一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器

摘要

本发明公开了一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，解决了现有产生L~Ku波段的高功率微波的器件轴向长度较长，不利于器件小型化的问题，包括套筒、沿套筒轴心设置的同轴内导体，其特征在于在所述套筒内叠置有两段慢波结构，所述其中一段包括带中心孔盘荷波导的慢波结构在套筒内壁设置，所述另一段包括边缘孔盘荷波导的慢波结构在同轴内导体设置，所述两段慢波结构各自在调节机构的作用下处于不同周期，强流电子束在慢波结构周期调整状态下，器件产生多频可控L~Ku波段的高功率微波。本发明采用上述结构，使得相对论返波振荡器在轴向尺寸较短的情况下可实现单一器件辐射产生L~Ku波段高功率微波，有利于器件小型化、集成化设计要求。

权利要求

1.一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，包括套筒、沿套筒轴心设置的同轴内导体，其特征在于在所述套筒内叠置有两段慢波结构，其中一段包括带中心孔盘荷波导的慢波结构在套筒内壁设置，另一段包括边缘孔盘荷波导的慢波结构在同轴内导体设置，所述两段慢波结构各自在调节机构的作用下处于不同周期，强流电子束在慢波结构周期调整状态下，器件产生多频可控L Ku波段的高功率微波，当带中心孔盘荷波导的慢~波结构工作时，将边缘孔盘荷波导慢波结构的周期长度调至为0，使其成为器件的内导体，不参与电子束与慢波结构的相互作用，当边缘孔盘荷波导慢波结构工作时，将带中心孔盘荷波导的慢波结构的周期长度调至为0，使其成为一段电子束传输波导，不参与电子束与慢波结构的相互作用。

2.根据权利要求1所述的一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，其特征在于所述带中心孔盘荷波导的慢波结构为低频段慢波结构，所述低频段慢波结构与穿越低频段慢波结构的电子束相互作用，器件产生低频段L S波段多频可控高功率微波。

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3.根据权利要求1所述的一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，其特征在于所述边缘孔盘荷波导的慢波结构为高频段慢波结构，所述高频段慢波结构与穿越高频段慢波结构的电子束相互作用，器件产生高频段C Ku波段多频可控高功率微波。

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4.根据权利要求1所述的一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，其特征在于包括与调节机构连接的两个步进电机，所述调节机构包括边缘孔盘荷波导调节机构、带中心孔盘荷波导调节机构，与所述带中心孔盘荷波导调节机构连接的步进电机位于器件外部，与所述边缘孔盘荷波导调节机构连接的步进电机位于同轴内导体内部。

5.根据权利要求1所述的一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，其特征在于各慢波结构通过具有等差螺纹距的螺杆进行连接，所述调节机构通过螺纹结构与螺杆连接。

说明书

一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器

技术领域

[0001] 本发明属于高功率微波器件技术领域，具体涉及一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器。

背景技术

[0002] 为应对复杂用频设备，多频可控高功率微波器件成为一种迫切需要研究的核心部件，该类器件的形成是随着高功率微波技术逐步走向实用化而提出的一种潜在应用场景的实施对策。多频可控高功率微波器件工作过程中在每一个脉冲电压下器件通过调节结构参数可依次辐射产生不同频率的高功率微波，其中各频点可通过预设按照一定规则产生，各频点按照一定次序独立产生，互不干扰。

[0003] 由于其结构参数对输出微波频率的敏感关联性及结构易调节，相对论返波振荡器成为多频可控高功率微波器件的主要选择之一。相对论返波振荡器的基本构成主要包括强流爆炸发射阴极、反射腔、漂移腔、慢波结构及引导磁场。慢波结构是相对论返波振荡器的关键区域，相对论返波管是利用器件内的返波与相对论电子束相互作用，从而产生高功率微波，其慢波结构周期直接决定产生的高功率微波频率。

[0004] 相对论返波振荡器中，电子束与微波之间的能量交换通过与电子束同步的返向波的-1次谐波来完成，既电子束速度与返向波的-1次谐波的群速大概相等。相对论返波振荡器一般工作在600kV～800kV左右，电子束速度一般为0.8c，则辐射微波频率与慢波结构有关系式：f(GHz)·d(cm)≈12。

