一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器制造技术

本发明专利技术涉及高功率微波技术领域的微波源器件，具体涉及一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，属于高功率微波技术领域，包括阴极座、阴极、阳极外筒、内导体、注入波导、重入式谐振腔、输入腔、增益腔、群聚腔、末前腔、反射腔、双间隙提取腔、电子束收集极、输出波导、反馈环、支撑杆和螺线管磁场，整体结构关于中心轴线旋转对称；本发明专利技术采用了输入腔、增益腔、群聚腔、末前腔四级调制方案，有效提高了对电子束的调制能力，提升了器件的功率转换效率，且器件长度约为10倍器件工作波长，紧凑性较好，有利于推动相对论速调管放大器的模块化以及功率相干合成系统的小型化发展。以及功率相干合成系统的小型化发展。以及功率相干合成系统的小型化发展。

【技术实现步骤摘要】
一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器


[0001]本专利技术涉及高功率微波
的微波源器件，具体涉及一种四级调制高效率紧凑型同 轴相对论速调管放大器(Relativistic Klystron Amplifier，RKA)，属于高功率微波


技术介绍

[0002]高功率微波(High Power Microwave，HPM)通常是指输出功率为0.1
‑
100GW，频率介 于1GHz～300GHz的电磁波。高功率微波技术是脉冲功率技术和等离子体物理相结合的产物， 目前广泛应用于雷达、高能电子加速、微波等离子体加热、定向能等领域。
[0003]高功率微波源是高功率微波系统的核心器件，追求更高功率的微波输出一直是高功率微 波源的首要发展方向。然而，受限于腔内强场击穿、以及材料水平、加工工艺等限制，单个 微波源的功率提升有限。为进一步提升HPM系统的输出功率水平，高功率微波相干合成技 术应运而生，其利用多个微波源器件的输出微波进行功率合成，可以极大地提高现有HPM 系统的微波输出能力，是高功率微波技术重要的发展方向。
[0004]相对论速调管放大器(Relativistic Klystron Amplifier，RKA)是一种基于速度和密度调制 原理，将高能电子束的动能转换为高功率微波能量的微波源器件。RKA作为一种放大器件， 其输出微波频率和相位严格依赖于输入信号，可以实现锁频锁相，是高功率微波相干合成技 术的优选器件，得到了高功率微波
的广泛关注与研究。/>[0005]2019年，国防科技大学的张威博士提出了一种X波段高功率高效率相对论三轴速调管放 大器【张威.X波段高功率高效率相对论三轴速调管放大器研究[D].前沿交叉学科学院，长沙： 国防科技大学，2019】(以下称为技术1)。该器件主要由阴极座101、阴极102、阳极外筒103、 内导体104、注入波导105、输入腔106、第一反射腔107、第一群聚腔108、第二反射腔109、 第二群聚腔110、第三反射腔111、提取腔112、电子束收集极113、锥形波导114、反馈环 115、支撑杆116、输出波导117和螺线管磁场118组成，整体结构关于中心轴线旋转对称。 阴极座101左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒103左端外接脉冲功率源的外导体。阴 极102是一个薄壁圆筒，壁厚为2mm，外半径R1等于电子束的半径；阳极外筒103由两段 内半径分别为R2和R3的圆柱筒组成；内导体104是一个半径为R4圆柱体，外侧挖有圆环状 凹槽，其右端与收集极113连接。注入波导105为BJ84标准方形波导，通过两段螺线管磁场 118a和118b之间的间隙与输入腔106相连接，将外注入微波信号引入至输入腔106中，实现 对电子束的调制。输入腔106是一个圆环状的同轴谐振腔，内半径为R5，外半径为R6，工作 模式为同轴TM
011
模式，其轴向长度L1为工作波长λ的四分之一。第一反射腔107为圆环状 结构，用于抑制第一群聚腔中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向输入腔的泄露，其内 半径为R7，外半径为R8，轴向长度L2为工作波长λ的三分之一。第一群聚腔108为同轴双间 隙圆环结构，内半径为R9，外半径为R
10
，轴向长度L3约为工作波长λ的二分之一，其工作 于同轴TM
012
