一种X波段宽带高功率微波放大器

摘要

本发明公开了一种X波段宽带高功率微波放大器，包括：电子束发射结构，用于产生强流相对论电子束IREB；电子束调制结构，用于实现对强流相对论电子束IREB的调制和群聚，实现不低于10％的基波电流调制深度；行波提取结构，用于实现对强流相对论电子束IREB的进一步群聚，并将充分群聚后的强流相对论电子束IREB的动能转换为微波能量耦合输出。本发明采用电调谐方式将电调谐宽带HPM源推广至高频段，可通过改变外部注入微波信号的频率可实现器件工作带宽内任意频点的HPM输出，频率调节方式与器件工作机理和尺寸无关，克服了现有机械调谐宽带HPM振荡器加工、装配难度大，实验调节复杂，及输出微波频点不连续等问题。

权利要求

1.一种X波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，包括：

电子束发射结构，用于产生强流相对论电子束IREB；

电子束调制结构，用于实现对强流相对论电子束IREB的调制和群聚，实现不低于10%的基波电流调制深度；

行波提取结构，用于实现对强流相对论电子束IREB的进一步群聚，并将充分群聚后的强流相对论电子束IREB的动能转换为微波能量耦合输出；

所述电子束发射结构的输出端与所述电子束调制结构的输入端相连，所述电子束调制结构的输出端与所述行波提取结构的输入端相连；

所述电子束发射结构包括阴极座（1）、阴极（2）、阳极内筒（3）及阳极外筒（4），所述阴极（2）设于阴极座（1）上，所述阳极外筒（4）套设于阳极内筒（3）外部且两者同心布置，所述阳极内筒（3）和阳极外筒（4）之间形成一段内半径为R1、外半径为R2的空腔结构的漂移管，所述阴极（2）正对漂移管的入口侧，所述电子束调制结构以及行波提取结构依次布置于阳极内筒（3）及阳极外筒（4）之间的漂移管上；

所述电子束调制结构包括沿着漂移管的长度方向间隙布置的拓展互作用注入腔（5）和拓展互作用调制腔（6），所述拓展互作用注入腔（5）用于外部注入微波功率的高效率吸收并实现对强流相对论电子束IREB的初步调制；所述拓展互作用调制腔（6）用于进一步增大强流相对论电子束IREB的基波电流调制深度，所述拓展互作用注入腔（5）和拓展互作用调制腔（6）对强流相对论电子束IREB的调制频率与外部注入微波频率一致；所述拓展互作用注入腔（5）由分别设于阳极内筒（3）及阳极外筒（4）的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒（3）及阳极外筒（4）之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，所述阳极外筒（4）上设有和环形凹槽连通的微波注入环；所述拓展互作用调制腔（6）由分别设于阳极内筒（3）及阳极外筒（4）的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒（3）及阳极外筒（4）之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构；所述两个环形凹槽之间通过耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，且耦合环内侧用于分隔两个环形凹槽的金属圆盘采用支撑杆或者回流杆与阳极外筒（4）相连；

所述行波提取结构包括依次相邻布置的反射器（8）、慢波结构（9）和输出波导（10），所述反射器（8）由分别设于阳极内筒（3）及阳极外筒（4）的一个环形凹槽，以及位于阳极内筒（3）及阳极外筒（4）之间的间隙构成，所述反射器（8）用于隔离电子束调制结构和行波提取结构以确保电子束调制结构和行波提取结构间相互独立稳定工作；所述慢波结构（9）为设于阳极内筒（3）和阳极外筒（4）两者中至少其一上的周期性的波纹结构，所述周期性的波纹结构中的波纹形状可选择矩形、梯形或者正弦形结构。

2.根据权利要求1所述的X波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述电子束发射结构、所述电子束调制结构以及所述行波提取结构三者均为关于中心轴线OZ的旋转对称结构。

3.根据权利要求2所述的X波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述输出波导（10）为设于阳极内筒（3）和阳极外筒（4）之间的一段圆环形空腔。

