一种具有TE10输出模式的紧凑型相对论磁控管

摘要

本发明属于高功率微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种能使轴向输出的微波模式更加纯净，整个系统更加紧凑的具有矩形TE10输出模式的相对论磁控管。针对目前轴向输出相对论磁控管需要更加纯净的单一输出模式的问题，和现有轴向输出相对论磁控管难以满足紧凑化、小型化等方面的需求的问题，提出了一种新型相对论磁控管，该磁控管通过磁控管阳极结构的改进，轴向输出过渡段的设计，矩形输出波导的设计以及外加磁场系统的设计，不仅可以直接轴向输出更加纯净的矩形TE10模式微波，而且可以使得整个系统更加紧凑化、小型化。

说明书

技术领域

本发明属于高功率微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种能使轴向输出的微波模 式更加纯净，整个系统更加紧凑的具有TE10输出模式的相对论磁控管。

背景技术

美国高功率微波领域的权威人士James Benford从研制实用型的高功率微波系统角度出 发，指出了未来高功率微波源的四个发展方向：(1)全面减小系统尺寸和重量，提高功耗比； (2)高重复频率工作；(3)频率可调谐；(4)长寿命。为了满足未来高功率微波源的发展应用 需求，研制出实用型的高功率微波源，具有结构简单，效率高，频率可调，适合长脉冲和高 重复频率运行等特点的相对论磁控管成了人们广泛和深入研究的对象之一。相比径向输出相 对论磁控管而言，结构更加紧凑的轴向输出相对论磁控管在全面减小系统尺寸和重量方面具 有更大的优势，因而成为近期研究的一大热点。

1轴向输出相对论磁控管的发展状况

2006年，美国新墨西哥大学M.I.Fuks教授等人通过调整A6磁控管的轴向输出端口过渡 到圆锥输出喇叭的张角槽结构的数目2个、3个和6个，模拟实现了磁控管不同辐射模式TE11、 TE01和TE31的轴向输出。在700kV和0.6T的工作条件下，该磁控管工作在π模式，工作 频率为2.18GHz，输出功率在600MW左右【M.I.Fuks,N.F.Kovalev,A.D.Andreev,and E. Schamiloglu.Mode conversion in a magnetron with axial extraction of radiation[J].IEEE Trans. Plasma Sci.,vol.34,no.3,p.620,Jun.2006.】。

2007年，日本长冈技术大学M.Daimon等人在E.Schamiloglu等人的研究基础上提出一 种改进型结构的轴向输出相对论磁控管【M.Daimon,W.Jiang.Modified configuration of  relativistic magnetron with diffraction output for efficiency improvement[J].Appl.Phys.Lett,2007, 91(19):191503.】。该磁控管通过在轴向输出的过渡结构中增加一个角度变量Ф₀，使得磁控管 功率转换效率得到大幅提升，模拟得到功率转换效率为37％的结果。2008年，他们从实验上 也验证了改进型结构有利于输出功率的提高【M.Daimon,K.Itoh,W.Jiang.Experimental  demonstration of relativistic magnetron with modified output configuration[J].Appl.Phys.Lett., 2008,92(19):191504.】。

2009年，中国国防科技大学李伟博士等人针对轴向输出相对论磁控管辐射TE11模式效 果差、效率低的情况，提出一种在轴向输出结构的对称张角槽中插入具有一定尺寸结构的过 渡段的高效型结构，既较好地实现了TE11模式的微波辐射，又提高了功率效率，粒子模拟 效率最高达到43％【W.Li and Y.-G.Liu.An efficient mode conversion configuration in relativistic  magnetron with axial diffraction output[J].J.Appl.Phys.,vol.106,no.5,pp.053303–055305, Sep.2009.】。2013年，他们从实验上也验证了高效型结构有利于输出特性的改善【Wei Li, Yong-gui Liu,Jun Zhang,Di-fu Shi,and Wei-qi Zhang.Experimental investigations on the relations  between configurations and radiation patterns of a relativistic magnetron with diffraction output[J]. J.Appl.Phys.,vol.113,no.2,pp.023304-1–023304-4,Jan.2013.】。

