[发明专利]高功率径向线相对论速调管放大器

摘要

本发明涉及高功率微波技术领域一种径向线相对论速调管放大器。本发明在径向线波导的两侧内壁挖刻环形槽，形成输入腔、群聚腔和提取腔，在输入腔一侧开口形成同轴输入波导，在提取腔另一侧开口形成同轴输出波导，电子束径向发射，在径向线中传输，在输入腔与注入种子微波作用产生初步调制，在群聚腔中调制加深，在提取腔将部分能量转换成微波能量，放大后的微波经同轴波导输出。本发明径向线相对论速调管放大器空间电荷效应弱、功率容量高，有利于提高束波能量转换效以及长脉冲运行；收集极表面积大，电子束能量沉积密度小，有利于重频运行，可克服传统相对论速调管放大器在高频段遇到的瓶颈问题。

主权项

一种径向线相对论速调管放大器，其特征在于：所述放大器由二极管阴极(1)、二极管阳极(2)、第一谐振腔面板(3)、第二谐振腔面板(4)组成；二极管阴极(1)连接脉冲功率驱动源阴极，二极管阳极(2)与第一谐振腔面板(3)的左端均连接脉冲功率驱动源阳极，第一谐振腔面板(3)与第二谐振腔面板(4)的右端均连接微波辐射系统；二极管阴极(1)由阴极底座(11)和电子发射凸台(12)组成：阴极底座(11)为半径R₁、长度L₁的圆柱体，左端连接脉冲功率驱动源的阴极，R₁不宜过小，也不宜过大，一般R₁的取值范围为(60～120)mm，L₁可根据实际装配需求取值，一般L₁应满足L₁≥30mm；阴极底座(11)右端连接有电子发射凸台(12)，电子发射凸台(12)为外半径R₂的圆环凸台，内半径等于R₁，R₂＝R₁+2mm，电子发射凸台(12)用于发射电子束，宽度W决定发射电子束的宽度，一般W应满足W≤3mm，电子发射凸台(12)右侧与阴极底座(11)右侧端面距离为L₂，L₂应满足L₂≤6mm，以避免二极管阴阳极之间发生高电压击穿；二极管阳极(2)由阳极导体(21)和输入调节环(22)组成：阳极导体(21)为圆筒结构，左端连接脉冲功率驱动源阳极，阳极导体(21)内半径为R₃，R₃与阴极底座(11)的半径R₁共同决定二极管的阻抗，R₃与R₁之差越大，二极管阻抗越高，一般R₃与R₁之差满足20mm≤(R₃‑R₁)≤50mm，阳极导体(21)外半径为R₄，R₄≈R₃+20mm，阳极导体(21)长度为L₃，L₃可由实际装配条件决定，一般L₃应满足L₃≥30mm；阳极导体(21)的右端连接有输入调节环(22)，输入调节环(22)为圆环结构，右端距离阳极导体(21)右端面L₄，当径向线相对论速调管放大器输出微波的波长为λ时，则L₄≈λ/7，输入调节环(22)内半径与阳极导体(21)的外半径R₄相同，外半径为R₅，R₅≈R₄+3mm,输入调节环(4)的长度为L₅，L₅的取值范围为(2～5)mm，输入调节环(22)用于调节径向线相对论速调管放大器输入微波的吸收效率；第一谐振腔面板(3)由输入波导壁(31)、谐振腔左面板(32)、收集极(33)和输出波导壁(34)组成：输出波导壁(31)为圆筒结构，左端连接脉冲功率驱动源阳极，右端连接谐振腔左面板(32)，输入波导壁(31)内半径为R₆，R₆≈R₄+5mm，外半径为R₇，R₇≈R₆+8mm，长度为L₆，L₆＝L₃，输入波导壁(31)和阳极导体(32)之间的间隙构成径向线相对论速调管放大器的微波输入波导，微波输入波导宽度为(R₆‑R₄)，约为5mm；谐振腔左面板(32)为圆环形面板，内侧连接输入波导壁(31)，外侧右端面连接收集极(33)，谐振腔左面板(32)内半径等于输入波导壁(31)的外半径R₇，谐振腔左面板(32)的右侧端面上挖有两组圆环形凹槽，沿径向由内而外分别为群聚腔环形槽(32a)和输出腔环形槽(32b)：群聚腔环形槽(32a)的个数一般为1～3个，每个槽的深度