一种可直接输出双频微波的双电子束相对论返波管
阅读说明：本技术 一种可直接输出双频微波的双电子束相对论返波管 (Double-electron-beam relativistic backward wave tube capable of directly outputting double-frequency microwaves ) 是由 林舒 孙鹏 史彦超 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可直接输出双频微波的双电子束相对论返波管,属于高功率微波器件技术领域。本发明采用同心双环形阴极和连接在一起的第一、第二高频结构,第一高频结构包括外导体预调制腔、外导体慢波结构和外电子束收集极,第二高频结构包括内导体预调制腔、内导体慢波结构、漂移段和内电子束收集极。同心双环形阴极发射出的两列电子束分别于内、外导体慢波结构发生束波作用,产生两种不同频率的TM01模式的电磁波,并且实现在整个器件内部的自然合成得到稳定的拍波。相较于已有的双频同轴相对论返波管,本发明中的内、外导体之间是直接连接在一起的,不需要额外设计内、外导体之间的支撑连接杆,器件结构简单,易于加工。(The invention discloses a dual-electron-beam relativistic backward wave tube capable of directly outputting dual-frequency microwaves, and belongs to the technical field of high-power microwave devices. The invention adopts a concentric double ring-shaped cathode and a first high-frequency structure and a second high-frequency structure which are connected together, wherein the first high-frequency structure comprises an outer conductor pre-modulation cavity, an outer conductor slow-wave structure and an outer electron beam collector, and the second high-frequency structure comprises an inner conductor pre-modulation cavity, an inner conductor slow-wave structure, a drift section and an inner electron beam collector. Two lines of electron beams emitted by the concentric double-ring cathode respectively generate beam wave action in the inner conductor slow wave structure and the outer conductor slow wave structure to generate two electromagnetic waves of TM01 modes with different frequencies, and stable beat waves are obtained through natural synthesis in the whole device. Compared with the existing double-frequency coaxial relativistic backward wave tube, the inner conductor and the outer conductor are directly connected together, a supporting connecting rod between the inner conductor and the outer conductor does not need to be additionally designed, and the device is simple in structure and easy to process.)
技术领域
本发明属于高功率微波器件技术领域，具体涉及一种可直接输出双频微波的双电子束相对论返波管。