说明书

一种X波段宽带高功率微波放大器

技术领域

[0001] 本发明涉及高功率微波技术领域的宽带高功率微波源器件，具体涉及一种X波段宽带高功率微波放大器。

背景技术

[0002] 高功率微波(High Power Microwave,简称HPM)通常是指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波。HPM源是高功率微波系统的核心部件，它通过器件内部特殊设计的高频电磁结构将强流相对论电子束(Intense Relativistic Electron Beams,简称IREB)的动能转化为微波能量，进而通过发射天线产生定向的HPM辐射。根据HPM源输出微波的频率带宽特性，可将HPM源分为窄带，宽带和超宽带三类,三类HPM源的频率带宽百分比分别为<1％,1％～25％和>25％。根据是否有注入微波信号，可将HPM源分为HPM振荡器和HPM放大器两种类型。本文着重研究宽带HPM源，尤其是宽带HPM放大器。

[0003] 目前，国内外的宽带HPM源的频率调谐方式主要分为电调谐和机械调谐这两种类型。其中，电调谐是指通过改变电子束电压等电参数实现HPM源工作频率的调节，具体地又可按器件结构分为电调谐电真空HPM源和电调谐开关振荡器。电调谐电真空HPM源通过电子束电压的选频特性实现器件频率的改变，百kV量级的电压改变往往只能实现数十MHz量级的频率改变，难以在高频段(X波段及以上波段)实现宽带HPM输出。电调谐开关振荡器是将阻尼正弦脉冲信号直接馈入宽带天线向自由空间辐射产生，它的工作原理是在1/4波长低阻传输线的一端连接短路开关，另一端连接阻抗较高的宽带辐射天线；1/4波长开关振荡器的电长度决定宽带高功率微波的中心频率，随着中心频率升高，电长度减小，1/4波长开关振荡器的几何尺寸减小，功率容量随着降低。因此，电调谐开关振荡器难以在高频段实现宽带HPM输出。尽管宽带HPM源已在S～X波段取得了较好的研究结果，但是目前已有报导的宽带HPM源仅限制于宽带HPM振荡器。同时，现有的宽带HPM振荡器也存在一定的局限性，具体如下：(1)受限于器件工作机理，电调谐宽带HPM源难以推广到高频段(X波段及以上波段)；(2)机械调谐宽带HPM源的加工、装配难度大，实验操作较为复杂，需反复手动调节机械结构尺寸来实现频率调谐；(3)受限于机械结构的精度，机械调谐宽带HPM振荡器难以实现工作带宽内任意频点的HPM输出。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种X波段宽带高功率微波放大器，本发明实现了一种采用电调谐方式的X波段宽带HPM放大器，能够将电调谐宽带HPM源推广至高频段(X波段及以上波段)，可通过改变外部注入微波信号的频率可实现器件工作带宽内任意频点的HPM输出，克服了现有机械调谐宽带HPM振荡器加工、装配难度大，实验调节复杂，及输出微波频点不连续等问题。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0006] 本发明提供一种X波段宽带高功率微波放大器，包括：

[0007] 电子束发射结构，用于产生强流相对论电子束IREB；

[0008] 电子束调制结构，用于实现对强流相对论电子束IREB的调制和群聚，实现不低于10％的基波电流调制深度；

[0009] 行波提取结构，用于实现对强流相对论电子束IREB的进一步群聚，并将充分群聚后的强流相对论电子束IREB的动能转换为微波能量耦合输出；

[0010] 所述电子束发射结构的输出端与电子束调制结构的输入端相连，所述电子束调制结构的输出端与行波提取结构的输入端相连。

[0011] 可选地，所述电子束发射结构、电子束调制结构以及行波提取结构三者均为关于中心轴线OZ的旋转对称结构。

[0012] 可选地，所述电子束发射结构包括阴极座、阴极、阳极内筒及阳极外筒，所述阴极设于阴极座上，所述阳极外筒套设于阳极内筒外部且两者同心布置，所述阳极内筒和阳极外筒之间形成一段内半径为R1、外半径为R2的空腔结构的漂移管，所述阴极正对漂移管的入口侧，所述电子束调制结构以及行波提取结构依次布置于阳极内筒及阳极外筒之间的漂移管上。

[0013] 可选地，所述电子束调制结构包括沿着漂移管的长度方向间隙布置的拓展互作用注入腔和拓展互作用调制腔，所述拓展互作用注入腔用于外部注入微波功率的高效率吸收并实现对强流相对论电子束IREB的初步调制；所述拓展互作用调制腔用于进一步增大强流相对论电子束IREB的基波电流调制深度，所述拓展互作用注入腔和拓展互作用调制腔对强流相对论电子束IREB的调制频率与外部注入微波频率一致。

