[发明专利]基于脊圆波导耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管

说明书

本发明公开了一种基于脊圆波导耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，属于微波技术领域。该磁控管包括若干个高频系统，相邻两高频系统之间通过脊圆波导耦合结构轴向级联。脊圆波导耦合结构可以在降低径向空间占用的前提下提高耦合度，高频电磁场通过脊圆波导耦合结构从一个高频系统传入相邻高频系统中，实现两管内电磁谐振频率同步和高频电磁场相位锁定。

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种可以锁频锁相运行的轴向级联相对论磁控管。

背景技术

从实用型高功率微波系统角度出发，高功率微波系统的发展主要集中在以下方面：(1)系统的小型化和紧凑化，提高功耗比；(2)高重复频率工作；(3)频率可调谐；(4)多频输出；(5)锁相阵列输出与功率合成。相对论磁控管自诞生以来，由于其具有紧凑性和高效率的特点，一直备受关注。为了满足未来高功率微波源的发展应用需求，具有高输出功率、高转换效率、适合长脉冲和高重复频率运行、锁频锁相多端口输出等特点的相对论磁控管成为了人们重点研究目标。

按拓扑结构分类，目前已经提出的相对论磁控管锁相方法有3类，分别为等位锁相、注入锁相、级联锁相。1989年，美国Physics International公司James N.Benford等提出等位锁相的相对论磁控管，使用矩形波导连接2个平行放置的A6相对论磁控管的输出端口实现锁定，并使用其余的端口进行微波输出，在两个磁控管共同工作的情况下获得了约3GW的输出功率。1991年，美国Varian Associates股份有限公司Todd A.Treado等提出注入锁相的相对论磁控管，利用S波段3MW同轴磁控管对相对论磁控管的一个端口注入功率，实验测得相对论磁控管在锁相情况下可产生52MW的输出功率。1992年，美国GeneralDynamics集团Keith G.Kato等提出级联锁相的相对论磁控管，将4个八腔磁控管的阳极沿轴向等间距排布，各管中对应的阴极被连为一体，拟在16个输出端口获得总和高于1GW的输出功率。2015年，美国Raytheon公司Andrey D.Andreev提出利用轴向隔模带连接相邻磁控管的阳极块实现级联锁定的孔槽型常规磁控管。

多个相对论磁控管级联排列时，将有数倍于单个磁控管工作电流的强电流流过靠近加速器一端的阴极杆，在注-波互作用区引起幅值与轴向外加磁场比拟的角向感应磁场，进而引发电子轴向漂移、工作模式跳变、频率推移效应和脉冲缩短效应，导致级联相对论磁控管锁频锁相失败。

目前提出的级联锁相方案的耦合方式较为单一，级联锁相相对论磁控管主要通过拉近相邻磁控管的间距实现高频电磁场交互，级联锁相常规功率磁控管利用轴向隔模带导通相邻磁控管中的阳极块实现电耦合，两种方案在实际应用中仍然存在较多限制。

拉近相邻阳极块的距离，会改变谐振系统的结构特征，进而改变磁控管的各个本征模式的耦合阻抗，易导致磁控管预期工作模式的工作区变窄，损失了一定的电子调谐范围，对外加阳极电压和外加轴向磁场的调控精度提出了更高的要求，降低了磁控管实用性。同时，相邻磁控管提取通道的轴向间距过小会提高结构设计难度，降低了布局的灵活性。

轴向隔模带设计方案在级联常规功率磁控管中运行效果较好，但是在级联相对论磁控管中难以达到理想工作状态。流过级联相对论磁控管阴极的强电流，在阴极和阳极之间的注-波互作用区域引起较强的角向感生磁场，与阴极和阳极之间的径向电场共同推动电子做轴向漂移运动，导致级联的各个磁控管互作用区内电子密度分布失衡，进一步导致各管的输出功率差异过大。较强的角向电场存在易激励起轴向的高次谐波模式，与基模工作频点存在较大差异。仅用常规的隔模带结构难以实现相位锁定。

发明内容

为了克服上述技术不足，本发明在一种级联相对论磁控管的结构的基础上，提出了一种基于脊圆波导耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，解决了传统级联相对论磁控管中相邻两高频系统距离较远时耦合度不足以克服角向感应磁场的干扰实现锁相的问题。

本发明所采用的技术方案是：