背景技术
近年来，高功率微波器件在高功率、高效率、高重频、长脉冲、低磁场等方面已经开展了很多的研究，与此同时，单个高功率微波器件产生双频微波也成为了一个新的研究方向。双频高功率微波器件产生的拍波可以用于攻击电子系统以及各种通信系统。拍波的瞬时功率高，能够有效地提升作用距离，另外形成的拍波频谱成分丰富，可以利用高频载波来发射低频微波，低频信号的衍射效应有利于后门耦合，可以有效地扩展目标作用范围。双频高功率微波器件的研究有利于进一步拓展传统高功率微波器件的输出频谱特性，在国防军事领域有着重要的研究意义。
相对论返波管(Relativistic Backward Wave Oscillator,RBWO)是目前最有潜力走向实用化的高功率微波源之一。当前，在相对论返波管中产生双频微波的方法主要有两种：一种是在RBWO中使用分段式的慢波结构，电子束与两段慢波结构发生束波作用产生两列不同频率的电磁波，该结构虽然简单，但是其转换效率受到较大限制。第二种是使用双电子束同轴嵌套RBWO，该结构含有两段慢波结构和两个输出通道，产生的两列微波分别沿着各自的通道传输后再进行合成。这种结构束波转换效率相比于第一种效率有所提升，但是其结构变得相对复杂，并且还需要额外设计同轴结构中内外导体之间的连接杆。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种结构简单且束波转换效率大的可直接输出双频微波的双电子束相对论返波管。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种可直接输出双频微波的双电子束相对论返波管，包括同心双环形阴极、磁场线圈、第一高频结构和第二高频结构；
所述第一高频结构由外导体预调制腔、外导体慢波结构和外电子束收集极依次连接组成；所述第二高频结构由内导体预调制腔、内导体慢波结构、漂移段和内电子束收集极依次连接组成；
所述外导体慢波结构与内导体慢波结构之间的区域形成第一束波作用区，所述内导体慢波结构下方区域为第二束波作用区；
外电子束收集极末端与第二高频结构连接构成一个整体，磁场线圈能够产生轴向引导磁场；
同心双环形阴极置于第一高频结构和第二高频结构的前端，能够同时发射出两列环形电子束，两列电子束分别与外导体慢波结构和内导体慢波结构进行束波作用，产生不同频率的电磁波。
优选地，在第一束波作用区，同心双环形阴极发射的外电子束与外导体慢波结构进行束波作用产生第一电磁波；在第二束波作用区，同心双环形阴极发射的内电子束与内导体慢波结构进行束波作用产生第二电磁波。
优选地，所述外导体慢波结构由两段经过倒角处理的矩形波纹构成，两段矩形波纹的周期不同、波纹深度不同。
进一步优选地，第一段波纹周期有4个，第二段波纹周期有3个，两部分的波纹周期和深度不同，以提高外电子束与外导体慢波结构的束波作用强度，最大化的提升转换效率。
优选地，所述内导体慢波结构包括两段分离而设的矩形波纹慢波结构，两段矩形波纹的周期不同，两段矩形波纹通过漂移段连接，中间通过漂移段对电子束进行再调制，以减小电子束的能散。
优选地，所述外导体慢波结构与内导体慢波结构的波纹深度与周期长度均经过非均匀处理，非均匀处理是指对波纹深度和周期长度均作了细微的调整，以便于提高相对论返波管的输出功率。
优选地，第一束波作用区和第二束波作用区均为真空区域。
优选地，所述外导体预调制腔为矩形腔，所述内导体预调制腔为梯形腔。
优选地，外电子束收集极上开设有矩形凹槽，用于对经过群聚后的外电子束进行收集，其次特殊的结构也改变了外导体慢波结构的右端边界条件，提高了束波转换效率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用了同心双环形阴极和连接在一起的第一、第二高频结构，第一高频结构包括外导体预调制腔、外导体慢波结构和外电子束收集极，第二高频结构包括内导体预调制腔、内导体慢波结构、漂移段和内电子束收集极。同心双环形阴极发射出的两列电子束分别与内、外导体慢波结构发生束波作用，产生两种不同频率的TM01模式的电磁波，并且实现在整个器件内部的自然合成得到稳定的拍波。相较于已有的双频同轴相对论返波管，本发明中的内、外导体之间是直接连接在一起的，不需要额外设计内、外导体之间的支撑连接杆，因此本发明的器件结构简单，易于加工。
附图说明
图1是本发明的可直接输出双频微波的双电子束相对论返波管的二维模型结构示意图，该模型采用柱坐标系，沿水平方向为z轴，垂直方向为r轴。
图2是本发明的可直接输出双频微波的双电子束双频相对论返波管第一高频结构的二维模型结构示意图。
图3是本发明的可直接输出双频微波的双电子束双频相对论返波管第二高频结构二维模型结构示意图。