[0014] 可选地，所述拓展互作用注入腔由分别设于阳极内筒及阳极外筒的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒及阳极外筒之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，所述阳极外筒上设有和环形凹槽连通的微波注入环。

[0015] 可选地，所述拓展互作用调制腔由分别设于阳极内筒及阳极外筒的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒及阳极外筒之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构。

[0016] 可选地，所述两个环形凹槽之间通过耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，且耦合环内侧用于分隔两个环形凹槽的金属圆盘采用支撑杆或者回流杆与阳极外筒相连。

[0017] 可选地，所述行波提取结构包括依次相邻布置的反射器、慢波结构和输出波导，所述反射器由分别设于阳极内筒及阳极外筒的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒及阳极外筒之间的间隙构成，所述反射器用于隔离电子束调制结构和行波提取结构以确保电子束调制结构和行波提取结构间相互独立稳定工作。

[0018] 可选地，所述慢波结构为设于阳极内筒和阳极外筒两者中至少其一上的周期性的波纹结构，所述周期性的波纹结构中的波纹形状可选择矩形、梯形或者正弦形结构。

[0019] 可选地，所述输出波导为设于阳极内筒和阳极外筒之间的一段圆环形空腔。

[0020] 和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

[0021] 1、本发明实现了一种采用电调谐方式的X波段宽带HPM放大器，通过改变外部注入微波信号的频率来调节器件输出HPM的频率，频率调节方式与器件工作机理和尺寸无关，能够将电调谐宽带HPM源推广至高频段(X波段及以上波段)，可以在高频段(X波段及以上波段)实现电调谐宽带HPM源。

[0022] 2、本发明实现了一种采用电调谐方式的X波段宽带HPM放大器，可通过改变外部注入微波信号的频率可实现器件工作带宽内任意频点的HPM输出，克服了现有机械调谐宽带HPM振荡器加工、装配难度大，实验调节复杂，及输出微波频点不连续等问题。

附图说明

[0023] 图1为本实施例中X波段宽带高功率微波放大器的结构示意图。

[0024] 图2为本实施例中拓展互作用注入腔的放大结构示意图。

[0025] 图3为本实施例中拓展互作用调制腔的放大结构示意图。

[0026] 图4为本实施例中行波提取结构放大结构示意图。

[0027] 图5为本实施例中X波段宽带高功率微波放大器的典型输出功率及频率图。

[0028] 图6为本实施例中X波段宽带高功率微波放大器不同注入微波频率下的输出功率图。

[0029] 图7为本实施例中X波段宽带高功率微波放大器不同注入微波频率下的输出微波相位随时间变化图。

[0030] 图例标号说明：1、阴极座；2、阴极；3、阳极内筒；4、阳极外筒；5、拓展互作用注入腔；6、拓展互作用调制腔；7、行波提取结构；8、反射器；9、慢波结构；10、输出波导。

具体实施方式

[0031] 如图1所示，本实施例提供一种X波段宽带高功率微波放大器，包括：

[0032] 电子束发射结构(如图1中A所示)，用于产生强流相对论电子束IREB(Intense Relativistic Electron Beam)；

[0033] 电子束调制结构(如图1中B所示)，用于实现对强流相对论电子束IREB的调制和群聚，实现不低于10％的基波电流调制深度；

[0034] 行波提取结构(如图1中C所示)，用于实现对强流相对论电子束IREB的进一步群聚，并将充分群聚后的强流相对论电子束IREB的动能转换为微波能量耦合输出；

[0035] 电子束发射结构的输出端与电子束调制结构的输入端相连，电子束调制结构的输出端与行波提取结构的输入端相连。

[0036] 参见图1，本实施例中电子束发射结构、电子束调制结构以及行波提取结构三者均为关于中心轴线OZ的旋转对称结构，图1中的R表示半径方向，O为原点，Z表示X波段宽带高功率微波放大器的微波输出方向。

