【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及高功率微波的電真空微波器件，尤其是一種基于通道互耦機(jī)制的鎖頻鎖相相對(duì)論切倫科夫振蕩器（relativistic?cherenkov?oscillator，rco）。
技術(shù)介紹
1、高功率微波（high-power?microwave，hpm）通常定義為峰值功率超過100?mw、波長范圍在1?mm~1?m（即頻率在300?mhz~300?ghz）之間的電磁波。20世紀(jì)70年代，隨著脈沖功率技術(shù)迅速發(fā)展，電壓高達(dá)數(shù)百千伏、電流達(dá)數(shù)十千安的強(qiáng)流相對(duì)論電子束得以生成。將這類電子束應(yīng)用于傳統(tǒng)真空電子微波器件，從而實(shí)現(xiàn)了百兆瓦以上的hpm輸出。同時(shí)，對(duì)相對(duì)論真空電子學(xué)和等離子體物理等領(lǐng)域的深入研究為hpm的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。近五十年來，隨著國防和工業(yè)領(lǐng)域的需求增加，hpm技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。
2、目前，單個(gè)hpm產(chǎn)生器件產(chǎn)生的微波功率可達(dá)1~5?gw。然而，受到物理機(jī)制、材料性能及制造工藝等方面的限制，單個(gè)hpm產(chǎn)生器件的輸出功率存在上限。為了進(jìn)一步提高輻射微波的功率，研究人員提出將多個(gè)hpm產(chǎn)生器件產(chǎn)生的微波進(jìn)行相干合成，可在遠(yuǎn)場獲得 n 2倍的峰值功率密度（ n是高功率微波源的數(shù)量）。為實(shí)現(xiàn)高效相干合成，各hpm器件需具備一致的輸出頻率和穩(wěn)定的相位差，這使得鎖頻鎖相hpm產(chǎn)生器件成為研究的熱點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，鎖頻鎖相hpm器件技術(shù)可歸納為3種技術(shù)路線，分別是相對(duì)論速調(diào)管放大器(relativistic?klystron?
3、2017年，國防科技大學(xué)的巨金川等人研究了一種改進(jìn)型x波段三軸速調(diào)管放大器【jinchuan?ju,?jun?zhang,?ting?shu,?and?huihuang?zhong.?animproved?x-bandtriaxial?klystron?amplifier?for?gigawatt?long-pulse?high-power?microwavegeneration[j].ieee?electron?device?letters,?2017,?vol.?38,?no.?2,?pp.?5890-5896】（以下稱為現(xiàn)有技術(shù)1，如圖1所示）。該結(jié)構(gòu)由輸入腔、反射腔、漂移段、群聚腔、提取腔、收集極、反饋環(huán)、支撐桿、輸出波導(dǎo)和兩段螺線管磁場組成，整體結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。通過在輸入腔注入穩(wěn)定的外部種子信號(hào)，腔體內(nèi)便激勵(lì)出與該信號(hào)頻率一致的高頻電磁場。當(dāng)電子束通過輸入腔間隙時(shí)，間隙內(nèi)的電磁場對(duì)電子束進(jìn)行速度調(diào)制，電子束在經(jīng)過輸入腔后的漂移管時(shí)逐漸形成群聚。此群聚電子的空間頻率與種子信號(hào)頻率一致，從而實(shí)現(xiàn)頻率鎖定。在鎖頻狀態(tài)下，rka輸出的hpm與種子源微波的相位差保持恒定，實(shí)現(xiàn)相位鎖定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該器件可產(chǎn)生功率為1.1?gw的hpm輻射，且生成的微波頻率與種子源頻率一致，均為9.375?ghz，相位可在90?ns以上保持鎖定。由于采用外饋式輸入腔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)引磁場由兩段螺線管磁場組成，磁場線圈設(shè)計(jì)更復(fù)雜。此外，該類rka器件需要外部種子源對(duì)輸出微波進(jìn)行鎖相，外部種子源也增加了系統(tǒng)體積。