图4是本发明的可直接输出双频微波的双电子束双频相对论返波管输出功率随时间的变化。
其中，同心双环形阴极1、磁场线圈2、第一高频结构3、第二高频结构4、外导体预调制腔5、外导体慢波结构6、外电子束收集极7、内导体预调制腔8、内导体慢波结构9、漂移段10、内电子束收集极11、第一束波作用区12、第二束波作用区13。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明公开的一种可直接输出双频微波的双电子束相对论论返波管，工作于X波段，整个器件包括同心双环形阴极，磁场线圈，第一高频结构和第二高频结构；第一高频结构由外导体预调制腔、外导体慢波结构和外电子束收集极依次连接组成；第二高频结构由内导体预调制腔、内导体慢波结构、漂移段和内电子束收集极依次连接组成；外导体慢波结构与内导体慢波结构之间的区域为第一束波作用区，内导体慢波结构下方区域为第二束波作用区；外电子束收集极末端与第二高频结构直接连接在一起构成一个整体。整个器件结构均为理想导体，束波作用区均为真空。
图1给出了本发明的二维模型结构示意图，该模型采用柱坐标系，沿水平方向为z轴，垂直方向为r轴。如图所示，本发明提供的双电子束相对论返波管由同心双环形阴极1、磁场线圈2、第一高频结构3和第二高频结构4组成。
如图1和图2所示，第一高频结构3包括外导体预调制腔5、外导体慢波结构6和外电子束收集极7；如图1和图3所示，第二高频结构4包括内导体预调制腔8、内导体慢波结构9、漂移段10和内电子束收集极11。
所述外导体慢波结构6与内导体慢波结构9之间的区域形成第一束波作用区12，所述内导体慢波结构9下方区域为第二束波作用区13。
本优选实例中，如图1所示，同心双环形阴极1位于整个相对论返波管最前端，在463kV高压脉冲作用下爆炸发射产生两列环形电子束，外电子束的电流强度为10.5kA，内电子束的电流强度为6.7kA。
所述第一高频结构3和第二高频结构4位于同心双环形阴极1后方；第一高频结构3中从前至后依次为外导体预调制腔5、外导体慢波结构6、外电子束收集极7；第二高频结构4从前至后依次为内导体预调制腔8、内导体慢波结构9、漂移段10和内电子束收集极11；第一高频结构3与第二高频结构4直接相连成为一个整体。
所述外导体预调制腔5为矩形腔，对外电子束进行预调制，其深度为6.5mm，宽度为6.5mm。
所述外导体慢波结构6由两段波纹组成，其中，第一段波纹周期设有4个，平均半径为54.25mm，平均波纹周期长度为11.5mm，平均波纹深度为4.5mm，倒角3mm；第二段波纹周期设有3个，平均半径为57.25mm，平均波纹周期长度为15.5mm，平均波纹深度为5.5mm、倒角2mm；同时，为提高输出微波的功率，对外导体慢波结构波纹深度与周期长度均做了细微的调整，作非均匀处理。
所述外导体收集极7凹槽长度为21mm，深度为8.5mm。
所述内导体预调制腔8为梯形腔，对内电子束进行预调制，其深度为3mm，上宽度为5mm，两个斜边的长度均为6mm。
所述内导体慢波结构9包括两段分离的矩形慢波结构，第一段波纹周期有3个，第二段波纹周期由5个，两段波纹具有相同的结构参数，平均半径为36mm，波纹周期长度为11mm，波纹深度为4mm；漂移段10长度为14mm，半径为38mm。
所述内导体收集极10为矩形结构，半径为38mm，长度为35mm。
所述同心双环形阴极1发射的外电子束在第一束波作用区12与外导体慢波结构6进行束波作用产生频率为9.0GHz的第一电磁波，同心双环形阴极1发射的内电子束在第二束波作用区13与内导体慢波结构9进行束波作用产生频率为9.6GHz的第二电磁波；产生的两列电磁波自然合成后沿同一通道输出，得到稳定的拍波；图4为仿真得到的双电子束相对论返波管的输出功率随时间的变化，其最大瞬时功率为7.2GW。
所述磁场线圈2在整个器件内部工作区域形成引导磁场，产生的轴向引导磁场大小为3.5T。
本发明的工作原理如下：
在高压脉冲下同心双环形阴极1爆炸发射同时产生两列环形强流电子束，在磁场线圈2的引导下，外电子束与外导体慢波结构6在第一束波作用区12发生束波作用产生频率为9.0GHz的第一电磁波，内电子束与内导体慢波结构9在第二束波作用区13发生束波作用产生频率为9.6GHz的第二电磁波。两列电磁波在器件内部自然合成产生拍波，沿着同一个输出端口向外辐射。本发明中的内、外导体慢波结构以及相应的内、外导体预调制腔可根据实际器件的工作频率进行相应的调整。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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