一种E型波导振荡器

技术领域

本发明涉及高功率微波真空电子器件技术领域，具体涉及一种E型波导振荡器。

背景技术

电子束通过谐振腔时，将在腔内激励起一系列的本征模，后进入谐振腔的电子束又会被这些本征模作用，使得一部分电子动能增加而被加速，一部分电子动能减少而被减速。电子束与本征模的净能量交换随着它在腔内的渡越时间变化，这一过程就是渡越时间效应。

渡越辐时间荡器起源于单腔管。上世纪三十年代，Miller和Liewellyn分别开展了单腔管实验。实验在束电压150～300V，束电流100～400mA条件下，输出频率为3GHz，功率200～300mW的微波。该实验证明了电子束在渡越谐振腔间隙时可以输出微波，但由于其仅有的0.2％的转换效率，使得其在之后的很长时间无人问津。直到上世纪90年代，分离腔振荡器的出现才拉开渡越辐时间荡器研究的序幕。1991年，美国Sandia国家实验室的Marder等人提出的分离腔振荡器通过利用分离腔振荡器的渡越时间效应实现对电子注的速度调制，然后通过一段距离的漂移降低电子束的能散，最后采用与相对论速调管放大器相关的提取方式实现对电子束能量的提取与微波耦合输出。之后，美国Titan先进革新技术所的B.BruceMiller等人于1992年研制出了同样利用渡越时间效应的后加速相对论速调管，该器件利用边耦合谐振腔对电子束进行调制，然后再对群聚的电子进行加速来减小能散度，提高电子束能量，最后通过提取腔将微波提取。1992年Miller等人进行的后加速相对论速调管实验结果为：电压800kV，电子束电流1.2kA，得到输出微波功率400MW，频率1GHz，脉宽约500ns，效率达到50％；频率3GHz时，在电压为850kV，电流750A的条件下，得到输出功率135MW，效率为40％，脉宽为100ns。

1997年，中国工程物理研究院刘庆想教授等人基于三腔渡越时间效应提出了三腔渡越时间振荡器，并对其进行了理论和实验研究。该器件结构简单紧凑，对电子束质量的要求较低，并且具有较高的束波转换效率，在电子束电压416kV，电流3.8kA的条件下，输出微波中心频率为1.26GHz，峰值功率为510MW，效率为30％。1999年，范植开博士对多腔谐振渡越效应的线性理论、多腔谐振腔的色散关系及场分布开展了研究，并对L波段的多腔渡越管开展了原理性的实验研究，在电压500kV、束流3kA的实验条件下，得到了功率大于100MW、频率1.3GHz、脉宽400ns输出微波。随后，中国工程物理研究院对多腔渡越管振荡器开展了大量研究，发展延伸出四腔、五腔、六腔等多腔结构。2004年，何琥博士在研究X波段渡越管振荡器中，利用四间隙调制腔和二间隙提取腔结构，在电压760kV、束流6kA的仿真条件下，得到输出微波功率1.7GW、频率1.26GHz，效率37％。2004年，贺军涛博士提出了一种非均匀三腔渡越时间振荡器，并开展了理论和实验研究，证明了一定腔长组合的渡越时间振荡器的转换效率高于腔长均匀的渡越时间振荡器。2012年，曹亦兵博士提出了一种新型无箔同轴渡越时间振荡器，实验中，在束压780kV，束流13.5kA，导引磁场0.8T的条件下，得到了1.1GW，9.34GHz的X波段微波输出，效率约为10.5％。2014年，令钧溥博士提出了一种新型的Ku波段同轴渡越时间振荡器，实验中，在电压500kV，电流10kA和0.7T的导引磁场下得到了14.3GHz，1GW的微波输出。2015年，宋莉莉博士对Ka波段四间隙同轴渡越时间振荡器进行了粒子模拟研究，模拟中，在电子束电压447kV，电流7.4kA，导引磁场0.6T的条件下，得到了1.27GW，26.18GHz的高功率微波输出，束波转换效率约为38.5％。

