[发明专利]跨波段机械调频相对论返波振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种跨波段机械调频相对论返波振荡器(Relativistic Backward-Wave Oscillator，简称为RBWO)。

背景技术

高功率微波通常是指微波脉冲峰值功率大于100MW，频率在1GHz到300GHz之间的电磁波。从20世纪70年代初出现第一台高功率微波源以来，由于其在民用和军事领域有着广泛的应用需求，高功率微波源技术得到了迅速发展。

频率可调谐是高功率微波源的重要发展方向之一，在工业和国防领域具有重要的应用价值。高功率微波源的频率调谐方式主要包括电调谐、机械调谐两种方式。电调谐指通过改变外加电压、导引磁场的大小实现工作频率调谐，机械调谐指通过改变器件电动力学结构实现工作频率调谐。电调谐方式在磁控管、回旋管等器件中应用较多，而机械调谐方式在RBWO中应用较多。RBWO是一种基于切伦科夫辐射机制且发展较为成熟的高功率微波源，其利用强流相对论电子束与慢波结构中的返向空间谐波相互作用，产生自激振荡，形成相干微波辐射，具有高功率、高效率以及适合重频运行等特点，受到了各国学者的广泛重视。

在频率调谐RBWO研究方面，主要有美国、俄罗斯和中国的相关研究机构开展了机械调频方面的工作。

1997年，美国新墨西哥州大学的Edl Schamiloglu等人研制了一种X波段机械调频RBWO【E.Schamiloglu,C.T.Abdallah,G.T.Park,and V.S.Souvalian.Implementation of a Frequency-agile,High Power Backward Wave Osillator[C].Proc.IEEE,1997:742.】。（下文简称为现有技术1）。为了叙述的方便，将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、漂移段、慢波结构、反射段、微波输出口、螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，圆筒壁的厚度仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。截止颈与慢波结构之间是漂移段，是一个半径为R₂、长度为L₂的圆柱体，通过调节长度为L₂可以调节频率。慢波结构由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧八个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R₄、最小内半径R₅与右侧慢波叶片的最小内半径R₈满足R₄＞R₈＞R₅。九个慢波叶片的长度相同，均为L₁，为工作波长λ的二分之一左右。反射段介于慢波结构与微波输出口之间，是一个半径为R₄、长度为L₃的圆柱体，通过调节长度为L₃可以调节频率。微波输出口是一个圆台形结构，圆台左端面半径为R₄，右端面半径为R₆。截止颈和慢波结构从阳极外筒的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒并固定。实验中，通过调节截止颈到慢波结构的距离、慢波结构到反射环的距离，得到了半功率点处频率调谐带宽约5%、中心频率9.5GHz的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L₂、反射段的长度L₃实现对工作频率调节，调节方式复杂，调节范围较窄。同时，采用了九个慢波叶片，导致轴向长度过长，不利于器件的小型化。