均为L₇，槽宽度均为H₁，槽间距均为H₂，L₇＝L₂，H₁≈λ/3，H₂≈H₁/2，群聚腔环形槽(32a)第一个槽的内半径为R₉，R₉≥(R₇+3×λ)；输出腔环形槽(32b)的个数一般也为1～3个，每个槽的深度均为L₈，槽宽度均为H₃，槽间距均为H₄，L₈≈L₇，H₃≈H₁，H₄≈H₂，输出腔环形槽(32b)第一个槽的内半径为R₁₀，R₁₀≥(R₉+3×λ)，谐振腔左面板(32)的厚度为L₉，L₉＝L₃‑L₆，外半径为R₈，R₈≥(R₁₀+λ)；收集极(33)为圆环结构，左端连接谐振腔左面板(32)，右端连接输出波导壁(34)，收集极(33)外半径等于谐振腔左面板(32)的外半径R₈，内半径为R₁₁，R₁₁大于输出腔环形槽(32b)最外侧槽的外半径，收集极(33)宽度为L₁₀，L₁₀≈λ/3；输出波导壁(34)为圆筒结构，左端连接收集极(33)，输出波导壁(34)外半径等于谐振腔左面板(32)的外半径R₈，内半径为R₁₂，R₁₂等于输出腔环形槽(32b)最外侧槽的外半径，输出波导壁(34)的长度为L₁₁，L₁₁的取值需根据实际装配需要得到，一般应满足L₁₁≥30mm；第二谐振腔面板(4)由谐振腔右面板(41)、输出调节环(42)与阳极壁(43)组成：谐振腔右面板(41)为圆筒结构，内半径为R₁₃，R₁₃等于阳极导体(21)内半径R₃，外半径为R₁₉，R₁₉略小于输出波导壁(34)内半径R₁₂，一般R₁₉≈R₁₂‑λ/3，谐振腔右面板(41)的轴向长度为L₁₂，L₁₂＝L₁₁，谐振腔右面板(9)的左侧端面上对应微波输入波导、群聚腔环形槽(32a)和输出腔环形槽(32b)处分别挖有圆环形凹槽，沿径向由内而外排列，依次为输入腔环形槽(41a)、群聚腔环形槽(41b)和输出腔环形槽(41c)，输入腔环形槽(41a)的个数为1个，群聚腔环形槽(41b)的槽个数与群聚腔环形槽(32a)的槽个数相同，输出腔环形槽(41c)的槽个数比输出腔环形槽(32b)的槽个数少1个：输入腔环形槽(41a)的内半径为R₁₄，R₁₄＝R₄，槽宽度为H₅，H₅＝R₆‑R₄，槽深度为L₁₅，L₁₅≈L4，输入腔环形槽(41a)与输入调节环(22)共同组成径向线相对论速调管放大器的输入腔；群聚腔环形槽(41b)的内半径为R₁₅，R₁₅＝R₉，槽高度均为H₆，H₆＝H₁，槽深度均为L₁₆，L₁₆＝L₇，槽间距均为H₇，H₇＝H₂，群聚腔环形槽(41b)与群聚腔环形槽(32a)共同组成径向线相对论速调管放大器的群聚腔；输出腔环形槽(41c)的内半径为R₁₆，R₁₆＝R₁₀，槽宽度均为H₈，H₈＝H₃，槽深度均为L₁₇，L₁₇＝L₈，槽间距均为H₉，H₉＝H₄；谐振腔右面板(41)与谐振腔左面板(32)之间的间隙构成径向线传输通道，也称为漂移段，径向线输出通道的宽度等于收集极(33)的宽度L₁₀；谐振腔右面板(41)与输出波导壁(34)之间的间隙构成径向线相对论速调管放大器的微波输出波导，微波输出波导的宽度为(R₁₂‑R₁₉)；输出腔环形槽(41c)的外侧有输出调节环(42)，内半径为R₁₇，R₁₇＝R₁₆+M×(H₈+H₉)，M为输出腔环形槽(41c)的槽个数，M＝1、2、3，输出调节环(42)的外半径为R₁₈，R₁₈≈R₁₉+λ/5，宽度为L₁₈，L₁₈≈3mm，输出调节环(42)右侧距离谐振腔右面板(41)右侧的距离为L₁₃，L₁₃＝L₁₂‑(L₁₇+L₁₈)，输出腔环形槽(32b)、输出调节环(42)与输出腔环形槽(41c)共同组成径向线相对论速调管放大器的输出腔；谐振腔右面板(41)中心圆筒靠右为阳极壁(43)，阳极壁(43)为圆板结构，半径等于谐振腔右面板(42)的内半径R₁₃，厚度为L₁₄，一般L₁₄≈10mm。