一种四腔高功率输出TE01模式的回旋速调管高频结构

摘要

该发明公开了一种四腔高功率输出TE01模式的回旋速调管高频结构，属于毫米波器件技术领域，在Q频段利用TE01模式构建了四个谐振腔工作的回旋速调管高频结构，可以应用于高次谐波下的线性化器件中，同时对TE01模式的功率容量限制进行探索。主要是在回旋速调管中利用TE01模式进行注波互作用，同时四个谐振腔包括输入腔、第一群聚腔、第二群聚腔和输出腔，工作频率为47GHz，该频段研究还较少，可用在直线加速器上，也对于兆瓦级回旋速调管的研究提供参考。

权利要求

1.一种四腔高功率输出TE01模式的回旋速调管高频结构，中心频率为47GHz，工作模式为TE01模式；该结构依次由内径相同的：输入腔、群聚腔与输出腔组成，所述群聚腔依次由第一漂移段、第一群聚腔、第二漂移段、第二群聚腔、第三漂移段组成，所述输出腔依次由输出头段、输出渐变段和输出末段组成；各功能段是在内径为2.5mm；

所述输入腔长度为8.66mm，介质层的厚度为0.25mm，谐振频率为46.8GHz；

所述第一漂移段、第二漂移段、第三漂移段长度依次为28mm，28mm，12mm，损耗介质层厚度依次为0.8mm,0.85mm,0.7mm；

所述第一群聚腔、第二群聚腔的长度依次为10mm，10.2mm，外径为4.05mm，介质层厚度为0.4mm，Q值依次为29，28.68；谐振频率依次为45.14GHz，44.92GHz；

所述输出头段长度为3mm外径为2.96mm，输出渐变段长度为20mm，输出末段长度为

50mm，内径为3.7mm，外径为4mm；

高频结构的电子注工作时的注电压为105kV，注电流为20A，磁场为1.93T，输入功率为

100W，纵横速度比α为1.36。

说明书

一种四腔高功率输出TE01模式的回旋速调管高频结构

技术领域

[0001] 本发明属于毫米波器件技术领域，在Q频段利用TE01模式构建了四个谐振腔工作的回旋速调管高频结构，可以应用于高次谐波下的线性化器件中，同时也对于兆瓦级回旋速调管的研究提供参考。

背景技术

[0002] 回旋速调管最早于1967年在俄罗斯应用物理研究所(IAP)开发。自那以后，特别是在雷达系统领域，回旋速调管引起了人们的极大兴趣。回旋速调管是在电子回旋脉塞原理的基础上工作的一种微波电真空回旋器件，具有高输出功率、高注波互作用效率且具有一定的带宽的特点。利用电子注与电磁场的注波互作用实现电子与场之间的换能，将电子注动能转换为微波能量。主要由电子枪、高频结构、输入输出结构和收集结构构成。

[0003] 回旋速调管与回旋行波放大器相比，通常能在较窄的带宽下输出高功率，而回旋行波放大器是一种中等功率的宽带放大器。目前，回旋速调管输出功率主要在百千瓦数量级，将输出功率推向兆瓦级是未来趋势。

[0004] 但是随着对输出功率要求的提高，兆瓦级回旋速调管输入条件下的高压大电流的电子注对回旋管高频结构的稳定性要求较高，需严格优化避免自激振荡与返波振荡。

[0005] 在专利202110584235.X中公开了一种用于高阶工作模式的介质加载回旋行波管高频结构，该结构中心频率为220GHz，增益高，但是该结构不能用于TE01模式，与这个专利相比，本专利的高频结构具有兆瓦级别的输出能力，做到超高功率输出也是速调管相比行波管的优势，并且低阶模和高阶模的工作条件差别较大，低阶模式优势在于工作稳定，但对于结构设计参数的精度要求更高。

