本发明专利技术涉及高功率微波技术领域一种径向线相对论速调管放大器。本发明专利技术在径向线波导的两侧内壁挖刻环形槽，形成输入腔、群聚腔和提取腔，在输入腔一侧开口形成同轴输入波导，在提取腔另一侧开口形成同轴输出波导，电子束径向发射，在径向线中传输，在输入腔与注入种子微波作用产生初步调制，在群聚腔中调制加深，在提取腔将部分能量转换成微波能量，放大后的微波经同轴波导输出。本发明专利技术径向线相对论速调管放大器空间电荷效应弱、功率容量高，有利于提高束波能量转换效以及长脉冲运行；收集极表面积大，电子束能量沉积密度小，有利于重频运行，可克服传统相对论速调管放大器在高频段遇到的瓶颈问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高功率微波
的一种高功率微波源，尤其是一种高功率径向线相对论速调管放大器。
技术介绍
高功率微波(根据Benford和Swegle的约定，指频率1GHz～100GHz，瞬时功率大于100MW)技术取得快速发展，其在众多领域中的诱人前景引起了很多国家的广泛关注和大量资金研究投入。为了推进高功率微波技术在工业和军事领域的发展，进一步提高作用目标的等效辐射功率密度，高功率微波空间功率相干合成技术成为最关键技术之一。相对论速调管放大器由于其锁频锁相特性，成为空间功率相干合成技术的首选器件。在相对论速调管放大器中，电子束的产生、束波互作用及微波的提取、电子束的收集这几种功能都在不同的区域分开完成，从而每一种功能都可以独立地调试到最佳，因此具有高功率、高效率的优点，是高功率微波源的重要发展方向之一。按照电子束的发射与传输方向，相对论速调管放大器可分为轴向相对论速调管放大器和径向相对论速调管放大器，目前，轴向相对论速调管放大器在L～X等中低波段已取得了GW级微波输出，但在向Ku、Ka等高频段拓展时，由于其横向尺寸的减小，会遇到空间电荷效应强，功率容量低等瓶颈问题，限制了其在高频段的发展潜力。而径向速调管放大器由于其腔体体积增大，可克服这些缺点，在高频段具有输出高功率、长脉冲微波的潜力。径向速调管放大器的概念最初是美国Phillips实验室的Arman学者提出【M.J.Arman,HighpowerRadialKlystronOscillator.SPIEproceedings,Vol.2557,SanDiego,USA,1995,21～31】，该器件采用金属箔高频结构，所以无需外加导引磁场，结构较为紧凑。但金属箔难以引导电子束沿径向长距离传输，且在强流相对论电子束的轰击下容易产生等离子体，干扰器件的正常工作，因此，该概念器件在实际上难以输出高功率微波。为了满足高功率微波在工业和军事领域的应用需求，发展在高频段具有输出高功率、长脉冲和可重频运行的高功率微波放大器已迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服传统轴向相对论速调管放大器向高频段拓展时遇到的空间电荷效应增强、功率容量低而导致的输出微波功率不足问题，提出一种在Ku、Ka等高频段具有输出高功率、长脉冲微波潜力并且可以重频运行的径向线相对论速调管放大器。本专利技术的技术方案是：一种径向线相对论速调管放大器，由二极管阴极、二极管阳极、第一谐振腔面板、第二谐振腔面板组成，材料均为不锈钢；二极管阴极连接脉冲功率驱动源阴极，二极管阳极与第一谐振腔面板的左端均连接脉冲功率驱动源阳极，第一谐振腔面板与第二谐振腔面板的右端均连接微波辐射系统。本专利技术径向线相对论速调管放大器为旋转轴对称结构，定义二极管阴极的中心轴为旋转对称轴OO’；靠近二极管阳极的一侧为左端，靠近第二谐振腔面板的一侧为右端；靠近旋转对称轴OO’的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO’的一侧为外侧。