模式，作用是对电子束进行初步调制。第二反射腔109为圆环状结构，用于抑 制第二群聚腔中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向第一群聚腔的泄露，其内半径为 R7，外半径
为R8，轴向长度L4为工作波长λ的三分之一。第二群聚腔110为同轴双间隙圆环 结构，其内半径为R
12
，外半径为R
13
，轴向长度L5约为工作波长λ的二分之一，工作模式为 同轴TM011模式，其作用是为了防止电子束的过调制。第三反射腔111为圆环状结构，其内 半径为R7，外半径为R8，轴向长度L6约为工作波长λ的三分之一，用于抑制提取腔中的TEM 模式和高阶非旋转对称TE模式向第二群聚腔的泄露。提取腔112呈同轴双间隙圆环状，其 内半径为R
14
，外半径为R
15
，轴向长度L7约为工作波长λ的二分之一，工作模式为同轴TM012 模式，其作用是为了高效率的束波能量转换。电子束收集极113呈圆柱状，其半径为R
16
，在 左端挖有楔形凹槽。反馈环115是嵌在电子束收集极外壁上的一个金属圆环，用来调节提取 腔的谐振频率和Q值。支撑杆116共有两排，两排支撑杆之间的距离L8约为工作波长λ四分 之一的奇数倍。螺线管磁场118由118a和118b两段组成，通过设计电流大小和绕线匝数确 定磁场位型和强度。该器件工作在X波段，其工作频率为8.4GHz(对应工作波长约为 35.7mm)，整个器件的轴向长度约为60cm，对应约为工作波长λ的17倍。实验中，在二极 管电压610kV，电流9.1kA、导引磁场0.77T，注入微波功率40kW的情况下，该器件输出微 波功率1.766GW，频率8.4GHz，效率31.8％，输出微波的相位抖动被锁定在约10度范围内。 该器件采用了级联式的双群聚腔结构，有效克服强流电子束的空间电荷力，提高了电子束的 调制深度，使得器件的效率获得了提高，但是依旧存在以下不足：(1)级联式的双群聚腔结 构对电子束的调制能力依旧有限，因此提取腔未能高效地将电子束的能量转换为微波的能量， 器件的效率相对较低；(2)采用双群聚腔级联式的结构，增大了器件的轴向长度，器件的紧 凑性较差，不利于功率相干合成系统的小型化发展。
[0006]中国工程物理研究院对多注相对论速调管放大器进行过深入的研究，2020年，中国工程 物理研究院的刘振帮等人提出了一种X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器【刘振帮， 黄华，金晓，等.X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计[J].强激光与粒子束， 2020(10)：30
‑
36.】(以下称为技术2)。该器件主要由阴极座201、多注阴极202、阳极外筒203、 内导体204、输入腔205、一级群聚腔206、二级群聚腔207、提取腔208、收集极209、反馈 环210、输出波导211、螺线管磁场212和注入波导213组成，整体结构关于中心轴线旋转对 称。阴极座201左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒203左端外接脉冲功率源的外导体。 阴极202为多注结构，由16根半径为1mm的柱形阴极组成，外半径R1等于电子束的半径， 套在阴极座201右端，能够产生16注电子束。阳极外筒203由两段内半径分别为R2和R3的 圆柱筒组成。内导体204是一个半径为R4的圆柱体，外侧挖有圆环状凹槽，其右端与收集极209连接。输入腔205是一个“7”字型的同轴谐振腔，内半径为R5，外半径为R6，其轴向长 度L1约为工作波长λ的四分之一。一级群聚腔206为单间隙环形结构的同轴腔，其内半径为 R7，外半径为R8，轴向长度L2约为工作波长λ的三分之一，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四级调制高效率紧凑型同轴相对论速调管放大器，其特征在于：所述放大器包括阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、内导体(304)、注入波导(305)、重入式谐振腔(306)、输入腔(307)、增益腔(308)、群聚腔(309)、末前腔(310)、反射腔(311)、双间隙提取腔(312)、电子束收集极(313)、输出波导(314)、反馈环(315)、支撑杆(316)和螺线管磁场(317)，整体结构关于中心轴线旋转对称；阴极座(301)左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒(303)左端外接脉冲功率源的外导体；阴极(302)是一个薄壁圆筒，其半径R1等于电子束的半径，R1的具体尺寸由实际应用时器件的阻抗和功率容量决定；阳极外筒(303)由内半径分别为R2和R3，外半径均为R5的圆柱筒组成，满足R1<R3<R2<R5；内导体(304)是一个半径为R4的圆柱体，满足R4<R1；阴极(302)和阳极外筒(303)之间的轴向长度L1称为阴阳极间距，L1的取值一般为10