[0006] 高频射频直线加速器的发展需要考虑电子束线性化等技术挑战。在设计射频加速器时，较高的驱动频率通常允许较高的工作梯度。当使用线性光束O型速调管时，在非常高的频率上获得所需的功率是一个主要的挑战。传统的速调管很难产生足够的输出功率来驱动X波段结构的谐波线性化器。回旋速调管不受同样的限制，因此成为一个有吸引力的解决方案。

发明内容

[0007] 本发明建立了一种四腔高功率输出TE01模式的回旋速调管高频结构，主要是在回旋速调管中利用TE01模式进行注波互作用，同时四个谐振腔包括输入腔、第一群聚腔、第二群聚腔和输出腔，工作频率为47GHz，该频段研究还较少，可用在直线加速器上，也对于兆瓦级回旋速调管的研究提供参考。

[0008] 本发明采取以下技术方案实现：

[0009] 一种四腔高功率输出TE01模式的回旋速调管高频结构，中心频率为47GHz，工作模式为TE01模式；该结构依次由内径相同的：输入腔、群聚腔与输出腔组成，所述群聚腔依次由第一漂移段、第一群聚腔、第二漂移段、第二群聚腔、第三漂移段组成，所述输出腔依次由输出头段、输出渐变段和输出末段组成；各功能段是在内径为2.5mm；

[0010] 所述输入腔长度为8.66mm，介质层的厚度为0.25mm，谐振频率为46.8GHz；

[0011] 所述第一漂移段、第二漂移段、第三漂移段长度依次为28mm，28mm，12mm，损耗介质层厚度依次为0.8mm,0.85mm,0.7mm；

[0012] 所述第一群聚腔、第二群聚腔的长度依次为10mm，10.2mm，外径为4.05mm，介质层厚度为0.4mm，Q值依次为29，28.68；谐振频率依次为45.14GHz，44.92GHz；

[0013] 所述输出头段长度为3mm外径为2.96mm，输出渐变段长度为20mm，输出末段长度为50mm，内径为3.7mm，外径为4mm。

[0014] 高频结构的电子注工作时的注电压为105kV，注电流为20A，磁场为1.93T，输入功率为100W，纵横速度比α为1.36。

[0015] 本发明提出的回旋速调管高频结构系统在TE01模式下采用四个谐振腔，TE01模式可以保证竞争模式少，同时结构稳定，在此之上也做到了高增益和高效率，同时在回旋速调管中也做到了具有大带宽，。

[0016] 输入腔、群聚腔、输出腔的半径均在截止半径附近，使整体互作用结构的色散特性保持一致，让电子注能够在群聚段及线性放大段实现有效的相位调制，获得较高的线性增益，并在非线性段内进行强烈的注波互作用，同时有参差调谐增大‑3dB增益频宽。

[0017] 本发明的优点：

[0018] 1)在47GHz的高频段，通过设置四个谐振腔，并计算出合适的三段漂移段长度，得到高输出功率，较高的效率。输出功率为1.053MW，效率超过48％，增益为40.33dB。从附图7和附图11中可以看到结果

[0019] 2)采用竞争模式少，场分布稳定的TE01模式，在采用低阶模的条件下首次做到了兆瓦级的输出，同时高频结构能稳定工作；在附图7中可以看出高频结构在5ns后就达到最高的稳定输出功率，在1.053MW。

