本發(fā)明屬于真空電子器件中的擴(kuò)展互作用器件，特別是一種采用同軸諧振腔及多電子注的毫米波擴(kuò)展互作用器件，該毫米波擴(kuò)展互作用器件可在基模狀態(tài)下有效、穩(wěn)定地工作。

背景技術(shù)：

目前基于真空電子技術(shù)的毫米波源的輸出功率主要受到兩個(gè)方面的制約：其一是隨著工作頻率的增加，基模工作器件的結(jié)構(gòu)尺寸越來越小，限制了毫米波器件中可利用的電子注電流的提高，其輸出功率也較低；如公開號(hào)為cn1234623a的專利文件公開了一種多注速調(diào)管濾波器加載寬帶輸出回路，由于其工作在基模，漂移管2需要集中分布在直徑約為工作波長λ/2的多注速調(diào)管輸出腔1的中部，這大大限制了可以利用的電子注數(shù)目。其二.在高頻率及基模狀態(tài)下工作則要求相應(yīng)縮小器件中諧振腔的尺寸(諧振腔的尺寸大小與頻率成反比)，這無疑又增大了互作用器件的加工難度和生產(chǎn)成本；此時(shí)，若要采用較大尺寸的器件則須將器件置于高次模式下工作，而在高次模式下工作又會(huì)受到模式競(jìng)爭(zhēng)和耦合阻抗的限制而大幅降低器件工作的穩(wěn)定性和效率、嚴(yán)重時(shí)還可能使得器件不能正常工作。如申請(qǐng)公布號(hào)為cn104752125a的專利文件所公開的《一種高次模同軸輸出腔》，包括諧振腔體1及諧振腔蓋2，漂移管3，徑向波導(dǎo)4，扼流波導(dǎo)5，微波吸收材料6，衰減片7，輸出波導(dǎo)8，雜模抑制裝置9。該同軸輸出腔為了使其既能在高頻率下工作、又使器件具有較大的體積而便于加工，因而其工作模式設(shè)為tmn10模，其中n≥2，這樣，同軸諧振腔體1在半徑方向的尺寸就可增大到工作波長λ/2的n倍，但這就將會(huì)使得同軸諧振腔體1在工作時(shí)存在部分頻率與工作頻率非常接近的高次模式(即非工作模式、亦稱雜模)；該技術(shù)為了增加針對(duì)這些廣譜雜模的抑制功能，又增設(shè)了包括徑向波導(dǎo)4，扼流波導(dǎo)5及包含設(shè)置有微波吸收材料6的衰減腔7在內(nèi)的雜模抑制裝置9等，以期提高該同軸輸出腔工作在高次模的多注速調(diào)管運(yùn)行的穩(wěn)定性；但該技術(shù)由于增設(shè)了多個(gè)零、部件，不但大大增加了器件加工、裝配的復(fù)雜性及工藝難度，而且由于零、部件多其故障點(diǎn)亦多，這又從另一方面影響到器件工作的穩(wěn)定性。因而該高次模同軸輸出腔仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工藝難度大、生產(chǎn)成本高以及器件工作的穩(wěn)定性差、輸出功率小等弊病。

此外，對(duì)于輸出功率的提高來說，目前基于真空電子技術(shù)的毫米波源的輸出功率的提升來說，主要有如下三種方法：一是采用多電子注技術(shù)，其主要目的是降低器件的工作電壓，由于利用的互作用結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的重入式諧振腔，器件的橫向分布空間受限，從而限制了最大可利用的多電子注的數(shù)目或是所有電子注在橫向的截面積總和；第二種方法是采用片狀電子注的方法，通過利用電子注在橫向的分布提升器件總的工作電流，從而提高器件的輸出功率，但其橫向提升的空間有限，進(jìn)一步提升會(huì)帶來模式競(jìng)爭(zhēng)的問題；第三種方法是采用環(huán)行帶狀電子注的方法，通過增大電子發(fā)射面積及增加電子束通道面積，使得器件獲得更大功率，但由于高質(zhì)量的環(huán)行帶狀電子注實(shí)現(xiàn)困難，限制了此方法在實(shí)際器件中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計(jì)一種采用同軸諧振腔及多電子注的毫米波擴(kuò)展互作用器件，以達(dá)到在簡化毫米波擴(kuò)展互作用器件結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，有效提高器件工作在基模狀態(tài)下的輸出功率及器件工作性能的穩(wěn)定性，延長其使用壽命等目的。