4、2011年，西北核技術(shù)研究所的肖仁珍等人研究了一種相位可控的高功率高效率速調(diào)型相對(duì)論返波振蕩器【renzhen?xiao,?changhua?chen,?wei?song,?et?al.?rf?phasecontrol?in?a?high-power?high-efficiency?klystron-like?relativisticbackwardwave?oscillator[j].?journal?of?applied?physics,?2011,?vol.?110,?no.1,?pp.?13301-13301】（下文簡稱為現(xiàn)有技術(shù)2，如圖2所示）。該結(jié)構(gòu)由環(huán)形陰極、磁場、輸入腔、諧振反射器、插入塊、第一慢波結(jié)構(gòu)、調(diào)制腔、第二慢波結(jié)構(gòu)、同軸波導(dǎo)、雙間隙提取腔組成，整個(gè)器件關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。該方案在原有的速調(diào)型相對(duì)論返波振蕩器（relativisticbackward?wave?oscillator，rbwo）的基礎(chǔ)上引入輸入腔和同軸波導(dǎo)，將外部信號(hào)牽引到rbwo二極管區(qū)域和束-波作用區(qū)域之間，以便對(duì)電子束進(jìn)行相位牽引，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)器件輸出微波的相位鎖定。但是速調(diào)型rbwo為了提高效率，注入腔和諧振反射腔均需要對(duì)電子束進(jìn)行強(qiáng)烈的預(yù)調(diào)制，注入到注入腔的外部信號(hào)需要較高的功率才能避免其被自激振蕩產(chǎn)生強(qiáng)射頻場的信號(hào)所掩蓋。盡管如此，這種結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)頻率鎖定，只有當(dāng)外部信號(hào)頻率與自由運(yùn)行的速調(diào)型rbwo輸出工作頻率相差15mhz以內(nèi)時(shí)，該器件可輸出相位可控、功率為10gw的微波。但是此時(shí)所需的外部信號(hào)功率高達(dá)10mw，對(duì)外部種子源的功率要求非常高，實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，且該類速調(diào)型rbwo所需磁場通常大于2t，致使勵(lì)磁能耗非常大。
5、2023年，電子科技大學(xué)的李天明等人研究了一種用于相干合成的具有方位均勻耦合結(jié)構(gòu)的全腔提取（all-cavity-extraction,?ace）鎖相相對(duì)論磁控管（relativisticmagnetrons，rm）【renjie?cheng,renzhen?xiao,?tianming?li,?et?al.?phase-lockedall-cavity-extraction?relativistic?magnetrons?withazimuth-uniform?couplingstructure?for?coherent?combining?applications[j].?ieeetransactions?onelectron?devices,?2023,?vol.?70,?no.?11,?pp.?5890-5896】（下文簡稱為現(xiàn)有技術(shù)3，如圖3、圖4所示）。該結(jié)構(gòu)由陰極、陽極、磁場、耦合環(huán)、耦合端口、扇形波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)組成。中央ace-rm（rm?#1）的四個(gè)耦合端口將微波信號(hào)從扇形波導(dǎo)耦合出來，并通過耦合環(huán)將這些信號(hào)傳輸?shù)剿膫€(gè)外圍的ace-rm（rm?#2-5）。通過這種方式，中央ace-rm能夠與外圍ace-rm進(jìn)行能量耦合，從而實(shí)現(xiàn)頻率和相位的鎖定。仿真結(jié)果顯示，五個(gè)rm之間實(shí)現(xiàn)了有效的相位鎖定，相對(duì)相位抖動(dòng)控制在±1%以內(nèi)，各rm在啟動(dòng)后30?ns內(nèi)完成頻率鎖定，穩(wěn)定在2.302ghz。但是rm工作頻率通常較低，在高頻段時(shí)其功率容量受到限制，難以滿足高頻段的應(yīng)用需求。同時(shí)，其陰極壽命有限，使得設(shè)備的長期穩(wěn)定性受到影響。
6、目前，通過注入外部信號(hào)（種子源信號(hào)）可實(shí)現(xiàn)rka的鎖頻鎖相和牽引鎖相振蕩器的鎖相，但固態(tài)小型種子源的研發(fā)仍需突破，以提升系統(tǒng)緊湊性。互鎖型磁控管雖然不需要外部種子源，但是其陰極壽命有限，影響設(shè)備的長期穩(wěn)定性。此外，rm在高頻段受到功率容量和模式競爭等因素的限制，鎖頻鎖相rm的研究多集中于l、s或c等低頻段，在x等較高頻段時(shí)的輸出較低。因此，亟需開發(fā)一種不本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于通道互耦機(jī)制的鎖頻鎖相相對(duì)論切倫科夫振蕩器，其特征在于：所述振蕩器包括第一振蕩器(A)、第二振蕩器(B)和矩形波導(dǎo)(313)；第一振蕩器(A)由第一陰極座(301A)、第一陰極(302A)、第一陽極筒(303A)、第一反射腔(304A)、第一漂移段(305A)、第一非周期慢波結(jié)構(gòu)(306A)、第一耦合槽(307A)、第一耦合波導(dǎo)(308A)、第一提取腔(309A)、第一收集極(310A)、第一輸出波導(dǎo)(311A)、第一螺線管磁場(312A)組成，?