【技术实现步骤摘要】
引入聚焦阴极的低磁场Ka波段同轴渡越时间振荡器
[0001]本专利技术涉及高功率
的微波源器件，尤其是一种引入聚焦阴极的低磁场Ka波段同轴渡越时间振荡器，属于高功率微波
技术介绍
[0002]高功率微波通常指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波，目前已经被广泛应用于雷达卫星、电子高能射频加速器、遥感及辐射测量等众多国防和工业领域。
[0003]高功率微波源是产生高功率微波辐射的核心部件，是利用强流电子束与谐振腔的互作用来产生高功率微波的。渡越时间振荡器是利用强流电子束与谐振腔中的本征驻波场进行能量交换的，具有高功率、高效率以及工作模式单一等特点，受到研究人员的广泛关注。
[0004]Ka波段微波是指频率处于26～40GHz的微波，具有波束窄、频谱范围宽、能量密度高、直线传播、抗干扰能力强等优点。其在卫星通信、雷达制导等方面有着广泛的应用，具有良好的发展前景。同轴渡越时间振荡器虽然具有诸多优点，例如工作模式单一、输出效率高等优点，但是在Ka波段这样的高频段，国内外的研究较少。具有代表性的Ka波段同轴渡越时间振荡器是国防科技大学宋莉莉设计的器件【Lili S,Juntao H,Junpu L,et al.Experimental research on Ka
‑
band coaxial transit
‑
time oscillator[J].Physics of Plasmas,2018,25(6):063107
‑>.】，在二极管电压450kV、电流9.1kA、导引磁场0.6T的条件下，实验得到了650MW的微波输出，频率为26.5GHz。
[0005]对于Ka频段的高功率微波源器件，由于电子束通道较窄，为了将电子束束缚在更小的范围，常常需要较高的导引磁场。例如，前述宋莉莉的研究中，采用的是磁场线圈，仿真中所需导引磁场大小为0.6T。导引磁场大意味着磁场线圈较重，同时励磁系统庞大，这严重阻碍了高功率微波源的轻小型化，因此为了使微波源更具有实用价值，需要使微波源在较低导引磁场下依然具有高功率和高效率的特点。聚焦阴极能减小二极管处的径向电场分散，降低电子束稳定传输对导引磁场的需求。另外，当所需导引磁场较低时，永磁结构就可取代线圈磁场，这对于高功率微波源的轻小型化具有重要意义。
[0006]由上可知同轴渡越时间振荡器虽然具有低导引磁场、输出功率高、输出效率高等优点，但在Ka波段的研究较少，尤其是工作在更低导引磁场下，引入聚焦阴极的低磁场Ka波段同轴渡越时间振荡器的技术方案尚未有公开报道。
技术实现思路
[0007]本专利技术提出一种引入聚焦阴极的低磁场Ka波段同轴渡越时间振荡器，可实现微波源在低导引磁场下仍具有较高的功率效率，具有可采用永磁封装的潜能。
[0008]本专利技术的技术方案是：
[0009]一种引入聚焦阴极的低磁场Ka波段同轴渡越时间振荡器，包括阴极座1、阴极内屏蔽环2、阴极外屏蔽环3、阴极4、内导体5、外导体6，整个结构关于中心轴线OO
’
旋转对称。所
述同轴渡越时间振荡器一端连接脉冲功率源，另一端连接辐射系统。定义连接脉冲功率源的一端为同轴渡越时间振荡器的左端，连接辐射系统的一端为同轴渡越时间振荡器的右端；
[0010]阴极座1为一个圆柱结构，轴向长度为l1，l1通常取20mm
‑
30mm，径向半径等于阴极4的径向内半径r
11
；阴极座1左端连接脉冲功率源的内导体，阴极4连接在阴极座1的右端，与阴极内屏蔽环2和阴极外屏蔽环3构成同心圆；
[0011]阴极4用于产生和发射电子束，为一个薄壁圆筒结构，侧壁厚度为t2，t2的值为1mm，阴极4的内半径为r