目前已报道的轴向输出相对论磁控管虽然在输出模式特性和功率转换效率方面有较大的 改善，但是整个系统结构在紧凑化和小型化方面仍有不足。

2紧凑型相对论磁控管的发展状况

2011年，中国国防科技大学李伟博士等人针对轴向输出相对论磁控管互作用区中的电子 束长距离轴向漂移的问题，提出了一种改进型外加磁场结构【W.Li and Y.G.Liu.Modified  magnetic field distribution in relativistic magnetron with diffraction output for compact operation [J].Phys.Plasmas,vol.18,no.2,pp.023103-1–023103-4,Feb.2011.】。该磁场结构通过在输出圆 波导前端加载一组轴向磁场与磁控管互作用区轴向磁场反向的螺线管，使得轴向漂移电子束 更快地打在轴向输出结构上，不仅提高了功率转换效率，而且减小了轴向输出结构的轴向尺 寸。2012年，他们在实验上验证了该外加磁场结构在提高效率，减小结构尺寸方面的作用【Wei  Li,Yong-gui Liu,Ting Shu,Han-wu Yang,Yu-wei Fan,Cheng-wei Yuan,and Jun Zhang. Experimental demonstration of a compact high efficient relativistic magnetron with directly axial  radiation[J].Phys.Plasmas,vol.19,no.1,pp.013105-1–013105-4,Jan.2012.】。

2012年，美国新墨西哥大学C.Leach博士等人通过在磁控管的轴向输出端口直接连接一 个与磁控管半径尺寸相同的输出圆波导，研究了磁控管中不同数目的输出腔对输出特性的影 响。粒子模拟表明该新型轴向输出结构使得整个系统结构在轴向上和径向上更加紧凑化和小 型化，从而使得轴向电子束漂移距离更短，外加磁场系统更紧凑，输出模式更纯净。结构未 经优化的该磁控管功率转换效率在14％左右【C.Leach,S.Prasad,M.Fuks,and E.Schamiloglu. Compact relativistic magnetron with Gaussian radiation pattern[J].IEEE Trans.Plasma Sci.,vol. 40,no.11,pp.3116–3120,Nov.2012.】。

目前，国际上对轴向输出相对论磁控管的研究工作虽然在实现不同输出模式，提高功率 转换效率，减小系统尺寸和重量，以及提高输出模式纯度等方面取得了较大进展，但是关于 同时能使输出模式更纯净，整个系统更紧凑，且功率转换效率较高的轴向输出相对论磁控管 的报道较为少见，因此，对于同时具有以上特点的相对论磁控管的研究具有重要的价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前轴向输出相对论磁控管需要更加纯净的单一输出模 式的问题，和现有轴向输出相对论磁控管难以满足紧凑化、小型化等方面的需求的问题，提 出了一种新型相对论磁控管，该磁控管通过磁控管阳极结构的改进、轴向输出过渡段的设计、 矩形输出波导的设计以及外加磁场系统的设计，不仅可以直接轴向输出更加纯净的矩形TE10 模式微波，而且可以使得整个系统更加紧凑化、小型化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有TE10输出模式的紧凑型相对论磁控管，由同轴输入结构、谐振腔结构、轴向 输出过渡段、矩形输出波导和外加磁场系统组成。同轴输入结构轴向外接磁控管的谐振腔结 构，磁控管的谐振腔结构轴向外接轴向输出过渡段，轴向输出过渡段轴向外接矩形输出波导， 外加磁场系统安装在同轴输入结构、磁控管谐振腔结构和轴向输出过渡段的外围圆柱空间区 域。

所述同轴输入结构由阴极连接杆和同轴外筒组成。阴极连接杆与同轴外筒的轴向中心线 重合。阴极连接杆半径与磁控管阴极半径R_c相等，同轴外筒内径与磁控管谐振腔半径R_v相等。