第二振蕩器(B)由第二陰極座(301B)、第二陰極(302B)、第二陽極筒(303B)、第二反射腔(304B)、第二漂移段(305B)、第二非周期慢波結(jié)構(gòu)(306B)、第二耦合槽(307B)、第二耦合波導(dǎo)(308B)、第二提取腔(309B)、第二收集極(310B)、第二輸出波導(dǎo)(311B)、第二螺線管磁場(312B)組成；第一陰極座(301A)和第二陰極座(301B)的左端均外接脈沖驅(qū)動(dòng)源的陽極，第一陽極筒(303A)和第二陽極筒(303B)的左端均外接脈沖驅(qū)動(dòng)源的外導(dǎo)體，第一輸出波導(dǎo)(311A)和第二輸出波導(dǎo)(311B)的
2.?根據(jù)權(quán)利要求1所述基于通道互耦機(jī)制的鎖頻鎖相相對(duì)論切倫科夫振蕩器，其特征在于：第一陰極(302A)是一個(gè)薄壁圓筒，半徑R1等于電子束半徑，套在第一陰極座(301A)右端；第一陽極筒(303A)為一個(gè)圓柱筒，分為兩段：一段為內(nèi)半徑R20，長L35內(nèi)壁光滑的圓柱筒，另一段為最大內(nèi)半徑R2，最小內(nèi)半徑R5內(nèi)壁不規(guī)則的圓柱筒，L35的取值為工作波長λ的2-2.3倍，滿足R20>?R2>?R5；第一反射腔(304A)由一個(gè)圓盤狀空腔、兩個(gè)梯形臺(tái)階和兩個(gè)梯形圓環(huán)形空腔組成：圓盤狀空腔半徑為R2，長度為L1，L1的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，第一個(gè)梯形臺(tái)階的下底邊長為L2，下底半徑為R3，斜邊寬度為L3，L2的取值為工作波長λ的0.03-0.1倍，L3的取值為工作波長λ的0.05-0.1倍，第一個(gè)梯形圓環(huán)空腔的上底寬L4，上底半徑為R4，斜邊寬度為L5，L4的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，L5的取值為工作波長λ的0.05-0.1倍，第二個(gè)梯形臺(tái)階的下底邊長為L6，下底半徑為R5，斜邊寬度為L3，L6的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，第二個(gè)梯形圓環(huán)空腔的上底寬L7，上底半徑為R6，斜邊寬度為L8，L7的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，L8的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，滿足R3>R5，R4>R6；第一漂移段(305A)長度為L9，半徑為R7，L9取值為工作波長λ的0.6-0.8倍，滿足R7=R3；第一非周期慢波結(jié)構(gòu)(306A)由八個(gè)慢波葉片組成，每個(gè)慢波葉片均由一個(gè)梯形圓環(huán)空腔和一個(gè)梯形臺(tái)階組成：第一個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為L10，上底寬L11，上底半徑為R4，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為L7，下底長為L12，下底半徑為R7，L10的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，L11的取值為工作波長λ的0.08-0.15倍，L12取值為工作波長λ的0.3-0.5倍；第二個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為L2，上底寬L13，上底半徑為R8，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為L8，下底長為L7，下底半徑為R9，L13取值為工作波長λ的0.2-0.4倍，滿足R8>R4，R7>R9>R5；第三個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為L3，上底寬L14，上底半徑為R10，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為L8，下底長為L11，下底半徑為R9，L14取值為工作波長λ的0.1-0.2倍；第四個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為L15，上底寬L5，上底半徑為R10，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為L16，下底長為L3，下底半徑為R11，L15的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，L16的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，滿足R11=R5；第五個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