11
，且其径向中心处半径r2介于外导体6的内半径r
14
和内导体5的外半径r6之间，满足r6<r
11
<r2<r
14
，阴极4的轴向长度为l3，l3通常取10.0mm～30mm；
[0012]阴极内屏蔽环2为一个圆柱结构，其右端与阴极座1的左端距离为l2，l2通常取值20.0mm～34.0mm，为实现电子束有效发射，还需满足0.01mm<l1+l3‑
l2<1mm，阴极内屏蔽环2的径向表面与阴极4之间存在间隙的宽度为t4，t4＝r2‑
t2/2
‑
r
11
。阴极内屏蔽环2进行了半径为R1＝1mm的倒圆角处理，用于减小尖端表面场强。
[0013]阴极外屏蔽环3为一个薄壁圆筒结构，其右端距离阴极座1的左端距离为l4，l4＝l2，为实现电子束有效发射，还需满足0.01mm<l1+l3‑
l4<1mm；阴极外屏蔽环3的径向外半径为r1，径向内半径为r
20
，满足r2<r
20
<r1，阴极外屏蔽环3与阴极4之间存在间隙的宽度为t3，满足t3＝t4。为减小尖端场强，阴极外屏蔽环3的右端外侧进行了半径为R2＝2mm的倒圆角处理，右端内侧进行了半径为R1＝1mm的倒圆角处理。
[0014]内导体5同轴嵌套于外导体6内。内导体5左端与阴极4之间的间距为l6，右端连接辐射系统。内导体5由两段圆柱体结构组成。其中第一段圆柱体的径向半径为r6，在其外侧壁从左至右依次刻有8个内矩形凹槽，分别为第一内矩形凹槽5
‑
1、第二内矩形凹槽5
‑
2、第三内矩形凹槽5
‑
3、第四内矩形凹槽5
‑
4、第五内矩形凹槽5
‑
5、第六内矩形凹槽5
‑
6、第七内矩形凹槽5
‑
7，第八内矩形凹槽5
‑
8：第一内矩形凹槽5
‑
1左侧距内导体5左端的距离为l7，宽度为l8，在满足l7>l8的前提下，l7、l8通常取值在2mm～20mm，第一内矩形凹槽5
‑
1的槽底处径向半径为r5，满足r5<r6；距离第一内矩形凹槽5
‑
1右侧l9处为4个尺寸完全相同的内矩形凹槽：第二内矩形凹槽5
‑
2、第三内矩形凹槽5
‑
3、第四内矩形凹槽5
‑
4、第五内矩形凹槽5
‑
5，每个内矩形凹槽的宽度均为l
10
，两个内矩形凹槽之间的间距均为l
11
，在满足l
10
>l
11
的前提下，l
10
、l
11
通常取值在1mm～20mm，每个内矩形凹槽槽底处的径向半径均为r7，满足r7<r6。距离第五内矩形凹槽5
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种引入聚焦阴极的低磁场Ka波段同轴渡越时间振荡器，其特征在于：包括阴极座(1)、阴极内屏蔽环(2)、阴极外屏蔽环(3)、阴极(4)、内导体(5)、外导体(6)，整个结构关于中心轴线OO
’
旋转对称；所述同轴渡越时间振荡器一端连接脉冲功率源，另一端连接辐射系统；阴极座(1)为一个圆柱结构，轴向长度为l1，l1通常取20mm
‑
30mm，径向半径等于阴极(4)的内半径r
11
；阴极座(1)左端连接脉冲功率源的内导体，阴极(4)连接在阴极座(1)的右端，与阴极内屏蔽环(2)和阴极外屏蔽环(3)构成同心圆；阴极(4)用于产生和发射电子束，为一个薄壁圆筒结构，侧壁厚度为t2，t2的值为1mm，阴极(4)的内半径为r
11
，且其径向中心处半径r2介于外导体(6)的内半径r
14
和内导体(5)的外半径r6之间，满足r6<r
11
<r2<r
14
，阴极(4)的轴向长度为l3，l3通常取10.0mm～30mm；阴极内屏蔽环(2)为一个圆柱结构，其右端与阴极座(1)的左端距离为l2，l2通常取值20.0mm～34.0mm，为实现电子束有效发射，还需满足0.01mm<l1+l3‑