所述谐振腔结构由具有2(2N+1)个谐振腔的典型磁控管结构(其中N＝1，2，3，4，5均 可)和磁控管中阳极块的改进结构组成。具有2(2N+1)个谐振腔的典型磁控管结构主要包括 阴极和阳极。阴极固定在同轴输入结构中的阴极连接杆上，位于同轴外筒的轴向中心线上。 2(2N+1)个沿同轴外筒内壁圆周角向周期分布的阳极块构成阳极。阳极块之间的腔构成谐振 腔。磁控管工作在π模式上，即磁控管中相邻两个谐振腔的电场相位相差180度。磁控管中 阳极块的改进结构是指将每个阳极块的光滑内表面改造为具有凹槽或突起结构的内表面。其 中，凹槽与突起的结构沿圆周角向交替分布在阳极块内表面上，凹槽或突起的角向中心线均 与所在阳极块的角向中心线重合，凹槽或突起的轴向长度均与阳极块的轴向长度H_m相同，ΔR_r和ΔR_p分别表示凹槽和突起结构的径向深度，θ_r和θ_p分别表示凹槽和突起结构的角向宽度。 凹槽与突起的径向深度和角向宽度根据优化效果确定。

所述轴向输出过渡段由磁控管的互作用区轴向过渡段、输出腔轴向过渡段和非输出腔轴 向过渡段组成，整体长度为H_c。磁控管的互作用区的端口横截圆面与矩形输出波导中心的内 接圆横截面之间形成的线性渐变过渡段，构成互作用区轴向过渡段。选取磁控管中一组角向 相对的两个谐振腔，命名为输出腔，并将其他谐振腔命名为非输出腔。输出腔的端口横截面 与矩形输出波导的横截面之间形成的线性渐变过渡段，构成输出腔轴向过渡段。

非输出腔轴向过渡段采用两种方案。方案一：各个非输出腔的端口横截面以关于轴线方 向的倾斜角α径向向内渐变到互作用区轴向过渡段，构成非输出腔轴向过渡段，其中倾斜角 α根据优化效果确定。方案二：两个相邻的非输出腔的端口横截面与这两腔之间的阳极块端 口横截面直接轴向外接一个角向宽度相等且轴向长度为H_f的扇形波导，构成非输出腔轴向过 渡段，其中长度H_f根据优化效果确定。

所述矩形输出波导由一长为L宽为W的矩形波导组成。矩形波导的轴向中心线与磁控管 的轴向中心线重合。矩形波导横截面的长度L和宽度W根据优化效果确定。

所述外加磁场系统由两个螺线管组成。在同轴输入结构，磁控管的谐振腔结构和轴向输 出过渡段的外围圆柱空间区域，围绕磁控管的轴向方向加载两组螺线管，分别表示为螺线管 I和螺线管II。两组螺线管分居磁控管谐振腔结构的轴向中心平面的两侧。两组螺线管同步触 发，且在磁控管互作用区内产生的轴向磁场大小和方向一致。

采用本发明可以达到以下技术效果：

(1)一种具有TE10输出模式的紧凑型相对论磁控管通过设计阳极块的改进结构使得磁控 管输出的微波起振时间更短，功率转换效率更高。

(2)设计轴向输出过渡段不仅使得工作在π模式上的磁控管直接轴向输出矩形TE10模式 微波，而且使得轴向输出过渡段在径向和轴向上更加紧凑化和小型化，还使得互作用区中轴 向漂移的电子迅速打在轴向输出过渡段上，减少了漂移电子对输出微波能量的吸收几率，提 高了功率转换效率。

(3)设计外加磁场系统使得互作用区中轴向磁场的分布更加均匀，电子束与微波的相互 作用更加充分，且整个磁控管系统更加紧凑化和小型化。

附图说明

图1为本发明一种具有TE10输出模式的紧凑型相对论磁控管的整体纵截面图；

图2为同轴输入结构的横截面图；

图3为磁控管谐振腔结构的组成图：(a)磁控管谐振腔结构的立体图，(b)磁控管谐振腔 结构的横截面图，(c)磁控管谐振腔结构的纵截面图；

图4为轴向输出过渡段设计方案一的组成图：

(a)轴向输出过渡段的立体图，(b)轴向输出过渡段的真空部分的立体图，(c)轴向输出过 渡段的纵截面图及其两端口的横截面图，(d)轴向输出过渡段轴向中心处的横截面图；

