一种紧凑型高效率轴向衍射输出磁控管

1.本发明属于真空电子器件中的微波源技术领域，特别涉及一种紧凑型高效率轴向衍射输出磁控管。


背景技术：

2.随着电子技术的发展，半导体器件在低功率、低频率、低电压较真空器件有优势，但在高功率的电真空器件应用中，磁控管仍然有绝对的优势，一般作为电磁干扰武器或者大功率雷达的信号源。为了提取出磁控管中振荡的能量，传统方式是采用工字型波导阻抗变换引出，但这种方式效率较低，输出功率不能太高，能量损耗严重。采用轴向衍射结构输出的磁控管能够提供较大功率，并且效率很高。在满足腔体数规定的前提下，经过优化，电子效率可以大幅提升，且输出能量满足大功率微波系统的要求。
3.衍射输出磁控管的实现主要是靠电子和电磁波相互作用，产生高功率信号源后，通过特定的边界结构，将电磁波信号输出，在磁控管谐振腔内部为π模振荡信号，通过衍射结构的边界变换后，根据衍射腔体的大小和数量的不同，会渐变为圆波导中相应的te模式，可以提供给下一级系统所使用，兼具高效、紧凑的特点。因其具有高功率、高效率的特点，目前国内的衍射输出应用主要还是在雷达系统和微波杀伤武器领域。
4.高功率微波源器件的小型化和紧凑化是当前高功率微波技术的重要发展方向之一，具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长和可重频运行等特点的衍射输出磁控管是满足微波系统小型化和紧凑化的重要器件之一。现阶段，对衍射输出磁控管的研究还集中在频率较低波段，高频段如x波段的微波，具有波长短、波束窄和定向性好等特点，因此，轴向衍射输出磁控管的研究扩展到更高频段也是一个重要的研究方向。但是在现有公开文献中，衍射输出磁控管多集中在低频段，电子效率相对非衍射输出并没有太大的提高，且常出现阴阳极打火短路问题，在长时间工作状态下不稳定，导致与下级系统耦合程度不高。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种紧凑型高效率轴向衍射输出磁控管。在传统的磁控管结构基础上，增加了渐变形式的衍射结构将能量轴向输出，一方面能够通过扇形谐振腔获得较大的功率，另外一方面通过衍射结构将谐振腔中的π模电磁波信号转换为目标模式信号，实现了较传统径向输出方式更高的电子效率和输出功率。
6.本发明采用的技术方案为：
7.一种紧凑型高效率轴向衍射输出磁控管，包括：阳极结构、阴极结构、衍射结构；
8.所述阳极结构，包括：圆筒形的阳极外壳、14个扇形阳极叶片；所述扇形阳极叶片沿圆周均匀设置于阳极外壳内壁，扇形阳极叶片内部的圆柱腔体区域为互作用区，相邻两扇形阳极叶片之间的缝隙为扇形腔；
9.所述阴极结构，包括：同轴且依次连接的阴极端部、上游阴极端帽、热阴极发射体、下游阴极端帽；
10.其特征在于，所述衍射结构，包括：衍射段外壳、圆台形腔体、14个扇形渐变腔；
11.其中，所述衍射段外壳与阳极外壳轴向连接，其内部为圆台形腔体；
12.所述圆台形腔体的上底面一侧与互作用区域连通，另一侧为轴向衍射输出端口；
13.所述扇形渐变腔为扇形腔的轴向延伸，其内侧与圆台形腔体连通；
14.14个所述扇形渐变腔包括n1个大扇形渐变腔和n2个小扇形渐变腔；其中小扇形渐变腔的外半径与扇形腔的外半径相同；大扇形渐变腔的外半径沿轴向先线性增大至与圆台形腔体的下底面半径相同，再保持半径不变延伸至圆台形腔体的下底面；
15.大扇形渐变腔的数量n2为2或7或14，当大扇形渐变腔的数量为2时，两个大扇形渐变腔关于中轴线对称设置，最终输出模式为te
11
模式；当大扇形渐变腔的数量为7时，大扇形渐变腔和小扇形渐变腔交错设置，最终输出模式为te
01
模式；当大扇形渐变腔的数量为14时，最终输出模式为te
71
模式。
16.进一步地，所述圆台形腔体的母线与中轴线之间的夹角α的取值范围为12.3
°‑
15.1
°
。
17.进一步地，所述大扇形渐变腔的外半径沿轴向先线性增大的部分其倾斜角β的取值范围为28.9
°‑
32.5
°
。
18.进一步地，所述阴极结构还包括：阴极保护罩；所述阴极保护罩同轴设置于阴极端部的外侧；所述阴极保护罩由圆台形壳体和圆环形挡片组成，所述圆环形挡片的外侧面与阳极外壳连接，内侧与圆台形壳体半径较大的一侧光滑连接。