二极管阴极由阴极底座和电子发射凸台组成：阴极底座为半径R1、长度L1的圆柱体，其左端连接脉冲功率驱动源的阴极，R1不宜过小，也不宜过大，一般R1的取值范围为(60～120)mm，L1可根据实际装配需求取值，一般L1应满足L1≥30mm；阴极底座右端连接有电子发射凸台，电子发射凸台为外半径R2的圆环凸台，内半径等于R1，R2＝R1+2mm，电子发射凸台用于发射电子束，其宽度W决定发射电子束的宽度，一般W应满足W≤3mm，电子发射凸台右侧与阴极底座右侧端面距离为L2，L2应满足L2≤6mm，以避免二极管阴阳极之间发生高电压击穿，电子发射凸台可采用螺纹的形式固定在阴极底座上，两者也可以一体化加工；二极管阳极由阳极导体和输入调节环组成：阳极导体为圆筒结构，其左端连接脉冲功率驱动源阳极，阳极导体内半径为R3，R3与阴极底座的半径R1共同决定二极管的阻抗，R3与R1之差越大，二极管阻抗越高，一般R3与R1之差满足20mm≤(R3-R1)≤50mm，阳极导体外半径为R4，R4≈R3+20mm，阳极导体长度为L3，L3可由实际装配条件决定，一般L3应满足L3≥30mm；阳极导体的右端连接有输入调节环，输入调节环为圆环结构，其右端距离阳极导体右端面L4，当径向线相对论速调管放大器输出微波的波长为λ时，则L4≈λ/7，输入调节环内半径与阳极导体的外半径R4相同，外半径为R5，R5≈R4+3mm,输入调节环的长度为L5，L5的取值范围为(2～5)mm，输入调节环用于调节径向线相对论速调管放大器输入微波的吸收效率；阳极导体与输入调节环为一体化加工；第一谐振腔面板由输入波导壁、谐振腔左面板、收集极和输出波导壁组成：输出波导壁为圆筒结构，其左端连接脉冲功率驱动源阳极，右端连接谐振腔左面板，输入波导壁内半径为R6，R6≈R4+5mm，外半径为R7，R7≈R6+8mm，长度为L6，L6＝L3，输入波导壁和阳极导体之间的间隙构成径向线相对论速调管放大器的微波输入波导，微波输入波导宽度为(R6-R4)，约为5mm；谐振腔左面板为圆环形面板，其内侧连接输入波导壁，外侧右端面连接收集极，谐振腔左面板内半径等于输入波导壁的外半径R7，谐振腔左面板的右侧端面上挖有两组圆环形凹槽，沿径向由内而外分别为群聚腔环形槽和输出腔环形槽：群聚腔环形槽的个数一般为1～3个，每个槽的深度均为L7，槽宽度均为H1，槽间距均为H2，L7＝L2，H1≈λ/3，H2≈H1/2，群聚腔环形槽第一个槽的内半径为R9，R9≥(R7+3×λ)；输出腔环形槽的个数一般也为1～3个，每个槽的深度均为L8，槽宽度均为H3，槽间距均为H4，L8≈L7，H3≈H1，H4≈H2，输出腔环形槽第一个槽的内半径为R10，R10≥(R9+3×λ)，谐振腔左面板的厚度为L9，L9＝L3-L6，外半径为R8，R8≥(R10+λ)；收集极为圆环结构，其左端连接谐振腔左面板，右端连接输出波导壁，收集极外半径等于谐振腔左面板的外半径R8，内半径为R11，R11大于输出腔环形槽最外侧槽的外半径，收集极宽度为L10，L10≈λ/3；输出波导壁为圆筒结构，左端连接收集极，输出波导壁外半径等于谐振腔左面板的外半径R8，内半径为R12，R12等于输出腔环形槽最外侧槽的外半径，输出波导壁的长度为L11，L11的取值需根据实际装配需要得到，一般应满足L11≥30mm。输入波导壁、谐振腔左面板、收集极和输出波导壁可一体化加工，或通过焊接连接。第二谐振腔面板由谐振腔右面板、输出调节环与阳极壁组成：谐振腔右面板为圆筒结构，内半径为R13，R本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种径向线相对论速调管放大器，其特征在于：所述放大器由二极管阴极(1)、二极管阳极(2)、第一谐振腔面板(3)、第二谐振腔面板(4)组成；二极管阴极(1)连接脉冲功率驱动源阴极，二极管阳极(2)与第一谐振腔面板(3)的左端均连接脉冲功率驱动源阳极，第一谐振腔面板(3)与第二谐振腔面板(4)的右端均连接微波辐射系统；二极管阴极(1)由阴极底座(11)和电子发射凸台(12)组成：阴极底座(11)为半径R1、长度L1的圆柱体，左端连接脉冲功率驱动源的阴极，R1不宜过小，也不宜过大，一般R1的取值范围为(60～120)mm，L1可根据实际装配需求取值，一般L1应满