图5为轴向输出过渡段设计方案二的组成图：

(a)轴向输出过渡段的立体图，(b)轴向输出过渡段的真空部分的立体图，(c)轴向输出 过渡段的纵截面图及其两端口的横截面图，(d)轴向输出过渡段轴向中心处的横截面图；

图6为矩形输出波导的横截面图；

图7为外加磁场系统的组成图：

(a)外加磁场系统的立体图，(b)外加磁场系统的纵截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出说明：

一种具有TE10输出模式的紧凑型相对论磁控管，由同轴输入结构1、谐振腔结构2、轴 向输出过渡段3、矩形输出波导4和外加磁场系统5组成，如图1所示，同轴输入结构1轴 向外接磁控管的谐振腔结构2，磁控管的谐振腔结构2轴向外接轴向输出过渡段3，轴向输出 过渡段3轴向外接矩形输出波导4，外加磁场系统5安装在同轴输入结构1、磁控管谐振腔结 构2和轴向输出过渡段3的外围圆柱空间区域。

所述同轴输入结构1如图2所示。其中，101为阴极连接杆，102为同轴外筒。阴极连接 杆101与同轴外筒102的轴向中心线重合。阴极连接杆101半径与磁控管阴极半径R_c相等， 同轴外筒102内径与磁控管谐振腔半径R_v相等。

所述谐振腔结构2的设计如图3所示。其中，102为同轴外筒，201为阴极，202为阳极， 203为谐振腔，204为凹槽，205为突起。R_c、R_a和R_v分别为阴极半径，阳极半径和谐振腔半 径；θ为谐振腔张角；H_m为阳极块的轴向长度；ΔR_r和ΔR_p分别表示凹槽和突起结构的径向 深度，θ_r和θ_p分别表示凹槽和突起结构的角向宽度，它们的值根据优化效果确定。

所述谐振腔结构2由具有2(2N+1)个谐振腔的典型磁控管结构(其中N＝1，2，3，4，5 均可)和磁控管中阳极块的改进结构组成。具有2(2N+1)个谐振腔的典型磁控管结构主要包 括阴极201和阳极202。阴极201固定在同轴输入结构1中的阴极连接杆101上，位于同轴 外筒102的轴向中心线上。2(2N+1)个沿同轴外筒内壁圆周角向周期分布的阳极块构成阳极 202。阳极块之间的腔构成谐振腔203。磁控管中阳极块的改进结构是指将每个阳极块的光滑 内表面改造为具有凹槽204或突起205结构的内表面。其中，凹槽与突起的结构沿圆周角向 交替分布在阳极块内表面上，凹槽或突起的角向中心线均与所在阳极块的角向中心线重合， 凹槽或突起的轴向长度均与阳极块的轴向长度H_m相同。

通过以上设计，当2(2N+1)腔磁控管工作在π模式时，磁控管中相邻两个谐振腔的电场 相位相差180度，使得角向相对的两个谐振腔的电场方向一致。通过在阳极块上设置凹槽和 突起使得磁控管输出的微波起振时间更短，功率转换效率更高。

所述轴向输出过渡段3的设计如图4、图5所示。其中，图4为方案一，图5为方案二， 301为磁控管互作用区端口的横截圆面，302为矩形输出波导中心的内接圆横截面，303为互 作用区轴向过渡段，304为磁控管输出腔的端口横截面，305为矩形输出波导的横截面，306 为输出腔轴向过渡段，307为磁控管非输出腔的端口横截面，308为非输出腔轴向过渡段， H_c为轴向输出过渡段的轴向长度，α为方案一中非输出腔关于轴线方向径向向内渐变的倾斜 角，H_f的为方案二中非输出腔轴向外接的扇形波导的轴向长度。

