[发明专利]频率可调谐轴向输出相对论磁控管

说明书

技术领域

本发明涉及一种能实现微波频率调谐的同时能实现微波轴向输出的相对论磁控管。

背景技术

美国高功率微波领域的权威人士James Benford从研制实用型的高功率微波系统角度出发，指出了未来高功率微波源的四个发展方向：(1) 全面减小系统尺寸和重量，提高功耗比；(2) 高重复频率工作；(3) 频率可调谐；(4) 长寿命。为了满足未来高功率微波源的发展应用需求，研制出实用型的高功率微波源，具有结构简单，效率高，频率可调，适合长脉冲和高重复频率运行等特点的相对论磁控管成了人们广泛和深入研究的对象之一。在高功率微波源的发展中，相对论磁控管的可调谐性受到了广泛关注与高度评价，被认为是一大亮点。

（1） 频率可调谐相对论磁控管的发展状况

1996年，美国PI公司提出了调谐的方案，他们研制了L波段和S波段的可调谐相对论磁控管，在L波段，以1.21 GHz为中心频率，调谐范围达到23.9%，总输出功率大于400 MW；在S波段，以2.82 GHz为中心频率，调谐范围达到33.4%，总输出功率大于500 MW。功率从两个谐振腔背部径向输出，并采用脉冲串工作形式，重频可以达到100 Hz，持续时间10 s，三只可调谐相对论磁控管可完全覆盖1~3 GHz频段。如何实现调谐的过程，文献【J. S. Levine, B. D. Harteneck, H. D. Price. Frequency agile relativistic magnetrons [C]. Proc. SPIE, 1995, 2557: 74-79.】中未见介绍。

2005年，中国电子科大李天明从已有实验条件出发，提出可调谐径向输出相对论磁控管的基本方案，并在旭日型磁控管理论的指导下，利用高频场结构分析软件HFSS对其进行优化，通过合理的调整谐振腔结构与开放阳极端帽等措施，设计了调谐范围达900 MHz的S波段相对论磁控管【李天明. 相对论磁控管的理论与实验研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2005.】。以此为基础，系统设计与加工了一只可调谐相对论磁控管，并分别在高Q值、低Q值与有阴极帽、无阴极帽下进行了实验研究。实验结果表明所研制的相对论磁控管具有20%的调谐带宽，超过1 GW的功率输出。

目前已报道的径向输出相对论磁控管虽然可实现频率调谐，但其在输出特性、紧凑化和小型化等方面仍然有许多不足。而轴向输出相对论磁控管是通过在磁控管末端采用特殊结构，从而实现微波的直接轴向提取。与径向输出相对论磁控管相比，轴向输出相对论磁控管具有结构更加紧凑，有利于高功率微波直接轴向辐射，外加磁场系统更紧凑等特点，被美国高功率微波领域知名专家Schamiloglu和Fuks认为是有望成为最紧凑的窄带高功率微波源。

（2） 轴向输出相对论磁控管的发展状况

2007年，日本长冈技术大学Daimon等人在在Schamiloglu 等人的研究基础上提出了一种改进型的轴向输出相对论磁控管结构【M. Daimon, W. Jiang. Modified configuration of relativistic magnetron with diffraction output for efficiency improvement [J]. Appl. Phys. Lett, 2007, 91(19): 191503.】。通过在微波提取结构中再增加一个角度变量Ф₀，使得输出微波功率效率得到了大幅的提升。模拟得到了输出微波功率效率37%的结果。从实验上也验证了改进型结构有利于输出功率的提高【M. Daimon, K. Itoh, W. Jiang. Experimental demonstration of relativistic magnetron with modified output configuration [J]. Appl. Phys. Lett., 2008, 92(19): 191504.】。

2011年，中国国防科技大学李伟针对轴向输出相对论磁控管辐射TE₁₁模式效果差、效率低的情况，提出一种通过在对称张角槽中插入具有一定尺寸结构的过渡段的高效型结构，既较好地实现了TE₁₁模式的微波辐射，又提高了功率效率，粒子模拟效率最高达到43%。在此基础上，还通过在谐振腔加入电介质开展了在π模式和2π模式下的频率调谐研究【李伟. 衍射输出相对论磁控管及其相关技术研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2011.】。