19.工作时，电流从阴极端部流入，激励热阴极发射体发射出电子，阳极与阴极间加载径向高电压和轴向磁场的情况下，发射出的电子将会在互作用空间中做动功，同时电子与阳极叶片周期结构所产生的高频场中的π模相互作用，将能量交给高频场，实现电势能转化为高频场能量。在阳极腔体中振荡的π模信号经过衍射结构转换成为目标te模后，可以选择下一级接入圆波导定向提取，也可以将衍射结构直接作为辐射信号源进行辐射。相对于传统径向提取输出能量的方式，本发明采用衍射结构和磁控管直接耦合输出，在总体积上至少可以降低30％，同时亦提升了电子转换效率；同时，由于是紧凑输出，加工难度也大为减小，能够在总体上降低成本。
附图说明
20.图1为本发明实施例的阴极结构示意图；
21.图2为本发明实施例阳极结构的截面图；
22.图3为本发明实施例衍射结构的正面直视图；
23.图4为本发明实施例的衍射结构剖面图；
24.图5为本发明实施例的整体结构侧视剖面图；
25.图6为本发明实施例整体结构示意图；
26.图7为本发明实施例的内部腔体结构示意图；
27.附图标记说明：1.阴极结构，2.阳极结构，3.衍射结构，1-1.下游阴极端帽，1-2.热阴极发射体，1-3.上游阴极端帽，1-4.阴极端部，1-5.圆台形壳体，1-6.圆环形挡片，2-1.扇形腔，2-2.扇形阳极叶片，2-3.阳极外壳，2-4.互作用区，3-1.大扇形渐变腔，3-2.小扇形渐变腔，3-3.衍射段外壳，3-4.圆台形腔体。
具体实施方式
28.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
29.本实施例的一种紧凑型高效率轴向衍射输出磁控管，工作中心频率为5.8ghz，如图1-7所示，包括：阳极结构、阴极结构、衍射结构；
30.所述阳极结构，包括：圆筒形的阳极外壳、14个扇形阳极叶片；其中，阳极外壳的内半径ra1为14.8mm；所述扇形阳极叶片沿圆周均匀设置于阳极外壳内壁，阳极叶片的高度ha为20.3mm，叶缝比为1.78：1；扇形阳极叶片内部的圆柱腔体区域为互作用区，相邻两扇形阳极叶片之间的缝隙为扇形腔，互作用区的半径ra为5.25mm。
31.所述阴极结构，如图1所示，包括：同轴且依次连接的阴极端部、上游阴极端帽、热阴极发射体、下游阴极端帽，半径分别为3.26mm，3.76mm，3.26mm，3.76mm；还包括阴极保护罩；所述阴极保护罩同轴设置于阴极端部的外侧；所述阴极保护罩由圆台形壳体和圆环形挡片组成，所述圆环形挡片的外侧面与阳极外壳连接，内侧与圆台形壳体半径较大的一侧光滑连接，圆台形壳体的上底面内半径为4.5mm，下底面内半径为5.5mm。
32.所述衍射结构，包括：衍射段外壳、圆台形腔体、14个扇形渐变腔。
33.其中，所述衍射段外壳与阳极外壳轴向连接，其内部为圆台形腔体，圆台形腔体的上底面半径为5.25mm，下底面半径为18.62mm，高l_do为56.5mm，倾斜角α为13.8
°
。
34.所述圆台形腔体的上底面一侧与互作用区域连通，另一侧轴向衍射输出端口。
35.所述扇形渐变腔为扇形腔的轴向延伸，其内侧与圆台形腔体连通。
36.14个所述扇形渐变腔包括n1个大扇形渐变腔和n2个小扇形渐变腔；其中小扇形渐变腔的外半径与扇形腔的外半径相同；大扇形渐变腔的外半径沿轴向先线性增大(倾斜角β为29.8
°
)至与圆台形腔体的下底面半径相同，再保持半径不变延伸至圆台形腔体的下底面。
37.当大扇形渐变腔的数量为2时，如图3(c)所示，两个大扇形渐变腔关于中轴线对称设置，最终输出模式为te11模式；当大扇形渐变腔的数量为7时，如图3(b)所示，大扇形渐变腔和小扇形渐变腔交错设置，最终输出模式为te01模式；当大扇形渐变腔的数量为14时，如图3(a)所示，最终输出模式为te71模式。
38.本发明在同腔结构的磁控管基础上进行改进，通过增加渐变形式的衍射结构，在改变磁控管中的电磁波信号模式到目标信号模式基础上，也改善了磁控管同下级系统的耦合程度，增加了横向场的均匀性，同时由于外部输出波导的限制，在一定程度上也增加了输出频率分隔度。较大的频率分隔可以抑制竞争频率，横向场均匀性一定程度也影响电子和场的互作用。相较于传统磁控管输出，衍射结构和磁控管的紧凑耦合，减少了体积大小的同时亦提升了电子转换效率，兼顾生产加工的便利性。