【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及高功率微波的微波源器件，具體涉及一種帶低q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，屬于高功率微波。
技術(shù)介紹
1、高功率微波通常指峰值功率大于100mw、頻率在1ghz~300ghz之間的電磁波，伴隨著脈沖功率技術(shù)、等離子體物理學(xué)及電真空技術(shù)的發(fā)展，高功率微波技術(shù)是一個(gè)隨之興起的研究領(lǐng)域，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)衛(wèi)星、電子高能射頻加速器、遙感及輻射測(cè)量等眾多領(lǐng)域。
2、近幾年，高功率微波技術(shù)在功率、重頻及壽命等方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。目前，高功率微波正處于走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期，其研究方向逐漸側(cè)重于效率提升、輕量化和模塊化設(shè)計(jì)等。永磁封裝高功率微波源因具有輸出穩(wěn)定、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。高功率微波源是產(chǎn)生高功率微波輻射的核心部件，基于強(qiáng)流電子束與諧振腔的互作用來(lái)產(chǎn)生高功率微波，高質(zhì)量的強(qiáng)流電子束是高效率束波互作用的基礎(chǔ)。然而，弱磁場(chǎng)下電子束的空間電荷效應(yīng)影響加劇，往往導(dǎo)致微波源器件工作效率難以提升。為了解決這一問(wèn)題，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。
3、相對(duì)論速調(diào)管振蕩器是工作在弱磁場(chǎng)的器件，研究人員已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，2024年，國(guó)防科技大學(xué)鄧如金等人報(bào)道一篇x波段同軸相對(duì)論速調(diào)管振蕩器【dengrujin,?li?zhimin,?ge?xingjun,?dang?fangchao,?zhang?peng,?qianbaoliang.analysis?and?suppression?of?mode?competition?in?a?relativisticklystron
4、2022年，國(guó)防科技大學(xué)張鵬等人報(bào)道了一篇x波段低磁場(chǎng)同軸相對(duì)論速調(diào)管振蕩器【zhang?peng,?dang?fangchao,?ge?xingjun?et?al.?an?x-band?high-power?andhigh-efficiencycoaxial?relativistic?klystron?oscillator?with?four-gap?buncherand?three-gap?extractor?[j].?physics?of?plasmas,?2022,?vol.29(9):?093101】（如圖2所示）。該結(jié)構(gòu)由螺旋管磁場(chǎng)、陰極、調(diào)制腔、提取腔、收集極組成。其采用的調(diào)制腔的外部品質(zhì)因子（q值）為1611（高于1000），屬于高q值調(diào)制腔。在0.48?t磁場(chǎng)強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)42%工作效率，輸出功率4.2?gw。
5、分析上述研究不難看出，在當(dāng)前的研究中，磁場(chǎng)強(qiáng)度通常高于0.4?t，轉(zhuǎn)換效率難以突破50%，且調(diào)制腔往往工作在高q值（＞1000）情況下。因此，亟需研究一種能工作在低q值（＜500）、弱磁場(chǎng)（＜0.4?t）條件下的高轉(zhuǎn)換效率（≥50%）的高功率微波器件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問(wèn)題是：本專利技術(shù)提出一種帶低q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，克服高功率微波器件在弱磁場(chǎng)下工作效率難以突破50%的困難，具有起振時(shí)間快、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
2、本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：
3、一種帶低q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，包括陰極座1、陰極2、陽(yáng)極外筒3、反射腔4、調(diào)制腔5、提取腔6、梯形收集極7、輸出波導(dǎo)8、內(nèi)筒9、螺線管磁場(chǎng)10，整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線oo’旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。所述相對(duì)論速調(diào)管振蕩器一端連接脈沖功率源，另一端連接輻射系統(tǒng)。定義連接脈沖功率源的一端為相對(duì)論速調(diào)管振蕩器的左端，連接輻射系統(tǒng)的一端為相對(duì)論速調(diào)管振蕩器的右端；