[0005] 由辐射微波频率与慢波结构有关系式可以计算在1.5GHz～3GHz(L～S波段)，慢波结构周期长度为8cm～4cm；7GHz～20GHz(C～Ku波段)，慢波结构周期长度为1.7cm～0.6cm。由上述计算可知由于慢波结构周期与频率的强关联关系，单纯调节一段慢波结构无法实现相对论返波振荡器在L～Ku波段的高功率微波产生。为实现单一器件产生覆盖L～Ku波段的高功率微波，一种方法是采用两段可控慢波周期结构，两段可调节周期的慢波结构分别可产生多频可控低频段(L～S波段)及多频可控高频段(C～Ku波段)高功率微波。但这种设计方法无形中延长了器件的轴向长度，不利于器件小型化、集成化设计要求，更主要的缺点是增加了引导磁场的电源需求，使得整体结构系统非常庞大。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，解决了为实现单一器件产生覆盖L～Ku波段的高功率微波，采用两段可控慢波周期结构，两段可调节周期的慢波结构分别可产生多频可控低频段(L～S波段)及多频可控高频段(C～Ku波段)高功率微波，但这种设计方法无形中延长了器件的轴向长度，不利于器件小型化、集成化设计要求，更主要的是增加了引导磁场的电源需求，使得整体结构系统非常庞大的问题。本发明利用同轴相对论返波振荡器结构特点，将包括带中心孔盘荷波导的两段慢波结构中的高频段慢波结构反转“折叠”至同轴内导体上，在同轴内导体上采用包括边缘孔盘荷波导的周期可调高频段(C～Ku波段)慢波结构。

[0007] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，包括套筒、沿套筒轴心设置的同轴内导体，在所述套筒内叠置有两段慢波结构，所述其中一段包括带中心孔盘荷波导的慢波结构在套筒内壁设置，所述另一段包括边缘孔盘荷波导的慢波结构在同轴内导体设置，所述两段慢波结构各自在调节机构的作用下处于不同周期，强流电子束在慢波结构周期调整状态下，器件产生多频可控L～Ku波段的高功率微波。

[0008] 进一步地，当带中心孔盘荷波导的慢波结构工作时，将边缘孔盘荷波导慢波结构的周期长度调至为0，使其成为器件的内导体，不参与电子束与慢波结构的相互作用。

[0009] 进一步地，当边缘孔盘荷波导慢波结构工作时，将带中心孔盘荷波导的慢波结构的周期长度调至为0，使其成为一段电子束传输波导，不参与电子束与慢波结构的相互作用。

[0010] 进一步地，所述带中心孔盘荷波导的慢波结构为低频段慢波结构，所述低频段慢波结构与穿越低频段慢波结构的电子束相互作用，器件产生低频段(L～S波段)多频可控高功率微波。

[0011] 进一步地，所述边缘孔盘荷波导的慢波结构为高频段慢波结构，所述高频段慢波结构与穿越高频段慢波结构的电子束相互作用，器件产生高频段(C～Ku波段)多频可控高功率微波。

[0012] 进一步地，包括与调节机构连接的两个步进电机，所述调节机构包括边缘孔盘荷波导调节机构、带中心孔盘荷波导调节机构，与所述带中心孔盘荷波导调节机构连接的步进电机位于器件外部，与所述边缘孔盘荷波导调节机构连接的步进电机位于同轴内导体内部。

[0013] 进一步地，所述各慢波结构通过具有等差螺纹距的螺杆进行连接，所述调节机构通过螺纹结构与螺杆连接。

[0014] 本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

[0015] 与现有技术相比，本发明利用同轴相对论返波振荡器结构特点，将包括带中心孔盘荷波导的两段慢波结构中的高频段慢波结构反转“折叠”至同轴内导体上，在同轴内导体上采用包括边缘孔盘荷波导的周期可调高频段(C～Ku波段)慢波结构。带中心孔盘荷波导的慢波结构处于工作状态时，位于同轴内导体的边缘孔盘荷波导慢波结构周期调整为零，器件辐射产生低频段多频可控高功率微波；边缘孔盘荷波导慢波结构处于工作状态时，带中心孔盘荷波导慢波结构周期调整为零，器件辐射产生高频段多频可控高功率微波。

[0016] 本发明中的多频可控相对论返波振荡器设计方法充分利用了带中心孔盘荷波导及边缘孔盘荷波导的高频微波物理特性，利用边缘孔盘荷波导将内导体转变为可调周期的慢波结构，扩大了同轴相对论返波振荡器的应用范围，使得相对论返波振荡器在轴向尺寸较短的情况下既可实现单一器件辐射产生L～Ku波段高功率微波，又有利于器件小型化、集成化设计要求。

附图说明

[0017] 图1是跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器的正面剖视图。

[0018] 图2是处于低频段工作状态的跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器的正面剖视图。

[0019] 图3是处于高频段工作状态的跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器的正面剖视图。

[0020] 其中：1、套筒，2、产生低频段的带中心孔盘荷波导慢波结构，3、产生高频段的边缘孔盘荷波导慢波结构，4、带中心孔盘荷波导调节机构，5、边缘孔盘荷波导调节机构，6、强流电子束，7、与边缘孔盘荷波导调节机构连接的步进电机。