足L1≥30mm；阴极底座(11)右端连接有电子发射凸台(12)，电子发射凸台(12)为外半径R2的圆环凸台，内半径等于R1，R2＝R1+2mm，电子发射凸台(12)用于发射电子束，宽度W决定发射电子束的宽度，一般W应满足W≤3mm，电子发射凸台(12)右侧与阴极底座(11)右侧端面距离为L2，L2应满足L2≤6mm，以避免二极管阴阳极之间发生高电压击穿；二极管阳极(2)由阳极导体(21)和输入调节环(22)组成：阳极导体(21)为圆筒结构，左端连接脉冲功率驱动源阳极，阳极导体(21)内半径为R3，R3与阴极底座(11)的半径R1共同决定二极管的阻抗，R3与R1之差越大，二极管阻抗越高，一般R3与R1之差满足20mm≤(R3‑R1)≤50mm，阳极导体(21)外半径为R4，R4≈R3+20mm，阳极导体(21)长度为L3，L3可由实际装配条件决定，一般L3应满足L3≥30mm；阳极导体(21)的右端连接有输入调节环(22)，输入调节环(22)为圆环结构，右端距离阳极导体(21)右端面L4，当径向线相对论速调管放大器输出微波的波长为λ时，则L4≈λ/7，输入调节环(22)内半径与阳极导体(21)的外半径R4相同，外半径为R5，R5≈R4+3mm,输入调节环(4)的长度为L5，L5的取值范围为(2～5)mm，输入调节环(22)用于调节径向线相对论速调管放大器输入微波的吸收效率；第一谐振腔面板(3)由输入波导壁(31)、谐振腔左面板(32)、收集极(33)和输出波导壁(34)组成：输出波导壁(31)为圆筒结构，左端连接脉冲功率驱动源阳极，右端连接谐振腔左面板(32)，输入波导壁(31)内半径为R6，R6≈R4+5mm，外半径为R7，R7≈R6+8mm，长度为L6，L6＝L3，输入波导壁(31)和阳极导体(32)之间的间隙构成径向线相对论速调管放大器的微波输入波导，微波输入波导宽度为(R6‑R4)，约为5mm；谐振腔左面板(32)为圆环形面板，内侧连接输入波导壁(31)，外侧右端面连接收集极(33)，谐振腔左面板(32)内半径等于输入波导壁(31)的外半径R7，谐振腔左面板(32)的右侧端面上挖有两组圆环形凹槽，沿径向由内而外分别为群聚腔环形槽(32a)和输出腔环形槽(32b)：群聚腔环形槽(32a)的个数一般为1～3个，每个槽的深度均为L7，槽宽度均为H1，槽间距均为H2，L7＝L2，H1≈λ/3，H2≈H1/2，群聚腔环形槽(32a)第一个槽的内半径为R9，R9≥(R7+3×λ)；输出腔环形槽(32b)的个数一般也为1～3个，每个槽的深度均为L8，槽宽度均为H3，槽间距均为H4，L8≈L7，H3≈H1，H4≈H2，输出腔环形槽(32b)第一个槽的内半径为R10，R10≥(R9+3×λ)，谐振腔左面板(32)的厚度为L9，L9＝L3‑L6，外半径为R8，R8≥(R10+λ)；收集极(33)为圆环结构，左端连接谐振腔左面板(32)，右端连接输出波导壁(34)，收集极(33)外半径等于谐振腔左面板(32)的外半径R8，内半径为R11，R11大于输出腔环形槽(32b)最外侧槽的外半径，收集极(33)宽度为L10，L10≈λ/3；输出波导壁(34)为圆筒结构，左端连接收集极(33)，输出波导壁(34)外半径等于谐振腔左面板(32)的外半径R8，内半径为R12，R12等于输出腔环形槽(32b)最外侧槽的外半径，输出波导壁(34)的长度为L11，L11的取值需根据实际装配需要得到，一般应满足L11≥30mm；第二谐振腔面板(4)由谐振腔右面板(41)、输出调节环(42)与阳极壁(43)组成：谐振腔右面板(41)为圆筒结构，内半径为R13，R13等于阳极导体(21)内半径R3，外半径为R19，R19略小于输出波导壁(34)内半径R12，一般R19≈R12‑λ/3，谐振腔右面板(41)的轴向长度为L12，L12＝L11，谐振腔右面板(9)的左侧端面上对应微波输入波导、群聚腔环形槽(32a)和输出腔环形槽(32b)处分别挖有圆环形凹槽，沿径向由内而外排列，依次为输入腔环形槽(41a)、群聚腔环形槽(...