4、陰極2為薄壁圓筒，壁厚為2mm，嵌套安裝于陰極座1上，外半徑為r15，內(nèi)半徑為r1，r15＞r1，陽(yáng)極外筒3由兩段半徑不一致的圓柱筒組成，其中左端靠近陰極一側(cè)的圓柱筒內(nèi)半徑為r2。反射腔4左端與一個(gè)外半徑為r16，內(nèi)半徑為r3，寬l1的圓環(huán)形空腔相連，l1取值為工作波長(zhǎng)λ的0.2-0.3倍。反射腔4為一個(gè)外半徑為r17，內(nèi)半徑為r4的圓環(huán)形空腔，r17＞r16＞r3＞r4，寬l2，l2取值為工作波長(zhǎng)λ的0.5-0.7倍，反射腔4的所有參數(shù)均需要根據(jù)工作波長(zhǎng)λ在電磁場(chǎng)仿真軟件（例如chipic）中進(jìn)行整體優(yōu)化。反射腔4與調(diào)制腔5之間是一個(gè)外半徑為r16，內(nèi)半徑為r3，寬l3的圓環(huán)形空腔，l3取值為工作波長(zhǎng)λ的0.4-0.6倍。調(diào)制腔5由四個(gè)橫截面均為矩形的圓環(huán)形空腔組成，四個(gè)圓環(huán)形空腔的外半徑均為r18，內(nèi)半徑均為r5，r18＞r5；第一個(gè)圓環(huán)形空腔寬l4，第二個(gè)圓環(huán)形空腔寬l6，第三個(gè)圓環(huán)形空腔寬l8，第四個(gè)圓環(huán)形空腔寬l10，l4、l6、l8和l10取值為工作波長(zhǎng)λ的0.2-0.5倍；外筒上四個(gè)圓環(huán)形空腔之間的間隔從左到右依次為l5、l7和l9，半徑依次為r19、r20和r21，r21＞r19=r20，l5、l7和l9取值為工作波長(zhǎng)λ的0.1-0.3倍；內(nèi)筒9上四個(gè)圓環(huán)形空腔之間的間隔與外筒保持一致，半徑從左到右依次為r6、r7和r8，r8＞r6＞r7。調(diào)制腔5與提取腔6之間是一個(gè)外半徑為r22，內(nèi)半徑為r9，寬l11的圓環(huán)形空腔，l11取值為工作波長(zhǎng)λ的0.4-0.6倍；r9的取值會(huì)影響調(diào)制腔5的q值，通過(guò)調(diào)節(jié)r9的大小可以實(shí)現(xiàn)低q值（＜500）的調(diào)制腔設(shè)計(jì)。提取腔6由三個(gè)橫截面均為矩形的圓環(huán)形空腔組成，從左往右第一個(gè)、第二個(gè)和第三個(gè)圓環(huán)形空腔的內(nèi)半徑相同，均為r10，第一個(gè)圓環(huán)形空腔的外半徑為r23，第二個(gè)與第三個(gè)圓環(huán)形空腔的外半徑相同，均為r25，r23＞r25＞r10，第一個(gè)與第二個(gè)圓環(huán)形空腔均寬l12，第三個(gè)圓環(huán)形空腔寬l15，l12與l15取值為工作波長(zhǎng)λ的0.1-0.3倍；外筒上三個(gè)圓環(huán)形空腔的間隔分別為l13與l14，半徑從左到右分別為r24和r26，r26＞r24，l13與l14取值為工作波長(zhǎng)λ的0.1-0.2倍；內(nèi)筒上三個(gè)圓環(huán)形空腔的間隔與外筒保持一致，半徑均為r11。梯形收集極7是一個(gè)橫截面為直角梯形的圓環(huán)形空腔，上底面的半徑為r28，長(zhǎng)l16，下底面的半徑為r27，斜邊在中心線oo’上的投影長(zhǎng)度為l17，l16和l17根據(jù)電子束轟擊位置和磁場(chǎng)位形在電磁場(chǎng)仿真軟件（例如chipic）中綜合設(shè)計(jì)。輸出波導(dǎo)8由兩段組成：一段為一個(gè)橫截面為直角梯形的圓環(huán)形空腔，一段為橫截面為矩形的圓環(huán)形空腔，橫截面為直角梯形的圓環(huán)形空腔其斜邊在中心線oo’上的投影長(zhǎng)度為l18，l18取值為工作波長(zhǎng)λ的0.1-0.3倍，橫截面為矩形的圓環(huán)形空腔的外半徑為r12，內(nèi)半徑為r13，r12＞r13；內(nèi)筒9由兩段半徑不一致的圓柱體組成，其中靠近左端陰極的一側(cè)為最大半徑為r9的圓柱，上面加工有各種本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種帶低Q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：包括陰極座(1)、陰極(2)、陽(yáng)極外筒(3)、反射腔(4)、調(diào)制腔(5)、提取腔(6)、梯形收集極(7)、輸出波導(dǎo)(8)、內(nèi)筒(9)、螺線管磁場(chǎng)(10)，整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線OO’旋轉(zhuǎn)對(duì)稱；所述相對(duì)論速調(diào)管振蕩器一端連接脈沖功率源，另一端連接輻射系統(tǒng)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶低Q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：陰極(2)壁厚為2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述帶低Q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：陰極(2)采用石墨材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶低Q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：所述調(diào)制腔(5)的外部品質(zhì)因子與R9的取值成反比關(guān)系，當(dāng)調(diào)制腔(5)與提取腔(6)之間圓環(huán)形空腔的內(nèi)半徑接近腔體中心距離時(shí)，調(diào)制腔(5)的外部品質(zhì)因子降低；同時(shí)需考慮電子束包絡(luò)的影響，避免電子束包絡(luò)在弱電磁環(huán)境下刮擦器件內(nèi)筒(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶低Q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：為降低表面