具体实施方式

[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0022] 如图1所示，一种跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，器件各部件材料均为无磁不锈钢。包括套筒，其作用是固定各慢波结构以及相关连接段，确保器件各部分围绕器件套筒轴线完成各项动作。沿套筒的轴心设置有同轴内导体。

[0023] 在套筒内叠置有两段慢波结构，其中一段慢波结构包括带中心孔盘荷波，在套筒的内部设置；另一段慢波结构包括带边缘孔盘荷波导，在同轴内导体上设置。两段慢波结构相互独立，并且各自独立调节使慢波结构处于不同的周期，强流电子束在慢波结构周期调整状态下，器件产生多频可控L～Ku波段的高功率微波。

[0024] 包括带中心孔盘荷波导的慢波结构为低频段慢波结构，慢波结构通过一具有等差螺纹距的螺杆进行连接，通过螺杆调节，使得各慢波结构处于不同周期，低频段慢波结构与穿越低频段慢波结构的相对论电子束相互作用，产生多频可控的低频段(L～S波段)高功率微波。极端情况下，慢波结构周期长度为0，从而形成一端电子束传输波导，不参与电子束与慢波结构的相互作用。

[0025] 包括边缘孔盘荷波导的慢波结构为高频段慢波结构，慢波结构通过一具有等差螺纹距的螺杆进行连接，通过螺杆调节，使得各慢波结构处于不同周期，高频段慢波结构与穿越高频段慢波结构的相对论电子束相互作用，产生多频可控的高频段(C～Ku波段)高功率微波。极端情况下，慢波结构周期长度为0，从而形成返波器件振荡内导体，不参与电子束与慢波结构的相互作用。

[0026] 当其中一段慢波结构处于工作状态时，另一段慢波结构的周期长度需调节至为0。具体为，当同轴内导体上包括边缘孔盘荷波导的慢波结构周期调整为零时，包括带中心孔盘荷波导的慢波结构周期可通过器件调节机构进行调节，进而器件辐射产生低频状态下多频可控的高功率微波；当包括带中心孔盘荷波导的慢波结构周期调整为零时，器件同轴内导体上包括边缘孔孔盘荷波导的慢波结构周期可通过同轴内导体内部的器件调节机构进行调节，进而器件辐射产生高频状态下多频可控的高功率微波。

[0027] 器件中的调节机构便于调节慢波结构周期长度，调节机构通过螺纹结构与螺杆进行连接，其动力由步进电机提供。调节机构包括边缘孔盘荷波导调节机构和带中心孔盘荷波导调节机构，与边缘孔盘荷波导调节机构连接的步进电机位于同轴内导体内部，与中心孔盘荷波导调节机构连接的步进电机位于器件外部。同轴内导体与外导体之间固定连接有支撑杆，支撑杆作为电力提供通道，同轴内导体内部的步进电机通过支撑杆与带边缘孔盘荷波导调节机构电连接。

[0028] 盘荷波导周期的均匀调节通过两盘荷波导片之间的距离调节来实现。其具体调节实施方法为：盘荷波导片通过卡槽结构与金属圆波导连接，并通过螺纹结构与具有等差螺纹距的螺杆连接。多段螺杆其螺纹距分别为M、2M、3M、…、nM(M为螺纹距离长度)；各盘荷波导片与其相连接的螺杆相对应一致。根据模式转换频率的需要，旋转螺杆一定角度θ(单位：弧度)，盘荷波导片各自轴向移动距离为θ·M、2θ·M、3θ·M、…、nθ·M，使得盘荷波导片各自轴向移动距离为l、2l、3l、…、nl(l＝θ·M)。这样盘荷波导片之间的距离由d转变为d±l，对应的带中心孔盘荷波导周期长度由p变为p±l。

[0029] 如图2所示的处于低频段工作状态的跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，在该状态下高频段器件的慢波结构通过相连接的螺杆进行调节至周期长度为0，使其成为器件的内导体，不参与电子束与慢波结构的相互作用。通过螺杆调节低频段慢波结构，使其处于不同尺寸的慢波结构周期状态，并与穿越低频段慢波结构的相对论电子束相互作用，产生多频可控的低频段(L～S波段)高功率微波。

[0030] 如图3所示的处于低频段工作状态的跨波段多频可控慢波结构折叠型相对论返波振荡器，在该状态下低频段器件的慢波结构通过相连接的螺杆进行调节至周期长度为0，使其成为一段电子束传输波导，不参与电子束与慢波结构的相互作用。通过螺杆调节高频段慢波结构，使其处于不同尺寸的慢波结构周期状态，并与穿越高频段慢波结构的相对论电子束相互作用，产生多频可控的高频段(C～Ku波段)高功率微波。

[0031] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。