為L3，上底寬L7，上底半徑為R12，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為L3，下底長為L17，下底半徑為R11，L17的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，滿足R6>R12>R10；第六個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為L2，上底寬L18，上底半徑為R13，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為L2，下底長為L14，下底半徑為R11，L18的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，滿足R10>?R13；第七個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為L19，上底寬L9，上底半徑為R4，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為L7，下底長為L20，下底半徑為R11，...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于通道互耦機(jī)制的鎖頻鎖相相對(duì)論切倫科夫振蕩器，其特征在于：所述振蕩器包括第一振蕩器(a)、第二振蕩器(b)和矩形波導(dǎo)(313)；第一振蕩器(a)由第一陰極座(301a)、第一陰極(302a)、第一陽極筒(303a)、第一反射腔(304a)、第一漂移段(305a)、第一非周期慢波結(jié)構(gòu)(306a)、第一耦合槽(307a)、第一耦合波導(dǎo)(308a)、第一提取腔(309a)、第一收集極(310a)、第一輸出波導(dǎo)(311a)、第一螺線管磁場(312a)組成，?第二振蕩器(b)由第二陰極座(301b)、第二陰極(302b)、第二陽極筒(303b)、第二反射腔(304b)、第二漂移段(305b)、第二非周期慢波結(jié)構(gòu)(306b)、第二耦合槽(307b)、第二耦合波導(dǎo)(308b)、第二提取腔(309b)、第二收集極(310b)、第二輸出波導(dǎo)(311b)、第二螺線管磁場(312b)組成；第一陰極座(301a)和第二陰極座(301b)的左端均外接脈沖驅(qū)動(dòng)源的陽極，第一陽極筒(303a)和第二陽極筒(303b)的左端均外接脈沖驅(qū)動(dòng)源的外導(dǎo)體，第一輸出波導(dǎo)(311a)和第二輸出波導(dǎo)(311b)的右端分別連接模式轉(zhuǎn)換器和天線，矩形波導(dǎo)?(313)?的一端與第一耦合波導(dǎo)(308a)的出口相連接，另一端與第二耦合波導(dǎo)?(308b)的出口連接；
2.?根據(jù)權(quán)利要求1所述基于通道互耦機(jī)制的鎖頻鎖相相對(duì)論切倫科夫振蕩器，其特征在于：第一陰極(302a)是一個(gè)薄壁圓筒，半徑r1等于電子束半徑，套在第一陰極座(301a)右端；第一陽極筒(303a)為一個(gè)圓柱筒，分為兩段：一段為內(nèi)半徑r20，長l35內(nèi)壁光滑的圓柱筒，另一段為最大內(nèi)半徑r2，最小內(nèi)半徑r5內(nèi)壁不規(guī)則的圓柱筒，l35的取值為工作波長λ的2-2.3倍，滿足r20>?r2>?r5；第一反射腔(304a)由一個(gè)圓盤狀空腔、兩個(gè)梯形臺(tái)階和兩個(gè)梯形圓環(huán)形空腔組成：圓盤狀空腔半徑為r2，長度為l1，l1的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，第一個(gè)梯形臺(tái)階的下底邊長為l2，下底半徑為r3，斜邊寬度為l3，l2的取值為工作波長λ的0.03-0.1倍，l3的取值為工作波長λ的0.05-0.1倍，第一個(gè)梯形圓環(huán)空腔的上底寬l4，上底半徑為r4，斜邊寬度為l5，l4的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，l5的取值為工作波長λ的0.05-0.1倍，第二個(gè)梯形臺(tái)階的下底邊長為l6，下底半徑為r5，斜邊寬度為l3，l6的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，第二個(gè)梯形圓環(huán)空腔的上底寬l7，上底半徑為r6，斜邊寬度為l8，l7的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，l8的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，滿足r3>r5，r4>r6；第一漂移段(305a)長度為l9，半徑為r7，l9取值為工作波長λ的0.6-0.8倍，滿足r7=r3；第一非周期慢波結(jié)構(gòu)(306a)由八個(gè)慢波葉片組成，每個(gè)慢波葉片均由一個(gè)梯形圓環(huán)空腔和一個(gè)梯形臺(tái