一种基于两级调制与分布式提取的K波段渡越时间振荡器

本发明涉及高功率微波的微波源器件，尤其涉及一种基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器。

背景技术：

1、高功率微波(high power microwave,hpm)通常的定义是峰值功率超过100mw，波长在1mm～1m(即频率在300mhz～300ghz)之间的电磁波。上世纪七十年代，脉冲功率技术迅速发展，数百千伏电压和数十千安电流的强流相对论电子束得以产生，将其应用于传统真空电子微波器件，使得产生功率超过百兆瓦的hpm成为可能。同时在相对论真空电子学和等离子体物理等学科的深入研究，为hpm的产生提供了理论支撑。

2、高功率微波源是产生高功率微波辐射的核心部件，是利用强流电子束与谐振腔的互作用来产生高功率微波的。渡越时间振荡器是利用强流电子束与谐振腔中的本征驻波场进行能量交换的，具有高功率、高效率以及工作模式单一等特点，受到研究人员的广泛关注。

3、k波段是指频率在18～26ghz(相应的波长为11.54～16.67mm)这一频段中的电磁波，属于毫米波范畴。相对于低频段微波，k波段微波具有频谱范围宽、波束窄、直线传播、全天候工作、辐射天线增益高等优点，目前已经被广泛用于通讯、雷达、遥感等众多领域。因此发展k波段高功率微波技术是十分有前景的。但是目前研究的波段主要集中在l、s、c、x、ku、ka等频段，而关于k波段的公开成果则鲜有报道。

4、在毫米波段，器件内部作用空间较小，功率容量有限，从而限制了这些传统的微波管在高功率毫米波段内的应用。因此提高输出效率的同时，增大高频段器件的功率容量成为了亟待解决的问题。同轴渡越时间振荡器由于引入了内导体，提高了电子束势能，增大了器件的功率容量；且同轴结构还具有同时等距地增大内外导体半径，保持器件特性不变的特点，被广泛的用在高频段器件中。例如，目前公开了一种c波段低磁场高效率同轴高功率微波振荡器，参见现有技术1：【邓如金.c波段低磁场高效率同轴高功率微波振荡器研究[d].长沙：国防科技大学，2021】。其结构如图1所示，由环形阴极101、第一调制腔102、漂移段103、第二级调制腔104、单间隙内提取腔105、收集极106、同轴输出波导107和磁场108组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案通过引入两级调制结构实现基波电流的深度调制。为了便于收集极的冷却，采用内提取的方式输出微波，最终在二极管电压600kv，电流15ka，外加导引磁场0.5t的条件下，实现了3.65gw的微波输出，频率4.31ghz，效率40％。可以看到该结构输出效率很高，但应用频段比较低。

5、另外现有的高频段同轴渡越时间振荡器虽然输出效率已经很高，但输出功率往往偏低。例如，目前已进行了ka波段高功率同轴渡越时间振荡器的研究，参见现有技术2：【宋莉莉.ka波段高功率同轴渡越时间振荡器的研究[d].长沙：国防科技大学，2018】。该结构如图2所示，由环形阴极201、前置反射腔202、调制腔203、漂移段204、提取腔205、同轴输出波导206和磁场207组成，整个器件关于中心旋转对称。该结构通过四间隙调制腔提高基波电流调制深度，然后采用单间隙提取腔提取微波，最终在447kv，7.4ka，导引磁场0.6t的条件下，实现了1.27gw的微波输出，效率为38.5％，输出微波频率26.2ghz。可以看到该器件虽然输出频率高，但输出功率、效率仍有提升空间。而输出功率偏高的器件，实验可行性却很小。此外，目前也已经进行了紧凑轻小型ku波段长脉冲渡越时间振荡器研究，参见现有技术3：【徐伟力.紧凑轻小型ku波段长脉冲渡越时间振荡器研究[d].长沙：国防科技大学，2020】。该结构如图3所示，由环形阴极301、前置反射器302、调制腔303、漂移段304、提取腔305、弯曲收集极306和同轴输出波导307组成，整个器件关于中心旋转对称。该结构通过轴向渐变弯曲的方式，结合了轴向易于实现与径向功率容量大的特点，实现了在电压620kv，电流13.3ka，外加导引磁场1t的条件下，输出功率3.37gw，微波频率12.43ghz，效率为41％。可见该器件输出功率、效率都很高，但实验加工难度大。

6、经查阅得知，采用双通道分布式提取结构既可以增大器件功率容量，还可以进一步提高输出功率。例如，目前已进行了x波段50mw速调管的研制，参见现有技术4：【储开荣.x波段50mw速调管的研制[j].强激光与粒子束，2020，32(10)】。该结构如图4所示，由阴极401、调制腔402、漂移段403、末前腔404、提取腔405、电子束406、第一输出波导407a与第二输出波导407b组成，通过使用上下双通道输出，在450kv，电流190a，磁场0.398t的条件下，实现了52.1mw的微波输出，效率达60.9％。但该结构针对大功率真空电子器件，对于高功率真空电子器件不太适用。且该器件采用矩形波导输出，而渡越时间振荡器采用同轴波导输出，二者输出微波模式不同。

