[发明专利]紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器

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，尤其是一种紧凑型、低频段、频率可调相对论返波振荡器RBWO(Relativistic Backward-Wave Oscillator)。

背景技术

近年来，高功率微波(根据Benford和Swegle的约定，高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波)在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，已经提出的高功率微波应用多种多样：高功率微波定向能武器、卫星和空间平台供能、小型深空探测器的发射、轨道飞行器高度改变推进系统、电子高能射频加速器、材料加工与处理等。然而，无论哪一种应用都需要不同频段、较高功率的微波支持。作为高功率微波系统的核心器件，高功率微波源利用强流相对论电子束与器件内部腔体的谐振模式相互作用，进而辐射高功率微波。因此，研制频率可调、高功率、高效率以及紧凑型高功率微波源是高功率微波技术发展的重要方向之一。

RBWO是发展较成熟的振荡器型的高功率微波源，具有结构简单、效率高以及适合重复频率工作等优点，在工业和国防领域有着广泛的应用前景。由于RBWO的工作频段与器件的尺寸存在密切的关系，高频段器件尺寸较小，而低频段器件尺寸较大。此外，低频段器件还需要配备体积较大的螺线管磁场对电子束进行约束，造成整个系统庞大，不利于加工和实验。因此，RBWO在向低频段(＜2GHz)拓展遇到了很大困难。然而，低频段高功率微波具有以下优点：微波波长长，绕射能力强，因而容易穿越遮蔽物，与目标体直接发生相互作用；微波的自由空间传输损耗小，传输距离远。因此，研究具有紧凑结构的低频段RBWO具有重要的理论和现实意义。另外，构造方便可调的电动力学结构以实现输出微波频率可调，具有重要的实际应用价值，是高功率微波的重要研究方向之一。

目前，对RBWO的研究多集中在S、C、X和毫米波段，对P、L波段等低频段在理论方面研究较少，实验方面更是没有报导。其中，研究L波段器件具有代表性的是采用同轴结构缩小器件的径向尺寸【牛洪昌，钱宝良.紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟.强激光与粒子束，2006，Vol.18，No.11，pp.1879-1882】。这种器件由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场、吸波介质、支撑杆组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。虽然该论文公布了该结构的组成，但该结构只是初步建立的数值仿真模型，没有具体技术方案，从论文的描述中只能简要知道本结构的大致连接关系。为了叙述方便，下文中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。

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，壁厚仅为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。慢波结构由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是正弦结构，最大外半径R₄和最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂。慢波叶片的长度L₁为工作波长λ的二分之一。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。内导体是一个半径为R₃的圆柱体，R₃＜R₁。收集极是一个半径为R₆的圆柱体，收集极左端面距离慢波结构右侧末端的距离为L₂。内导体和收集极由一排环形支撑杆支撑并从阳极外筒的右端沿轴向嵌入阳极外筒内固定。收集极与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。螺线管磁场为仿真计算中设置的理想模型，通过设置电流大小和绕线匝数确定磁场大小。吸波介质为仿真计算中设置的理想吸波介质，通过设置介电常数和长度实现对输出微波的匹配吸收。