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶低Q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：所述電磁場(chǎng)仿真軟件為CHIPIC。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述帶低Q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：工作頻率為10.22?GHz，對(duì)應(yīng)微波波長(zhǎng)λ=2.99?cm的相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，相應(yīng)的尺寸設(shè)計(jì)為：R1=34?mm，R2=63?mm，R3=30?mm，R4=22?mm，R5=27?mm，R6=29.5?mm，R7=29mm，R8=31?mm，R9=31?mm，R10=25.5?mm，R11=29?mm，R12=28.5?mm，R13=22.5?mm，R14=26.5?mm，R15=36?mm，R16=40?mm，R17=44?mm，R18=45?mm，R19=39?mm，R20=39?mm，R21=40?mm，R22=41?mm，R23=47.5?mm，R24=39.5?mm，R25=46.5?mm，R26=41?mm，R27=31?mm，R28=39?mm，L1=8?mm，L2=20?mm，L3=15?mm，L4=10.5?mm，L5=6?mm，L6=6?mm，L7=7?mm，L8=6.5?mm，L9=5.5?mm，L10=9?mm，L11=15.5mm，L12=6?mm，L13=5?mm，L14=5.5?mm，L15=5.5?mm，L16=29.5?mm，L17=20?mm，L18=8?mm，L19=17mm，L20=34?mm，L21=3.5?mm。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種帶低q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：包括陰極座(1)、陰極(2)、陽(yáng)極外筒(3)、反射腔(4)、調(diào)制腔(5)、提取腔(6)、梯形收集極(7)、輸出波導(dǎo)(8)、內(nèi)筒(9)、螺線管磁場(chǎng)(10)，整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線oo’旋轉(zhuǎn)對(duì)稱；所述相對(duì)論速調(diào)管振蕩器一端連接脈沖功率源，另一端連接輻射系統(tǒng)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶低q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：陰極(2)壁厚為2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述帶低q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：陰極(2)采用石墨材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶低q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：所述調(diào)制腔(5)的外部品質(zhì)因子與r9的取值成反比關(guān)系，當(dāng)調(diào)制腔(5)與提取腔(6)之間圓環(huán)形空腔的內(nèi)半徑接近腔體中心距離時(shí)，調(diào)制腔(5)的外部品質(zhì)因子降低；同時(shí)需考慮電子束包絡(luò)的影響，避免電子束包絡(luò)在弱電磁環(huán)境下刮擦器件內(nèi)筒(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶低q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：為降低表面電場(chǎng)，在所有凸起的拐角處均做倒角處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶低q值調(diào)制腔的弱磁場(chǎng)高效率相對(duì)論速調(diào)管振蕩器，其特征在于：所述電磁場(chǎng)仿真軟件為chipic。
<...【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：葛行軍，鄧如金，黨方超，錢(qián)寶良，李志敏，張鵬，陽(yáng)福香，胡曉冬，張珂嘉，周文剛，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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