‑
20mm；在阳极外筒(303)上开设有一内半径为R
12
，宽为L5的圆环形凹槽(303a)，其左端与内半径为R3的阳极筒左端的距离为L6，满足R3<R
12
<R2，L5的长度一般取2
‑
5mm，L6一般取工作波长λ的2
‑
2.5倍，圆环形凹槽(303a)作为注入波导(305)的注入端口，用于注入种子微波信号；注入波导(305)位于圆环形凹槽(303a)的左侧，为BJ
‑
140标准矩形波导，其外壁与阳极外筒(303)外壁的距离为L7，其横截面为“厂”字形，L7的取值一般为5
‑
10mm，注入波导(305)为上下对称的双端口结构，其将注入端口引入的外注入式微波信号引入至重入式谐振腔(306)，再由重入式谐振腔(306)进入输入腔(307)中，实现对电子束的调制；重入式谐振腔(306)呈圆环状，其左侧与内导体(304)左侧端面的距离为L2，其内半径为R9，外半径为R8，长度为L4，满足R2>R8>R9，L2一般取工作波长λ的0.5
‑
1倍，L4的取值一般为工作波长λ的1
‑
1.5倍，距离重入式谐振腔(306)右端L8处连接注入波导(305)，L8的取值一般为工作波长λ的0.15
‑
0.25倍，通过改变L8的长度能够在不改变输入腔谐振频率的前提下调节腔体的Q值，从而减少注入信号的损耗，保证输入腔具有较高的吸收率；输入腔(307)为一圆环形空腔，其左端与重入式谐振腔(306)的左端平齐，其内半径为R6，外半径为R7，长度为L3，满足R6<R4，R3<R7<R
12
，L3的取值为工作波长λ的0.15
‑
0.25倍，输入腔(307)的作用是将注入的微波信号匹配吸收，并在其内建立起高频电磁场，当电子束经过时对其进行初步的预调制；增益腔(308)为一圆环形空腔，其位于输入腔(306)右端L9处，内半径为R
10
，外半径为R
11
，长度为L
10
，满足R6<R
10
<R4，R3<R
11
<R8，L9的取值一般为工作波长λ的1
‑
1.5倍，L
10
的取值一般为工作波长λ的0.2
‑
0.3倍，增益腔(308)的作用是对电子束进行第二级调制，提高电子束的调制深度；群聚腔(309)为一圆环形空腔，其位于增益腔(308)右端L
11
处，内半径为R
10
，外半径为R
11
，长度为L
12
，L
11
的取值一般为工作波长λ的0.6
‑
0.8倍，L
12
的取值一般为工作波长λ的0.2
‑
0.3倍，群聚腔(309)的作用是对电子束进行第三级调制，再次提高电子束的调制深度；末前腔(310)为一横截面为等腰梯形的圆环形空腔，位于群聚腔(309)右端L
13
处，其上底内半径为R
10
，上底外半径为R
11
，上底长为L
14
，斜边在轴向的投影长为L
15
，L
13
的取值一般为工作波长λ的0.7
‑
0.9倍，L
14
的取值一般为工作波长λ的0.1
‑
0.2倍，L
15
的取值一般为工作波长λ的0.05
‑
0.2倍，末前腔(310)的作用是对电子束进行第四级调制，进一步提高电子束的调制深度，使电子束在双间隙提取腔312处达到最大调制深度；反射腔(311)为一圆环形空腔，其位于末前腔(310)右端L
16
处，内半径为R
13
，外半径为R
14
，长度为L
17
，满足R
13
<R6，R8<R
14
<R2，L
16
的取值一般为工作波长λ的0.5
‑
0.7倍，L
17
的取值一般为工作波长λ的0.3
‑
0.5倍，反射腔(311)的作用是抑制双间隙提取腔(312)中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向末前腔310的泄露；双间隙提取腔(312)
由第一圆环形空腔(312a)和第二圆环形空腔(312b)组成：第一圆环形空腔(312a)位于反射腔(311)右端L
18
处，其内半径为R
15
，外半径为R
16
，长度为L
19
，满足R6<R
15
<R4，R3<R
16
<R8，L
18
的取值一般为工作波长λ的0.25
‑
0.35倍，...

【专利技术属性】
技术研发人员：党方超，周宁，阳福香，葛行军，张晓萍，张鹏，巨金川，贺军涛，
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：