附图说明

[0020] 图1是本发明提出的高频系统轴向剖面图。

[0021] 图2是本发明提出的回旋速调管高频系统横向剖面图。

[0022] 图3是TE01及竞争模式的无耗色散曲线图。

[0023] 图4是TE01及竞争模式的耦合系数和TE01的场分布。

[0024] 图5是引导磁场随高频结构位置变化的曲线。

[0025] 图6是回旋速调管高频结构在不同位置下粒子分布的云图。

[0026] 图7是输出功率随时间的变化关系。

[0027] 图8是粒子与波的能量转换随时间的变化关系。

[0028] 图9是回旋速调管高频结构的频谱图。

[0029] 图10是输入功率与归一化增益之间的关系。

[0030] 图11是不同频率下效率与增益的关系。

具体实施方式

[0031] 下面结合设计实例及附图对本发明进一步说明。

[0032] 图1、图2分别给出了四腔高功率输出TE01模式的回旋速调管高频结构的三维结构图、轴向剖面图。该高频结构系统包括输入腔D1，第一群聚腔D2，第二群聚腔D3，输出头段D4，输出末段D5，三段漂移段分别为L1，L2，L3，输出渐变段为L4。高能电子注在输入腔，第一群聚腔和第二群聚腔和漂移段中被不断调制，最后在输出腔中与高频场进行注波互作用换能。群聚腔与电子注的群聚状态密切相关，经群聚腔调制的电子注的角向群聚效率将直接影响回旋速调管输出腔的互作用状态进而影响输出功率和增益。各段漂移段长度的选取会显著影响到群聚效果。

[0033] 表一该回旋速调管高频结构各腔的结构参数

[0034]

[0035] 图3和图4分别给出了TE01模式及其竞争模式的无耗色散曲线和耦合系数，从图中可以看出，因为TE01是低阶模式，所以竞争模式较少，通过图3和图4可以确定电子注的电压，速度比，引导磁场强度，和电子注中心半径比。图5是引导磁场随高频结构位置变化的曲线，在输出腔的位置以前引导磁场有一个缓慢增大的过程，是为了电子注能更好的群聚，到了输出腔及输出渐变段引导磁场会如曲线里减小，使电子注与高频场之间充分换能。引导磁场曲线经过仿真计算调整，得到了最佳的结果，最大化电子注换能效率。

[0036] 图6是回旋速调管高频结构在不同位置下粒子分布的云图。由图可知，在输出腔以前电子注基本不进行换能，主要换能的位置在输出渐变段，由电子云图也可以看出大部分电子已经交出能量，且电子能降低到了较低的水准，与其他模式和其他结构的高频结构相比，电子交出能量的比例很大，比之前的结构表现优异。图7是输出功率随时间的变化关系，回旋速调管的高频结构输出功率在8ns后就维持了稳定，且持续了较长时间，因为采用的低阶模，所以该回旋速调管高频结构在稳定性方面有独特优势，能够在保持非常稳定的前提下达到超高功率输出。图8是粒子与波的能量转换随时间的变化关系，由图可知，注波互作用能量转化开始于1ns处，功率值为负数，表示由大部分电子失去能量，将其转化为高频场能量。当t>15ns时，注波互作用能量转换趋于稳定，约为1.08MW。这些能量中有约1.05MW流向了TE01模式输出功率，剩余的0.03MW分别流向各竞争模式、回旋速调管加载介质的介质损耗(以热量的方式散出)和在各腔体内建立稳定的谐振场。

[0037] 图9是回旋速调管高频结构的频谱图，包含了从0到100GHz时相对磁场的表现情况。图中标示了高频结构基波谐振的频率为47.002GHz，而二次谐波谐振的频率点为94.004GHz，在图中可以知道二次谐波的影响较小，这也是采用低阶模式带来的特定优势。
图10是输入功率与归一化增益之间的关系，图中显示的信息可以知道，在输入功率<30W时，输出功率可以近似的看成是线性化增长，说明该高频结构在小信号时有良好的线性化表现，该随后输出功率随之输出功率的增大而缓慢增加，一直到输入功率为120W时输出功率达到最大，随后输出功率会随着输入功率的增大减小一部分。最后图11是不同频率下效率与增益的关系。以工作频率47GHz时的增益40.33dB为参考，回旋速调管高频结构的‑3dB增益对应的频率为46.81GHz和47.19GHz，并得到带宽为380MHz，为了拓展带宽采用了谐振腔参差调谐的方法，提升了约20％的带宽，受限于回旋速调管本身带宽小的特点，所以对于回旋速调管重点需要发挥高功率输出的特点。