本發(fā)明的解決方案是將毫米波擴(kuò)展互作用器件本體結(jié)構(gòu)設(shè)為帶芯體及殼體的圓柱體形，在芯體兩端之間的柱體表面加工一等深度的圓環(huán)形凹槽，該環(huán)形凹槽與殼體內(nèi)表面配合作為擴(kuò)展互作用器件中的環(huán)筒形耦合通道(腔)，在圓環(huán)形凹槽(環(huán)筒形耦合通道)的底面徑向繞軸心線平行等間隔設(shè)置一組圓環(huán)形諧振腔，各圓環(huán)形諧振腔的外環(huán)口通過環(huán)筒形耦合腔聯(lián)通，同時(shí)在各圓環(huán)形諧振腔的中環(huán)線位置上等弧度開設(shè)一組與芯體軸心線平行且與芯體兩端面貫通的電子注通道；而在殼體的中部設(shè)一輸出波導(dǎo)，輸出波導(dǎo)底部至殼體內(nèi)表面開設(shè)一耦合孔以與組裝后的環(huán)筒形耦合腔聯(lián)通；整個(gè)芯體置于殼體內(nèi)并與殼體內(nèi)壁密封固定即構(gòu)成本發(fā)明所述毫米波擴(kuò)展互作用器件。因而，本發(fā)明采用同軸諧振腔及多電子注的毫米波擴(kuò)展互作用器件，包括器件本體，諧振腔及電子注通道，輸出波導(dǎo)及耦合孔，關(guān)鍵在于器件本體由殼體及芯體組成，在殼體與芯體之間還設(shè)有一環(huán)筒形耦合通道，諧振腔為繞芯體軸心線平行等間隔設(shè)于芯體內(nèi)的一組徑向高(尺寸)為2/5λ－3/5λ(λ為工作波長)的圓環(huán)形諧振腔，電子注通道則為等弧度間隔且平行于芯體軸心線設(shè)置的與各圓環(huán)形諧振腔連通的一組貫通芯體兩端面的電子注通道，輸出波導(dǎo)設(shè)于殼體中部并通過耦合孔與環(huán)筒形耦合通道連通；芯體與殼體內(nèi)表面密封固定，輸出波導(dǎo)則與殼體密封固定。

所述環(huán)筒形耦合通道，該通道徑向高為1/10－1/5λ、軸向?qū)捙c前、后兩端諧振腔外側(cè)壁之間的距離相同。所述一組徑向高為2/5－3/5λ的圓環(huán)形諧振腔，圓環(huán)形諧振腔的個(gè)數(shù)為5－19個(gè)，圓環(huán)形諧振腔在順芯體軸向方向的寬度根據(jù)器件的工作電壓決定，當(dāng)工作電壓為5－40kv時(shí)圓環(huán)形諧振腔的寬度為0.15－5mm。而所述一組貫通芯體兩端面的電子注通道，電子注通道的個(gè)數(shù)為5-20個(gè)，電子注通道的直徑為1/7－1/5λ、相鄰兩電子注通道的間距為對(duì)應(yīng)電子注通道直徑的1-3倍。所述耦合孔為矩形孔或圓形孔。