l2<1mm，阴极内屏蔽环(2)的径向表面与阴极(4)之间存在间隙的宽度为t4，t4＝r2‑
t2/2
‑
r
11
；阴极外屏蔽环(3)为一个薄壁圆筒结构，其右端距离阴极座(1)的左端距离为l4，l4＝l2，为实现电子束有效发射，还需满足0.01mm<l1+l3‑
l4<1mm；阴极外屏蔽环(3)的径向外半径为r1，径向内半径为r
20
，满足r2<r
20
<r1，阴极外屏蔽环(3)与阴极4之间存在间隙的宽度为t3，满足t3＝t4；内导体(5)同轴嵌套于外导体(6)内，内导体(5)左端与阴极(4)之间的间距为l6，右端连接辐射系统；内导体(5)由两段圆柱体结构组成，其中第一段圆柱体的径向半径为r6，在其外侧壁从左至右依次刻有8个内矩形凹槽，分别为第一内矩形凹槽(5
‑
1)、第二内矩形凹槽(5
‑
2)、第三内矩形凹槽(5
‑
3)、第四内矩形凹槽(5
‑
4)、第五内矩形凹槽(5
‑
5)、第六内矩形凹槽(5
‑
6)、第七内矩形凹槽(5
‑
7)，第八内矩形凹槽(5
‑
8)：第一内矩形凹槽(5
‑
1)左侧距内导体(5)左端的距离为l7，宽度为l8，在满足l7>l8的前提下，l7、l8通常取值在2mm～20mm，第一内矩形凹槽(5
‑
1)的槽底处径向半径为r5，满足r5<r6；距离第一内矩形凹槽(5
‑
1)右侧l9处为4个尺寸完全相同的内矩形凹槽：第二内矩形凹槽(5
‑
2)、第三内矩形凹槽(5
‑
3)、第四内矩形凹槽(5
‑
4)、第五内矩形凹槽(5
‑
5)，每个内矩形凹槽的宽度均为l
10
，两个内矩形凹槽之间的间距均为l
11
，在满足l
10
>l
11
的前提下，l
10
、l
11
通常取值在1mm～20mm，每个内矩形凹槽槽底处的径向半径均为r7，满足r7<r6；距离第五内矩形凹槽(5
‑
5)右侧l
12
处为3个尺寸完全相同的内矩形凹槽：第六内矩形凹槽(5
‑
6)、第七内矩形凹槽(5
‑
7)、第八内矩形凹槽(5
‑
8)，每个内矩形凹槽的宽度均为l
13
，l
13
通常取值在5mm～20mm；两个内矩形凹槽之间的间距均为l
14
，l
14
通常取值在1mm～20mm，每个内矩形凹槽槽底处的半径均为r8，满足r8<r6；第二段圆柱体的径向半径为r
18
，满足r6<r
18
，轴向长度为l
19
，l
19
取值在15mm～35mm，在第二段圆柱体的左侧，分别挖出一段截面为梯形的圆环形空腔和一段截面为矩形的圆环形空腔，这两段空腔形成了电子束收集极，用于收集电子束，其中截面为梯形的圆环形空腔其内半径r9，满足r6<r9，外半径为r
17
，满足r9＜r
17
＜r
18
，梯形上底长为l
17
，l
17
取值在5mm～35mm，下底长为l
15
+l
16
，满足l
15
≥l
17
，l
16
取值在5mm～35mm；截面为矩形的圆环形空腔轴向长度为l
16
，径向内半径为r
10
，满足r
10
<r9，径向外半径为r9；外导体(6)由一段半径较大的内壁光滑薄壁圆筒和一段半径较小的厚壁圆筒组成，所述半径较大的内壁光滑薄壁圆筒径向内半径为r4，轴向长度为l5，满足l5＝l1+l3+l6；所述半
径较大的厚壁圆筒的外半径为r
12
，r
【专利技术属性】
技术研发人员：宋莉莉，高兴富，贺军涛，张昊冉，令钧溥，王蕾，李佳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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