7、目前关于同时实现高转换效率、高输出功率、易于加工的高频段同轴渡越时间振荡器技术方案尚未有公开报道。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，采用两级调制结构实现基波电流调制深度的增大，从而提高输出效率。鉴于k波段已经属于毫米波范畴，器件尺寸较小，存在功率容量受限的问题，于是将第二级调制腔改为梯形结构以增大器件的功率容量。并采用双侧通道分布式提取方式实现输出功率的提高，克服高频段下实现高效率输出的同时，输出功率受限的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，包括内筒和套设于内筒外部的阳极外筒，所述内筒和阳极外筒之间形成圆环形的空腔，所述空腔包括依次连通的第一漂移管、第一调制腔、第二漂移管、第二调制腔、第三漂移管、提取腔和第一同轴输出波导，所述内筒的输出端还设有圆环形的第二同轴输出波导，所述第一同轴输出波导和第二同轴输出波导同轴设置，所述提取腔还和第二同轴输出波导连通，所述k波段渡越时间振荡器关于内筒的中心轴线旋转对称。

4、进一步的，所述第一调制腔由设置于阳极外筒内壁的第一调制腔外腔，设置于内筒外壁的第一调制腔内腔，以及第一调制腔外腔与第一调制腔内腔之间的环形空间组成，所述第一调制腔外腔与第一调制腔内腔相对布置，且所述第一调制腔外腔与第一调制腔内腔均由沿轴向间隙设置的相同圆环形空腔组成，且所述圆环形空腔的横截面为矩形。

5、进一步的，所述第二调制腔由设置于阳极外筒内壁的第二调制腔外腔，设置于内筒外壁的第二调制腔内腔，以及第二调制腔外腔与第二调制腔内腔之间的环形空间组成，所述第二调制腔外腔与第二调制腔内腔相对布置，且所述第二调制腔外腔与第二调制腔内腔均为横截面为梯形的圆环形空腔。

6、进一步的，所述提取腔包括沿轴线方向依次连通的第一间隙、第二间隙和第三间隙，所述第一间隙、第二间隙和第三间隙均由设置于阳极外筒内壁的提取腔外腔的对应圆环形空腔，设置于内筒外壁的提取腔内腔的对应圆环形空腔，以及对应的两个圆环形空腔之间的环形空间组成，所述提取腔外腔中第三间隙对应的圆环形空腔与第一同轴输出波导的输入端连通，所述提取腔内腔中第二间隙对应的圆环形空腔与第二同轴输出波导的输入端连通

7、进一步的，所述第一同轴输出波导包括依次连通的第一输出波导耦合狭缝、第一输出波导锥形过渡段、第一输出波导天线连接段，所述第一输出波导耦合狭缝与提取腔外腔中第三间隙对应的圆环形空腔连通。

8、进一步的，所述第一同轴输出波导还包括圆环形的第一输出波导调节块，所述第一输出波导调节块设置于第一输出波导天线连接段输入端，且套设于内筒外部。

9、进一步的，所述第二同轴输出波导包括依次连通的第二输出波导矩形过渡段和第二输出波导天线连接段，所述第二输出波导矩形过渡段与提取腔内腔中第二间隙对应的圆环形空腔连通。

10、进一步的，所述第二同轴输出波导还包括圆环形的第二输出波导调节块，所述第二输出波导调节块与内筒同轴设置，且所述第二输出波导调节块设置于第二输出波导矩形过渡段的输入端。

11、进一步的，所述第一同轴输出波导的输出端设有第一支撑杆，所述第二同轴输出波导的输出端设有第二支撑杆，所述第二支撑杆安装于第二同轴输出波导中与第一支撑杆在第一同轴输出波导的安装位置相对应的位置。

12、进一步的，所述内筒还设有梯形收集极，所述梯形收集极为横截面为直角梯形的圆环形空腔，所述第一漂移管、第一调制腔、第二漂移管、第二调制腔、第三漂移管、提取腔和梯形收集极的直角腰所在端依次连通形成电子束传输路径通道。

13、与现有技术相比，本发明的优点在于：

14、(1)本发明采用两级调制腔级联结构，两级调制腔采用三间隙矩形腔+单间隙梯形腔，实现了对电子束的两次有效调制，提高了基波电流调制深度，有利于器件实现更高的功率输出。

15、(2)本发明采用双侧通道分布式提取方式，实现两个通道同时提取微波，有利于增大器件功率容量的同时，实现更高功率、更高效率的微波输出。