一种基于多级互耦的锁频锁相结构构成的磁控管阵列

本发明属于真空电子器件的微波源，具体涉及一种基于多级互耦的锁频锁相结构构成的磁控管阵列。

背景技术：

1、磁控管作为目前世界上保有量最多的电真空器件，具有成本低、体积小、效率高、功率高、可工作频段宽(在微波到太赫兹频段都有应用)等优点。磁控管在现代微波领域中具有重要作用。随着科学技术如雷达、电子对抗、航天技术一级微波能应用的发展，对磁控管提出了更高、更新的要求。高功率微波技术中微波功率源的关键器件是大功率高效率微波发生器和功率合成器。磁控管作为高功率微波发生器是一种复杂幅相特性微波器件，通常其幅度易受工作条件的影响、频率和相位随机变化、幅度和相位变化相互牵连。由于理论功率容量的限制，单支高效率磁控管往往不能满足高功率微波应用的需求。产生大功率长脉冲微波的一个有效方式是低成本且高效率的功率合成技术，其中核心技术是大功率磁控管的锁频锁相技术。

2、电子科技大学在期刊《ieee electron device letters》上发表了题为“high-efficiency phase-locking of millimeter-wave magnetron for high-power arrayapplications”的学术论文。论文首次提出了一种磁控管的高效锁频锁相新机理，该技术不需要外部器件，只需通过特殊设计的耦合桥，使得磁控管频率相位锁定，并且锁定的过程几乎不会带来能量损失，理论计算的锁相效率高达99.9％，为将来大规模的磁控管锁频锁相阵列化应用打下坚实的基础，极大程度的拓展了电真空器件的应用领域。

3、申请号为202210099197.3的专利“一种锁频锁相结构及其构成的磁控管结构”提出了一种磁控管之间由能量耦合器及中间变换段组成的锁频锁相结构，能量耦合器包括耦合缝、阻抗变换器、标准波导、输出窗片和标准法兰。耦合缝为磁控管中阳极谐振腔上设置的缝隙，耦合缝、阻抗变换器、标准波导、输出窗片和标准法兰依次连接。两个磁控管的能量耦合器的标准法兰之间通过中间变换段连接，从而在几乎不损失原有磁控管功率和效率的基础上实现锁频锁相，使得磁控管的微波输出信号相干，他们输出的信号能够用于功率合成，这种高效率的锁频锁相方法使得大规模磁控管的输出信号可以相干，输出的相干信号的等效全向辐射功率随着磁控管数量n平方增加。

4、然而，高功率微波应用背景要求磁控管大规模阵列化集成，当磁控管数量增加，每个磁控管需要与更多数量磁控管互耦实现锁频锁相。因此磁控管阳极腔上需要设置更多数量的耦合结构(可为耦合孔、缝等结构)，同一个阳极腔上耦合结构越多，引起腔内工作模式场分布不均匀性的风险越大，极有可能造成磁控管模式竞争、打火等不稳定工作状态。因此如何设计锁频锁相结构，实现适合于大规模阵列化应用的多管高效锁频锁相，成为当前大规模阵列的关键技术。

技术实现思路

1、通常大规模阵列中磁控管数量较多，采用目前已公布的磁控管之间通过耦合桥直接互连的方式，需要磁控管腔体壁上开设数量较多的耦合缝隙，耦合缝隙增多容易引起磁控管工作模式场分布不均匀，可能造成模式竞争，严重影响管子工作稳定性。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于多级互耦的锁频锁相结构构成的磁控管阵列，采用本发明的多级互耦的锁频锁相结构，阳极腔上不需要设置多个耦合缝隙，即可实现多管的高效锁频锁相，降低了耦合缝隙数量过多引起磁控管工作不稳定的风险，同时也降低了工程化制管难度，为大规模阵列化应用创造有利条件。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于多级互耦的锁频锁相结构构成的磁控管阵列，其特征在于，包括若干个磁控管、若干个一级耦合组件、至少一个二级耦合组件。

4、所述一级耦合组件，包括一个一级耦合桥、两个一级场耦合结构；所述一级耦合桥的两端分别连接两个一级场耦合结构的输出端；所述一级场耦合结构的输入端连接磁控管某一个阳极腔的耦合缝隙；两个磁控管通过所述一级耦合组件形成高频场的互耦、实现锁频锁相，并共同构成一级锁相组件。