[0037] 电子束发射结构为高功率微波器件HPM领域的常见结构。参见图1，本实施例中电子束发射结构包括阴极座1、阴极2、阳极内筒3及阳极外筒4，阴极2设于阴极座1上，阳极外筒4套设于阳极内筒3外部且两者同心布置，阳极内筒3和阳极外筒4之间形成一段内半径为R1、外半径为R2(参见图2)的空腔结构的漂移管，阴极2正对漂移管的入口侧，电子束调制结构以及行波提取结构依次布置于阳极内筒3及阳极外筒4之间的漂移管上。阴极座1、阴极2、阳极内筒3及阳极外筒4的尺寸参数可由器件工作电压电流优化得到。本实施例中，阳极内筒3为圆柱形，阳极外筒4为管状结构；阳极内筒3和阳极外筒4可根据需要选择所需的导体材料，例如不锈钢、无氧铜等。参见图1，本实施例中电子束发射结构和电子束调制结构间轴向距离为L1，电子束调制结构和行波提取结构间轴向距离为L3。

[0038] 本实施例中，电子束调制结构包括沿着漂移管的长度方向间隙布置的拓展互作用注入腔5和拓展互作用调制腔6，拓展互作用注入腔5用于外部注入微波功率的高效率吸收并实现对强流相对论电子束IREB的初步调制；拓展互作用调制腔6用于进一步增大强流相对论电子束IREB的基波电流调制深度，拓展互作用注入腔5和拓展互作用调制腔6对强流相对论电子束IREB的调制频率与外部注入微波频率一致。参见图1，本实施例中拓展互作用注入腔5、拓展互作用调制腔6间的轴向距离为L2。拓展互作用注入腔5和拓展互作用调制腔6为多间隙拓展互作用结构，腔内各间隙间存在耦合通道，频率敏感性较弱(相较无耦合结构的多间隙腔结构)，能够在较宽的频率范围内实现注入微波功率的吸收和IREB的预调制；拓展互作用注入腔5和拓展互作用调制腔6由开设在内阳极外筒上的圆环形凹槽及内阳极外筒间的空腔部分组成；内(外)导体上的圆环形凹槽间并不独立，通过耦合孔或者耦合环进行信号交流，构成拓展互作用结构。

[0039] 如图2所示，本实施例中拓展互作用注入腔5由分别设于阳极内筒3及阳极外筒4的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒3及阳极外筒4之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，阳极外筒4上设有和环形凹槽连通的微波注入环。两个环形凹槽构成了拓展互作用注入腔5的双间隙盘荷状结构，参见图3可知，两个环形凹槽的外半径均为R3，内半径分别为R4、R5，一个环形凹槽间隙宽L5，另一个环形凹槽间隙宽L7，两个环形凹槽间的膜片厚度为L6。

[0040] 如图2所示，本实施例中两个环形凹槽之间通过耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，且耦合环内侧用于分隔两个环形凹槽的金属圆盘采用支撑杆或者回流杆与阳极外筒4相连。参见图2，耦合环的外半径为R3，厚度为h1，宽度为L6；支撑杆或者回流杆可根据实际需要选择所需的结构，在此不再详述。微波注入环宽度为l，用于外部注入微波信号的引入。

[0041] 如图3所示，本实施例中拓展互作用调制腔6由分别设于阳极内筒3及阳极外筒4的两个环形凹槽(调制槽)，以及位于阳极内筒3及阳极外筒4之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构。两个环形凹槽构成了拓展互作用调制腔6的双间隙盘荷状结构，参见图3，两个环形凹槽的外半径均为R7，内半径分别为R6、R8，一个环形凹槽的间隙宽L8，另一个环形凹槽的间隙宽L10，两个环形凹槽之间的膜片厚度为L9；同样地，本实施例中拓展互作用调制腔6的两个环形凹槽之间通过耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，且耦合环内侧用于分隔两个环形凹槽的金属圆盘采用支撑杆或者回流杆与阳极外筒4相连。参见图3，拓展互作用调制腔6的耦合环外半径为R7，厚度为h2，宽度为L9；支撑杆或者回流杆可根据实际需要选择所需的结构，在此不再详述。

[0042] 如图1和图4所示，本实施例中行波提取结构7包括依次相邻布置的反射器8、慢波结构9和输出波导10，反射器8由分别设于阳极内筒3及阳极外筒4的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒3及阳极外筒4之间的间隙构成，反射器8用于隔离电子束调制结构和行波提取结构以确保电子束调制结构和行波提取结构间相互独立稳定工作。参见图4，反射器8的外半径为R9，内半径为R10，宽度为L11。

