[发明专利]紧凑型轴向输出TE11模式的相对论磁控管

摘要

本发明属于高功率微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种能使轴向输出的微波模式更加纯净，整个系统更加紧凑的具有圆TE11输出模式的相对论磁控管。针对目前轴向输出相对论磁控管需要更加纯净的单一输出模式的问题，和现有轴向输出相对论磁控管难以满足紧凑化、小型化等方面的需求的问题，提出了一种新型相对论磁控管，该磁控管由同轴输入结构、谐振腔结构、轴向输出过渡段、圆形输出波导和外加磁场系统组成，通过对磁控管阳极结构的改进，轴向输出过渡段的设计，矩形输出波导的设计以及外加磁场系统的设计，不仅可以直接轴向输出更加纯净的圆TE11模式微波，而且可以使得整个系统更加紧凑化、小型化。

主权项

一种紧凑型轴向输出TE11模式的相对论磁控管，其特征在于：所述磁控管由同轴输入结构、谐振腔结构、轴向输出过渡段、圆形输出波导和外加磁场系统组成，其中，同轴输入结构轴向外接谐振腔结构，谐振腔结构轴向外接轴向输出过渡段，轴向输出过渡段轴向外接圆形输出波导，外加磁场系统安装在同轴输入结构、谐振腔结构和轴向输出过渡段的外围圆柱空间区域，且它们的轴向中心线均重合；所述同轴输入结构由同轴外筒和阴极连接杆组成，所述阴极连接杆与所述同轴外筒的轴向中心线重合，所述同轴外筒内径为R_oi，外径为R_o，所述阴极连接杆半径为R_i，上述参数之间满足下述关系：0<R_i<R_oi<R_o；所述谐振腔结构由具有2(2N+1)个腔的典型磁控管谐振腔结构和磁控管中阳极块的改进结构组成，所述具有2(2N+1)个腔的典型磁控管谐振腔结构由磁控管外筒、阳极和阴极组成，所述磁控管外筒轴向外接在同轴输入结构的末端，其内径为R_v，外径与同轴外筒的外径R_o相等，轴向长度为H_o，所述阳极由2(2N+1)个沿磁控管外筒内壁圆周角向周期分布的阳极块构成，其半径为R_a，轴向长度为H_a，且阳极末端面与磁控管外筒末端面平齐，各阳极块之间的腔构成磁控管谐振腔，每个谐振腔的角向宽度均为θ，所述阴极轴向固定在所述同轴输入结构中阴极连接杆的末端，位于所述磁控管外筒的轴向中心线上，其半径为R_c，轴向长度为H_c；所述磁控管中阳极块的改进结构为每个阳极块的光滑内表面所具有的凹槽或突起结构，其中，所述凹槽或突起结构沿磁控管圆周角向交替分布在每个阳极块内表面上，凹槽或突起的角向中心线均与所在阳极块的角向中心线重合，每个凹槽的径向深度均为ΔR_r，角向宽度均为θ_r，每个突起的径向深度均为ΔR_p，角向宽度均为θ_p，凹槽或突起的轴向长度均与阳极块的轴向长度H_a相等，上述参数之间满足下述关系：0<R_c<R_a<R_v<R_o，0<ΔR_r<R_v‑R_a，0<ΔR_p<R_a‑R_c，0<θ_r<180°/(2N+1)‑θ，0<θ_p<180°/(2N+1)‑θ，0<H_a<H_o，H_o‑H_a<H_c；所述轴向输出过渡段由轴向输出过渡段前段和轴向输出过渡段后段组成，其中所述轴向输出过渡段前段的轴向长度为H_c1，所述轴向输出过渡段后段的轴向长度为H_c2，划分轴向输出过渡段前段与轴向输出过渡段后段的横截面为轴向输出过渡段分界横截面；所述轴向输出过渡段前段由轴向输出过渡段前段外筒和轴向输出过渡段前段外筒以内的结构组成，所述轴向输出过渡段前段外筒由磁控管外筒内径为R_v，外径为R_o的末端口圆环面，与轴向输出过渡段分界横截面上内径为R_v1，外径为R_o1的圆环面之间形成的线性渐变过渡段构成；所述轴向输出过渡段前段外筒以内的结构，其真空部分由互作用区轴向过渡段前段、单独输出腔轴向过渡段前段和合成输出腔轴向过渡段前段组成，所述互作用区轴向过渡段前段由磁控管的互作用区上圆面半径为R_a的端口横截圆面与轴向输出过渡段分界横截面上圆面半径为R_a1的圆面之间形成的线性渐变过渡段构成，选取磁控管中一组角向相对的两个谐振腔，将其命名为单独输出腔，并将其他谐振腔命名为合成输出腔，则所述单独输出腔轴向过渡段前段由所述单独输出腔的端口横截面与轴向输出过渡段分界横截面上短边长度为W_one1、与轴向中心线相距R_one1、长边长度为(R_v1‑R_one1)的单独类矩形面之间形成的线性渐变过渡段构成，所述合成输出腔轴向过渡段前段由合成输出腔轴向过渡段前段基本部分减去阳极块轴向过渡段构成，所述合成输出腔轴向过渡段前段基本部分由两个相邻的合成输出腔的端口横截面加上所述两个相