【技术特征摘要】
1.一种径向线相对论速调管放大器，其特征在于：所述放大器由二极管阴极(1)、二极管
阳极(2)、第一谐振腔面板(3)、第二谐振腔面板(4)组成；二极管阴极(1)连接脉冲功率驱动源
阴极，二极管阳极(2)与第一谐振腔面板(3)的左端均连接脉冲功率驱动源阳极，第一谐振腔面
板(3)与第二谐振腔面板(4)的右端均连接微波辐射系统；
二极管阴极(1)由阴极底座(11)和电子发射凸台(12)组成：阴极底座(11)为半径R1、长度
L1的圆柱体，左端连接脉冲功率驱动源的阴极，R1不宜过小，也不宜过大，一般R1的取值
范围为(60～120)mm，L1可根据实际装配需求取值，一般L1应满足L1≥30mm；阴极底座(11)
右端连接有电子发射凸台(12)，电子发射凸台(12)为外半径R2的圆环凸台，内半径等于R1，
R2＝R1+2mm，电子发射凸台(12)用于发射电子束，宽度W决定发射电子束的宽度，一般W应
满足W≤3mm，电子发射凸台(12)右侧与阴极底座(11)右侧端面距离为L2，L2应满足L2≤6mm，
以避免二极管阴阳极之间发生高电压击穿；
二极管阳极(2)由阳极导体(21)和输入调节环(22)组成：阳极导体(21)为圆筒结构，左端连
接脉冲功率驱动源阳极，阳极导体(21)内半径为R3，R3与阴极底座(11)的半径R1共同决定二
极管的阻抗，R3与R1之差越大，二极管阻抗越高，一般R3与R1之差满足20mm≤(R3-R1)
≤50mm，阳极导体(21)外半径为R4，R4≈R3+20mm，阳极导体(21)长度为L3，L3可由实际装
配条件决定，一般L3应满足L3≥30mm；阳极导体(21)的右端连接有输入调节环(22)，输入调
节环(22)为圆环结构，右端距离阳极导体(21)右端面L4，当径向线相对论速调管放大器输出微
波的波长为λ时，则L4≈λ/7，输入调节环(22)内半径与阳极导体(21)的外半径R4相同，外半
径为R5，R5≈R4+3mm,输入调节环(4)的长度为L5，L5的取值范围为(2～5)mm，输入调节
环(22)用于调节径向线相对论速调管放大器输入微波的吸收效率；
第一谐振腔面板(3)由输入波导壁(31)、谐振腔左面板(32)、收集极(33)和输出波导壁(34)
组成：输出波导壁(31)为圆筒结构，左端连接脉冲功率驱动源阳极，右端连接谐振腔左面板
(32)，输入波导壁(31)内半径为R6，R6≈R4+5mm，外半径为R7，R7≈R6+8mm，长度为L6，
L6＝L3，输入波导壁(31)和阳极导体(32)之间的间隙构成径向线相对论速调管放大器的微波输
入波导，微波输入波导宽度为(R6-R4)，约为5mm；谐振腔左面板(32)为圆环形面板，内侧
连接输入波导壁(31)，外侧右端面连接收集极(33)，谐振腔左面板(32)内半径等于输入波导壁
(31)的外半径R7，谐振腔左面板(32)的右侧端面上挖有两组圆环形凹槽，沿径向由内而外分别
为群聚腔环形槽(32a)和输出腔环形槽(32b)：群聚腔环形槽(32a)的个数一般为1～3个，每个槽
的深度均为L7，槽宽度均为H1，槽间距均为H2，L7＝L2，H1≈λ/3，H2≈H1/2，群聚腔环形槽
(32a)第一个槽的内半径为R9，R9≥(R7+3×λ)；输出腔环形槽(32b)的个数一般也为1～3个，
每个槽的深度均为L8，槽宽度均为H3，槽间距均为H4，L8≈L7，H3≈H1，H4≈H2，输出腔
\t环形槽(32b)第一个槽的内半径为R10，R10≥(R9+3×λ)，谐振腔左面板(32)的厚度为L9，
L9＝L3-L6，外半径为R8，R8≥(R10+λ)；收集极(33)为圆环结构，左端连接谐振腔左面板(32)，
右端连接输出波导壁(34)，收集极(33)外半径等于谐振腔左面板(32)的外半径R8，内半径为
R11，R11大于输出腔环形槽(32b)最外侧槽的外半径，收集极(33)...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓萍，党方超，钟辉煌，张军，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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