[0043] 本实施例中，慢波结构9为设于阳极内筒3和阳极外筒4两者中至少其一上的周期性的波纹结构，周期性的波纹结构中的波纹形状可选择矩形、梯形或者正弦形结构。慢波结构9可选择单侧波纹结构或者双侧波纹结构，若位于阳极内筒3和阳极外筒4两者中的一侧，即为单侧波纹结构；若同时位于阳极内筒3和阳极外筒4两者上，即为双侧波纹结构。参见图4，本实施例中周期性的波纹结构中的波纹形状选择矩形的单侧波纹结构，矩形周期性结构由金属部分和空腔部分组成，内半径为R11、外半径为R12、周期长度为L13，周期数为8；矩形周期性结构的金属部分轴向长度为L14，空腔部分轴向长度为L13‑L14；矩形周期性结构深度为h3；反射器8和慢波结构9间轴向距离为L12。

[0044] 本实施例中，输出波导10为设于阳极内筒3和阳极外筒4之间的一段圆环形空腔。参见图4，本实施例中输出波导10的内半径为R11，外半径为R12，长度为L4。

[0045] 本实施例X波段宽带高功率微波放大器的工作原理为：外部注入微波信号馈入到拓展互作用注入腔5时，会在拓展互作用注入腔5的间隙处激励起同轴工作模式，其轴向电场会对经过的强流相对论电子束IREB进行初步的速度调制；强流相对论电子束IREB的速度调制被拓展互作用调制腔6加深，实现不低于10％的电子束调制深度；具有一定调制深度的强流相对论电子束IREB经过行波提取结构7时会在慢波结构9内激励起相应频率的交变电场；在慢波结构9的前几个周期内(具体周期数目由仿真优化得到)，该电磁波会进一步调制IREB，实现>100％的基波电流调制深度；在慢波结构9的后几个周期内，深度群聚的强流相对论电子束IREB受到该电磁波的减速，从而将强流相对论电子束IREB动能转换成高功率微波HPM能量输出；由于强流相对论电子束IREB的调制频率与外部注入微波频率一致，因此输出高功率微波HPM的频率也与外部注入微波频率一致。

[0046] 本实施例X波段宽带高功率微波放大器结构相关参数如下：R1＝35.0mm，R2＝45.0mm，R3＝52.2mm，R4＝29.5mm，R5＝29.5mm，R6＝30.0mm，R7＝51.0mm，R8＝30.5mm，R9＝
25.0mm，R10＝55.0mm，R11＝32.0mm，R12＝48.2mm，L2＝52.0mm，L3＝38.1mm，L5＝7.0mm，L6＝3.0mm，L7＝7.0mm，L8＝6.5mm，L9＝3.0mm，L10＝6.5mm，L11＝12.0mm，L12＝5.0mm，L13＝
13.5mm，L14＝7.0mm，h1＝2.2mm，h2＝1.8mm，h3＝4.4mm，l＝2.0mm，L1和L4可根据需求进行优化取值。如图5所示为本实施例X波段宽带高功率微波放大器的典型输出功率及频率图，在电子束电压400kV，电流5A，注入微波频率8.4GHz，注入微波功率50kW的条件下，器件输出微波功率约467MW，输出频率8.4GHz。如图6所示为不同注入微波频率下本实施例X波段宽带高功率微波放大器的输出功率图，由图7可知器件的中心频点约为8.4GHz，器件输出功率降至峰值功率一半以下的频率带宽大于400MHz(8.2GHz～8.6GHz)，即本实施例X波段宽带高功率微波放大器3dB带宽约5％；如图7所示为不同注入微波频率下本实施例X波段宽带高功率微波放大器输出微波相位随时间变化图，在8.2GHz～8.6GHz范围内器件输出微波相位抖动<20°；结合图5和图7可知，本实施例X波段宽带高功率微波放大器可实现锁频锁相的HPM
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输出，满足HPM相干功率合成要求；按HPM相干功率合成原理，N个锁频锁相的HPM源可实现N倍的HPM输出，即本实施例X波段宽带高功率微波放大器的等效辐射功率可进一步提高。

[0047] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。