邻的合成输出腔之间的阳极块端口横截面与轴向输出过渡段分界横截面上短边长度为W_two1、与轴向中心线相距R_two1、长边长度为(R_v1‑R_two1)的合成类矩形面之间形成的线性渐变过渡段构成，所述阳极块轴向过渡段由阳极块轴向过渡段外部、阳极块轴向过渡段内部前段和阳极块轴向过渡段内部后段组成，以半径R_cut的圆弧为分界将两个相邻的合成输出腔之间的阳极块端口横截面分割成两部分，将半径大于R_cut的部分命名为阳极块端口横截面外部，将半径小于R_cut的部分命名为阳极块端口横截面内部，所述阳极块轴向过渡段外部由阳极块端口横截面外部沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_board、短边长度为W_board、与轴向中心线相距R_board、长边长度为(R_v+(R_v1‑R_v)*H_board/H_c1‑R_board)的类矩形横截面构成，所述阳极块轴向过渡段内部前段由阳极块端口横截面内部沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_board、上底为类矩形横截面短边、边长为W_board、下底为半径为R_stick1、角向宽度为θ_stick1的圆弧的类梯形横截面构成，所述阳极块轴向过渡段内部后段由所述类梯形横截面再沿轴向方向线性渐变过渡到轴向距离为H_stick、底边为半径为R_stick2、角向宽度为θ_stick2的圆弧、类半圆横截面的半径为(R_stick2*sin(θ_stick2/2))的类半圆横截面构成，上述参数之间满足下述关系：0<R_a<R_cut<R_v<R_o，0≤R_one1≤R_a1，0≤R_two1≤R_a1，0<R_a1<R_v1<R_o1，0<R_stick1≤R_board<R_v+(R_v1‑R_v)*H_board/H_c1，0<R_stick2<R_stick2+R_stick2*sin(θ_stick2/2)<R_v1，0<θ_stick1≤180°/(2N+1)‑θ，0<θ_stick2≤180°/(2N+1)‑θ，0<W_one1<2*R_v1，0<W_two1<2*R_v1，0<H_board+H_stick<H_c1；所述轴向输出过渡段后段由轴向输出过渡段后段外筒和轴向输出过渡段后段外筒以内的结构组成，所述轴向输出过渡段后段外筒由所述轴向输出过渡段分界横截面上的圆环面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上内径为R_v2，外径为R_o2的圆环面之间形成的线性渐变过渡段构成；所述轴向输出过渡段后段外筒以内的结构，其真空部分由互作用区轴向过渡段后段、单独输出腔轴向过渡段后段和合成输出腔轴向过渡段后段组成，所述互作用区轴向过渡段后段由所述轴向输出过渡段分界横截面上的圆面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上半径为R_v2的圆面之间形成的线性渐变过渡段构成，所述单独输出腔轴向过渡段后段由所述轴向输出过渡段分界横截面上的单独类矩形面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上短边长度为W_one2、与轴向中心线相距R_one2、长边长度为(R_v2‑R_one2)的单独类矩形面之间形成的线性渐变过渡段构成，所述合成输出腔轴向过渡段后段由所述轴向输出过渡段分界横截面上的合成类矩形面与轴向输出过渡段后段的端口横截面上短边长度为W_two2、与轴向中心线相距R_two2、长边长度为(R_v2‑R_two2)的合成类矩形面之间形成的线性渐变过渡段构成，上述参数之间满足下述关系：0≤R_one2≤R_v2，0≤R_two2≤R_v2，0<R_v2<R_o2，0<W_one2<2*R_v2，0<W_two2<2*R_v2，0<H_c2；所述圆形输出波导是一个内径为R_v2，外径为R_o2的圆波导，所述圆形输出波导轴向外接在所述轴向输出过渡段后段的末端口横截面上，上述参数之间满足下述关系：0<R_v2<R_o2；所述外加磁场系统由两组螺线管组成，包围在同轴输入结构、谐振腔结构和轴向输出过渡段的外围圆柱空间区域，所述两组螺线管分别位于磁控管阳极结构的轴向中心横截面的两侧，两组螺线管同步触发，且在磁控管互作用区内产生的轴向磁场大小和方向一致。