综上，基于C波段渡越辐射振荡器的发展前景广阔，但相应的渡越辐射振荡器却较少，因此，当前亟需一种在高效率、低阻抗和高功率方面具有极为明显的优势，在定向能武器、等离子体加热、高能雷达、离子射频加速及未来空间能源方面具有广阔应用前景的波导渡越辐射振荡器。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种E型波导振荡器，其应用时，可以有效地实现谐振模式的分割，从而高效地获得特定频率的高功率微波。

本发明所采用的技术方案为：

一种E型波导振荡器，包括E型波导，所述E型波导包括横向波导、第一齿波导、第二齿波导和第三齿波导，所述第一齿波导、第二齿波导和第三齿波导相互平行，且第一齿波导、第二齿波导和第三齿波导均垂直连通横向波导，所述横向波导的两端均延伸设置有短波导，所述短波导与横向波导一体连通，所述第一齿波导和第二齿波导的长度相同，所述第三齿波导的长度大于第一齿波导和第二齿波导，所述第一齿波导、第二齿波导和第三齿波导之间架设连通有漂移管，所述漂移管平行于横向波导。

在一个可能的设计中，所述横向波导上设有第一凹槽，所述第三齿波导上设有第二凹槽。

在一个可能的设计中，所述第一齿波导和第二齿波导均由三段矩形波导一体连通组成，其中第一段矩形波导连通横向波导，宽度为45mm，长度为33mm，其第二段矩形波导连通第一段矩形波导，宽度为33mm，长度为35mm，其第三段矩形波导连通第二段矩形波导，宽度为45mm，长度为10mm；所述第三齿波导由两段矩形波导一体连通组成，其第一段矩形波导连通横向波导，宽度为45mm，长度为40mm，其第二段矩形波导连通第一段矩形波导，宽度为35mm，长度为60mm。

在一个可能的设计中，所述漂移管与第一齿波导的第二段矩形波导连通，与第二齿波导的第二段矩形波导连通，与第三齿波导的第二段矩形波导连通，漂移管的轴心距离横向波导的轴心47mm。

在一个可能的设计中，所述横向波导与两端短波导的整体长度为173mm，宽度为45mm。

在一个可能的设计中，所述横向波导上距一端短波导端部61mm的部位设有长36mm、宽45mm、深度3mm且两端倒圆角3mm的第一凹槽，所述第三齿波导上距其第二段矩形波导末端19mm处的部位设有两个长10mm、宽5mm且深度3mm的第二凹槽。

在一个可能的设计中，所述E型波导的波导壁厚度为2mm，所述漂移管的内径为14mm，外径为18mm。

在一个可能的设计中，所述第一齿波导与第二齿波导间距36mm，所述第二齿波导和第三齿波导间距36mm，所述第一齿波导距其所在端短波导的端部25mm。

本发明的有益效果为：

本发明通过第一齿波导、第二齿波导、第三齿波导、横向波导以及短波导来调整模式分布，通过第一齿波导、第二齿波导和第三齿波导的分布设置可以将所需谐振模式进一步调整位置，有效地实现谐振模式的分割，使所需谐振模式更好的分布在注波互作用区，更加容易起振。通过第一齿波导、第二齿波导和第三齿波导的间隔设置可以使得注波互作用达到最优，从而能更好的提取出微波能量，达到进一步提高效率的目的。本发明可高效地获得特定频率的高功率微波，在高效率、低阻抗和易于实现永磁封装方面具有明显的优势。

附图说明

下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的输出波形图；

图3为本发明的输出频谱图。

图中：1、第一齿波导；2、第二齿波导；3、第三齿波导；4、横向波导；5、短波导；6、漂移管；7、第一凹槽；8、第二凹槽。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

实施例：

本实施例提供了一种E型波导振荡器，如图1所示，包括E型波导，所述E型波导包括横向波导4、第一齿波导1、第二齿波导2和第三齿波导3，所述第一齿波导1、第二齿波导2和第三齿波导3相互平行，且第一齿波导1、第二齿波导2和第三齿波导3均垂直连通横向波导4，所述横向波导4的两端均延伸设置有短波导5，所述短波导5与横向波导4一体连通，所述第一齿波导1和第二齿波导2的长度相同，所述第三齿波导3的长度大于第一齿波导1和第二齿波导2，所述第一齿波导1、第二齿波导2和第三齿波导3之间架设连通有漂移管6，所述漂移管6平行于横向波导4。

