Rcut = 19mm, Ral = 13mm, Rvl = Rv2 = 24.0mm, R0l = Ro2 =26.0mm, Ronel = Rone2 = Rtwol = Rtwo2 = 0.0mm, Rstickl = Rstick2 = 13.0mm, Rboard = 19.0mm, Θ stickl=θ Stick2 = 24°，Wonel = Wone2 = 10.0mm, Wtwol = Wtwo2 = 20.0mm, Wboard = 2.0mm, Hcl = Hc2 =50.0mmj Hboard = 30.0mmj Hstick = 5.0mm。
4.一種如權利要求1或2所述具有TElO輸出模式的緊湊型相對論磁控管，其特征在于:所述磁控管各參數如下:N = 2, Ri = Rc = 11.0mm, Roi = Ra = 18.0mm, Rv = 30.0mm, R0 =.32.0mm, Δ Rr = Δ Rp = 1.0mm, θ=18。，θΓ=θρ = 4.5。, H0 = Hc = 108mm, Ha = 72mm ;軸向輸出過渡段和圓形輸出波導:Rcut = 19mm, Ral = 18mm, Rvl = Rv2 = 30.0mm, R0l = Ro2 =.32.0mm, Ronel = Rone2 = Rtwol = Rtwo2 = 0.0mm, Rstickl = Rstick2 = 17.0mm, Rboard = 19.0mm, Θ stickl=θ Stick2 = 14°，Wonel = Wone2 = 11.0mm, Wtwol = Wtwo2 = 23.0mm, Wboard = 2.0mm, Hcl = Hc2 =.50.0mmj Hboard = 30.0mmj Hstick = 4.0mm。
【文檔編號】H01J23/02GK104465276SQ201410746386
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權日:2014年12月8日
【發(fā)明者】史迪夫, 錢寶良, 王弘剛, 李偉, 杜廣星 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學