轴向输出过渡段3由磁控管的互作用区轴向过渡段303、输出腔轴向过渡段306和非输 出腔轴向过渡段308组成，整体长度为H_c。磁控管的互作用区的端口横截圆面301与矩形输 出波导中心的内接圆横截面302之间形成的线性渐变过渡段，构成互作用区轴向过渡段303。 选取磁控管中一组角向相对的两个谐振腔，命名为输出腔，并将其他谐振腔命名为非输出腔。 输出腔的端口横截面304与矩形输出波导的横截面305之间形成的线性渐变过渡段，构成输 出腔轴向过渡段306。

非输出腔轴向过渡段308采用两种方案。方案一：各个非输出腔的端口横截面307以关 于轴线方向的倾斜角α径向向内渐变到互作用区轴向过渡段303，构成非输出腔轴向过渡段 308，其中倾斜角α根据优化效果确定。方案二：两个相邻的非输出腔的端口横截面307与这 两腔之间的阳极块端口横截面直接轴向外接一个角向宽度相等且轴向长度为H_f的扇形波导， 构成非输出腔轴向过渡段308，其中长度H_f根据优化效果确定。

通过以上设计，轴向输出过渡段3不仅使得工作在π模式上的2(2N+1)腔磁控管直接轴 向输出矩形TE10模式微波，而且使得轴向输出过渡段在径向和轴向上更加紧凑化和小型化， 还使得互作用区中轴向漂移的电子迅速打在轴向输出过渡段上，减少了漂移电子对输出微波 能量的吸收几率，提高了功率转换效率。

所述矩形输出波导4的设计如图6所示。其中，L和W分别为矩形波导横截面的长度和 宽度。矩形波导的轴向中心线与磁控管的轴向中心线重合。对于工作在π模式上的固定频率 的2(2N+1)腔磁控管，矩形输出波导横截面的长度L和宽度W不仅影响磁控管输出模式的传 输与截止，而且影响磁控管的功率转换效率，因此它们的值需要根据优化效果来确定。

通过以上设计，对于工作在π模式上的固定频率的2(2N+1)腔磁控管，矩形输出波导4 在保证磁控管输出纯净的矩形TE10模式的前提下，通过调整矩形波导的长度或宽度，能够 使得磁控管的功率转换效率得到改善。

所述外加磁场系统5的设计如图7所示。其中，501为螺线管I，502为螺线管II。在同 轴输入结构、磁控管的谐振腔结构和轴向输出过渡段的外围圆柱空间区域，围绕磁控管的轴 向方向加载两组螺线管501和502，分别表示为螺线管I和螺线管II。两组螺线管分居磁控管 谐振腔结构的轴向中心平面的两侧。两组螺线管同步触发，且在磁控管互作用区内产生的轴 向磁场大小和方向一致。

通过以上设计，外加磁场系统5不仅使得互作用区中轴向磁场的分布更加均匀，电子束 与微波的相互作用更加充分，而且使得整个磁控管系统更加紧凑化和小型化。

按照方案一的设计模拟实现了工作频率为2.50GHz的具有矩形TE10输出模式的紧凑型 相对论磁控管(相应尺寸设计为：R_c＝10.0mm,R_a＝21.0mm,R_v＝42.1mm,ΔR_r＝ΔR_p＝1.0mm, θ＝20°,θ_r＝θ_p＝5°,H_m＝72mm,H_c＝100.0mm,α＝68.8°,L＝84.2mm,W＝24.0mm，N＝1)。在工 作电压为360kV，轴向磁场为0.4T的条件下，输出微波功率为409.2MW，功率转换效率为 21.9％，微波起振时间为25ns。

按照方案二的设计模拟实现了工作频率为2.52GHz的具有矩形TE10输出模式的紧凑型 相对论磁控管(相应尺寸设计为：R_c＝10.0mm,R_a＝21.0mm,R_v＝42.1mm,ΔR_r＝ΔR_p＝1.0mm, θ＝20°,θ_r＝θ_p＝5°,H_m＝72mm,H_c＝100.0mm,H_f＝75mm,L＝84.2mm,W＝24.0mm，N＝1)。在 工作电压为360kV，轴向磁场为0.4T的条件下，输出微波功率为419.0MW，功率转换效率 为24.0％，微波起振时间为25ns。

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局限于上述实施例，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。