本發(fā)明采用由芯體及殼體組成的圓柱體形的擴(kuò)展互作用器件及繞芯體軸心線平行等間隔設(shè)置5-19個(gè)圓環(huán)形諧振腔，不但可大幅度縮小器件的長度，有效提高器件的阻抗、有利于后續(xù)的永磁聚焦；而且圓環(huán)形諧振腔內(nèi)、外圓周的長度遠(yuǎn)大于工作波長，又可設(shè)置更多的電子注通道以有效提高器件的功率容量、輸出功率，本發(fā)明通過將各圓環(huán)形諧振腔的徑向尺寸控制在工作波長λ的2/5λ－3/5λ范圍內(nèi)即可確保其在基模狀態(tài)下長時(shí)間穩(wěn)定工作。因而，本發(fā)明毫米波擴(kuò)展互作用器件具有可效提高器件工作在基模狀態(tài)下的輸出功率及器件工作性能的穩(wěn)定性，且器件結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)工藝簡便、生產(chǎn)成本低，工作壽命長等特點(diǎn)。本發(fā)明擴(kuò)展互作用器件在電子束通道的入口端可直接與產(chǎn)生多電子注的電子光學(xué)器件的輸出端連接，使電子束進(jìn)入互作用器件與其中的高頻場(chǎng)產(chǎn)生電磁相互作用；其出口端則可與包括降壓收集極在內(nèi)的收集極連接。本發(fā)明與傳統(tǒng)毫米波擴(kuò)展互作用器件相比，可以采用較大結(jié)構(gòu)的諧振腔體在基模條件下工作，從而可以大大提升所采用的電子注的數(shù)目及擴(kuò)展互作用器件的工作容量和線性注真空電子器件的輸出功率，解決了基于線性注真空電子器件毫米波源輸出功率受限的難題；特別是由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、另部件少，整體性好，易于加工，裝配精度可以得到有效保證。

附圖說明

圖1為本發(fā)明及具體實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖(剖視圖)；

圖2為圖1的a-a剖視圖；

圖3為圖1的b-b剖視圖。

圖中：1.芯體，2.殼體，3.電子注通道，4.圓環(huán)形諧振腔，5.環(huán)筒形耦合通道，6.耦合孔，7.輸出波導(dǎo)。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施方式以工作頻率為94ghz(對(duì)應(yīng)的工作波長λ約為3.2mm)、工作電壓為20kv、工作在基模(tm010模)狀態(tài)下的擴(kuò)展互作用器件為例：

芯體1直徑的公稱尺寸為φ8.7mm、軸向長為8.0mm，殼體2內(nèi)徑公稱尺寸亦為φ8.7mm、外徑為φ12mm、軸向長為8.0mm，材質(zhì)均為無氧銅；本實(shí)施方式在芯體1上共設(shè)7個(gè)圓環(huán)形諧振腔4，各圓環(huán)形諧振腔的內(nèi)、外半徑均分別為r2.4mm、r4.0mm(即諧振腔的徑向高為1/2λ)，各圓環(huán)形諧振腔的軸向?qū)捑鶠?.40mm、相鄰兩諧振腔的間距為0.52mm，環(huán)筒形耦合通道5軸向長5.92mm，內(nèi)、外半徑分別為r4.0mm、r4.35mm(即環(huán)筒形耦合通道的徑向間隙為0.35mm)，本實(shí)施方式在圓環(huán)形諧振腔4的中環(huán)線上(即在距芯體的軸心r3.2mm的圓環(huán)面上)等弧度間隔設(shè)置16個(gè)直徑為φ0.5mm且貫通芯體1的電子注通道3；設(shè)于外殼2上輸出波導(dǎo)7及其耦合孔6，兩者的中心線距芯體1兩端為4.0mm，其中輸出波導(dǎo)7為標(biāo)準(zhǔn)w波段的矩形輸出波導(dǎo)、耦合孔6則為直徑φ0.85mm的圓孔。

本實(shí)施方式經(jīng)仿真測(cè)試：當(dāng)工作頻率為94ghz、工作電壓為20kv、在基模狀態(tài)下工作時(shí)，每個(gè)電子注通道3的電流為1.0a、16個(gè)電子注通道的總電流達(dá)到16a，器件的輸入功率為320kw、器件的微波輸出功率達(dá)16.5kw，輸出效率約為5.15％。