5、所述二级耦合组件，包括一个二级耦合桥、两个二级场耦合结构；所述二级耦合桥的两端分别连接两个二级场耦合结构的输出端；所述二级场耦合结构的输入端通过设置于一级耦合桥腔壁上的二级耦合缝隙与一级耦合桥连通，使两个一级耦合桥中互耦的高频场通过二级耦合组件进行互耦，形成驻波高频场，实现两个一级锁相组件的二次锁频锁相，并共同构成二级锁相组件。

6、基于所述二级锁相组件的第一种组阵方式为：在两个二级锁相组件的二级耦合桥之间设置三级耦合组件，所述三级耦合组件与二级耦合组件的结构相同，实现两个二级锁相组件的再次锁频锁相，并共同构成三级锁相组件；并以此类推，在n级耦合桥之间设置n+1级耦合组件，基于多级耦合组件，组成多级锁频锁相的磁控管阵列。

7、基于所述二级锁相组件的第二种组阵方式为：将若干个磁控管按行、列排布；同一行中的相邻磁控管之间均通过所述一级耦合组件连通，同一列中的相邻一级耦合桥之间均通过所述二级耦合组件连通，最终组成网格化的锁频锁相的磁控管阵列。

8、进一步地，在满足锁相要求的耦合场谐振条件下，结合两种组阵方式构成第三种磁控管阵列。两种组阵方式及其构成的第三种组阵方案，均不局限于构建m×m型的阵列，适用于任意形式的阵列。

9、进一步地，场耦合结构为波导形式或同轴线形式的阻抗变换器；且一级场耦合结构内部设置有输出耦合窗片，用于磁控管的真空密封。

10、进一步地，耦合桥为任意谐振腔、传输线类的耦合桥，如波导形式或同轴线形式等。

11、进一步地，耦合组件的通道长度为n倍驻波半波长；n为奇数时，两个磁控管输出微波反相；n为偶数时，两个磁控管输出微波同相。

12、进一步地，n级耦合桥的腔壁上设置的耦合缝隙位于整数倍驻波半波长高频场中任一的一个半波长场处。

13、进一步地，两个n级耦合桥之间的n+1级耦合组件的数量为m个，m＝1,2,3…,n，且m个n+1级耦合组件的通道总长度满足整数倍个驻波半波长场分布的谐振条件。

14、特别说明：任意的某级耦合组件及多级耦合组件构成的锁频锁相结构中，锁相要求的耦合组件整体的内部耦合场按a*nλs/2分布，其中λs/2表示耦合组件中对应工作频率的驻波半波长，n为整数，a为耦合场按nλs/2分布的系数；高效锁相要求磁控管与一级场耦合结构之间突变的边界条件处形成幅值为0耦合场，才能保持磁控管腔体工作模式场分布几乎不变；当a不为整数时，所述突变的边界条件处场幅值不为0，使磁控管腔体工作模式场分布受到明显扰动，通过调整耦合场使a发生变化，达到调控工作模式场分布的扰动程度，从而调控锁相条件。当扰动较大，使磁控管无法工作在工作模式时，极有可能使得锁相失败。当a*nλs/2约等于nλs/2，或a为整数时，磁控管腔体工作模式场分布几乎不受到扰动，可实现高效锁相。

15、进一步地，场耦合结构与耦合桥之间通过法兰固定连接。

16、本发明的有益效果为：

17、本发明在磁控管之间通过一级耦合组件实现高效锁频锁相，并将其作为一级锁相组件；在此基础上，创新性地采用二级耦合组件实现一级锁相组件的互连，为相邻的锁相组件建立互耦的高频电动力通道，从而实现多组件的高效锁频锁相，并相应地提供了大规模磁控管组阵方式，有效解决了阵列化磁控管锁相的扩展性和空间延展性问题，为大规模磁控管阵列提供了有效可行的方案。

18、本发明中，磁控管腔体上只需要开设一个或两个耦合缝隙，即可完成数量较多的磁控管之间的锁频锁相，有效地避免了大规模阵列化应用下磁控管腔体上直接开设多个耦合缝隙的需求，为工程化制管的一致性和稳定性创造了有利条件，有望成为大规模阵列化的非常有潜力的锁频锁相技术路径。

19、本发明提出的基于多级耦合的高效锁相技术具有普适性，可应用于任意谐振腔的磁控管和微波、毫米波乃至太赫兹波全频段，是磁控管向大规模阵列化应用迈向实用化的极具潜力的技术。针对功率mw级的磁控管单管，基于该锁相技术实现100只管子的高效锁相，可实现总功率100mw的高功率微波长脉冲(μs级及以上)，从而为基于大功率磁控管实现新体制高功率微波技术迈向实用化做出了巨大的贡献。