)階組成：第一個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為l10，上底寬l11，上底半徑為r4，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為l7，下底長為l12，下底半徑為r7，l10的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，l11的取值為工作波長λ的0.08-0.15倍，l12取值為工作波長λ的0.3-0.5倍；第二個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為l2，上底寬l13，上底半徑為r8，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為l8，下底長為l7，下底半徑為r9，l13取值為工作波長λ的0.2-0.4倍，滿足r8>r4，r7>r9>r5；第三個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為l3，上底寬l14，上底半徑為r10，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為l8，下底長為l11，下底半徑為r9，l14取值為工作波長λ的0.1-0.2倍；第四個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為l15，上底寬l5，上底半徑為r10，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為l16，下底長為l3，下底半徑為r11，l15的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，l16的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，滿足r11=r5；第五個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為l3，上底寬l7，上底半徑為r12，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為l3，下底長為l17，下底半徑為r11，l17的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，滿足r6>r12>r10；第六個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為l2，上底寬l18，上底半徑為r13，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為l2，下底長為l14，下底半徑為r11，l18的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，滿足r10>?r13；第七個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為l19，上底寬l9，上底半徑為r4，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為l7，下底長為l20，下底半徑為r11，l19的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，l20的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，滿足r14=?r6；第八個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔的斜邊寬度為l2，上底寬l21，上底半徑為r15，梯形臺(tái)階的斜邊寬度為l2，下底長為l22，下底半徑為r16，l21的取值為工作波長λ的0.1-0.2倍，l22的取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，滿足r15=?r10，r16=?r9。
3.?根據(jù)權(quán)利要求1所述基于通道互耦機(jī)制的鎖頻鎖相相對(duì)論切倫科夫振蕩器，其特征在于：第一耦合槽(307a)為一個(gè)加載在第六個(gè)慢波葉片的梯形圓環(huán)空腔上底處的矩形波導(dǎo)孔，窄邊長為l28，寬邊長為l29，用于將慢波結(jié)構(gòu)中的微波信號(hào)引導(dǎo)至第一耦合波導(dǎo)(308a)；第一耦合波導(dǎo)(308a)加載在第一...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陽福香，黃玥玥，黨方超，葛行軍，張鵬，鄧如金，李家文，張珂嘉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國人民解放軍國防科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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