本发明E型波导振荡器是基于三腔谐振腔渡越时间效应的一种新型高功率微波器件，通过第一齿波导1、第二齿波导2和第三齿波导3的结构利用不同频率模式相速度的不同，可以保证单腔模式较好的分布，电子束通过漂移管经过单腔激发本征模对电子束产生速度调制和密度调制，并在电子束内形成群聚块。通过第一齿波导1、第二齿波导2和第三齿波导3之间合适间距的无场漂移区漂移，电子束速度调制变成了密度调制，群聚效应得到进一步加强，注波互作用进一步加强，以达到最优提取电子注能量效果，最后通过第三齿波导3将微波输出。

进一步地，所述横向波导4上设有第一凹槽7，所述第三齿波导3上设有第二凹槽8。其应用时，第一凹槽7具有调整器件内部微波传输参数的作用，第二凹槽8为输出的耦合块，用以平衡输出量与反射量，来达到最佳的输出效果

进一步地，所述第一齿波导1和第二齿波导2均由三段矩形波导一体连通组成，其第一段矩形波导连通横向波导4，宽度为45mm，长度为33mm，其第二段矩形波导连通第一段矩形波导，宽度为33mm，长度为35mm，其第三段矩形波导连通第二段矩形波导，宽度为45mm，长度为10mm；所述第三齿波导3由两段矩形波导一体连通组成，其第一段矩形波导连通横向波导4，宽度为45mm，长度为40mm，其第二段矩形波导连通第一段矩形波导，宽度为35mm，长度为60mm。

进一步地，所述漂移管6与第一齿波导1的第二段矩形波导连通，与第二齿波导2的第二段矩形波导连通，与第三齿波导3的第二段矩形波导连通，漂移管6的轴心距离横向波导4的轴心47mm。

进一步地，所述横向波导4与两端短波导5的整体长度为173mm，宽度为45mm。

进一步地，所述横向波导4上距一端短波导5端部61mm的部位设有长36mm、宽45mm、深度3mm且两端倒圆角3mm的第一凹槽7，所述第三齿波导3上距其第二段矩形波导末端19mm处的部位设有两个长10mm、宽5mm且深度3mm的第二凹槽8。

进一步地，所述E型波导的波导壁厚度为2mm，所述漂移管6的内径为14mm，外径为18mm。

进一步地，所述第一齿波导1与第二齿波导2间距36mm，所述第二齿波导2和第三齿波导3间距36mm，所述第一齿波导1距其所在端短波导5的端部25mm。

其应用时，通过第一齿波导1、第二齿波导2、第三齿波导3、横向波导4以及短波导5来调整模式分布，通过第一齿波导1、第二齿波导2和第三齿波导3的分布设置可以将所需谐振模式进一步调整位置，有效地实现谐振模式的分割，使所需谐振模式更好的分布在注波互作用区，更加容易起振。通过第一齿波导1、第二齿波导2和第三齿波导3的间隔设置可以使得注波互作用达到最优，从而能更好的提取出微波能量，达到进一步提高效率的目的。

在上述结构参数下，本E型波导振荡器工作在C波段(具体的工作频率可调节波导结构尺寸来加以改变)，其工作频率为4.83GHz，当电子注电压为400kV，电子注电流为600A，用于聚焦电子注的磁感应强度为0.25T时，得到输出功率为129.6MW，效率为54％；如图2所示，为本E型波导振荡器的输出波形示意图，将输出信号进行傅里叶变换后得到相应的信号频谱图，如图3所示，即为本E型波导振荡器的输出频谱图，可以发现频谱非常纯，无杂波信号，频率为4.83GHz。

本E型波导振荡器可高效地获得特定频率的高功率微波，在高效率、低阻抗和易于实现永磁封装方面具有明显的优势，因此，在定向能武器、等离子体加热、高能雷达、离子射频加速及未来空间能源方面具有广阔的应用前景。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。