一种可产生三频点的相对论返波振荡器的制作方法

本发明涉及高功率微波器件技术领域，具体涉及一种可产生三频点的相对论返波振荡器。

背景技术：

近年来，高功率微波源在追求高功率、高效率以及实现长脉冲和高重频运行的同时，也呈现出了其他的一些发展特点，如追求单个微波源器件产生具有多个频率的微波。该类型的器件能够实现单一振荡器的多频输出，是对单频振荡器的拓展研究和集成创新应用，具有一定的学术价值和潜在的应用前景。相对论返波振荡器具有高功率、高效率、适合重频运行的工作特点，是目前最有潜力的高功率微波产生器件之一，在高功率微波产生器件中占有重要的地位，多频相对论返波振荡器的研究有利于进一步拓展其应用，具有重要的现实意义。

由于高功率微波的应用潜力，特别是作为复杂电磁环境构建及定向能装备的使用，使得高功率微波技术在现代电子信息方面的作用更为诱人。最近的研究表明，如果用两个或多个频率的高功率微波束攻击电子系统，所需要的破坏阈值会降低，采用这种技术会使功率微波技术更快地趋于实用。然而，国内外报道的产生双频高功率微波方法其实质均为用两套单独的单频微波源，这种方法存在一些不足：首先两套或多套独立运行的微波源同步输出将存在一定困难；其次，两套或多套独立运行的微波源的空间辐射方向图较为复杂，不利于高功率微波的实际应用；另外，两套独立运行的微波源还会增加研究成本。因此，研究一种能可控输出不同单频或同时输出两个频率的微波源将具有重要的学术价值和应用价值，这也是高功率微波技术研究的又一个新的研究方向，将为高功率微波效应研究提供很好的基础。

技术实现要素：

本发明的目的是利用同轴相对论返波振荡器的结构特点研究，将低频器件中同轴内导体作为中频段器件，中频器件中同轴内导体作为高频段器件，利用可控三直径阴极使相对论返波振荡器可根据需要依次产生低频、中频及高频三个单频高功率微波。本发明中的低频及高频器件可根据实际频率需求进行相应的设计，结构灵活多变，在高功率微波器件中可以很好的实现三频可控高功率微波的产生。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可产生三频点的相对论返波振荡器，包括高功率微波器件、通过绝缘子支撑设置在高功率微波器件内的阴极和辐射天线，

所述阴极包括依次穿过阴极中心轴且同轴设置的低频段阴极、中频段阴极、高频段阴极以及各自与三个阴极固定连接的电机，所述中频段阴极设置在低频段阴极的开口段内，高频段阴极设置在中频段阴极的开口段内；一个电机的输出端连接到低频段阴极的封闭端上，一个电机的输出端穿过低频段阴极的封闭端连接到中频段阴极的封闭端上，最后一个电机固定设置在阴极中心轴端部且输出端连接到高频段阴极的封闭端上，所述低频段阴极、中频段阴极、高频段阴极在各自电机的驱动下沿着阴极中心轴作轴向水平移动；

所述高功率微波器件包括同轴设置的低频段器件、中频段器件、高频段器件，所述高频段器件设置在中频段器件内且两者之间通过连接件固定连接为一体，所述中频段器件设置在低频段器件内，且两者之间通过连接件固定连接为一体，所述低频段器件、中频段器件、高频段器件的尾部对应连接低频段器件辐射天线、中频段器件辐射天线、高频段器件辐射天线；

所述低频段阴极、中频段阴极、高频段阴极产生的不同直径的电子束各自与低频段器件、中频段器件、高频段器件对应；

所述绝缘子、阴极、高功率微波器件、低频段器件辐射天线构成密封真空腔体。

在上述技术方案中，所述三个电机相互独立设置，低频段阴极、中频段阴极、高频段阴极在沿着阴极中心轴移动时相互不干涉。

在上述技术方案中，所述连接件为两个间隔的环形圆环。

在上述技术方案中，所述两个环形圆环两端的连接点处于等电位状态。

在上述技术方案中，所述两个环形圆环之间间隔四分之一频段波长。

在上述技术方案中，中频段器件与高频段器件之间的两个环形圆环之间间隔四份之一中频波长。

在上述技术方案中，中频段器件与低频段器件之间的两个环形圆环之间间隔四份之一低频波长。

在上述技术方案中，所述低频器件中采用后置功率提取腔及电子束与前向波相互作用的结构，所述中频器件中采用前置反射腔及多慢波结构，所述高频器件采用前置电子束预调制结构。

在上述技术方案中，高频器件辐射末端的外部尺寸结构为中频器件TEM模式至TM₀₁模式的模式转换器，其内部尺寸结构为高频器件辐射喇叭天线；中频器件辐射末端的外部尺寸结构为低频器件TEM模式至TM₀₁模式的模式转换器，其内部尺寸结构为中频器件辐射喇叭天线。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明利用同轴相对论返波振荡器的结构特点研究，将低频器件中同轴内导体作为高频段器件，利用可控双直径电子束使相对论返波振荡器可根据需要依次产生低、中、高三个频段的单频高功率微波。本发明中的各频段的微波器件可根据实际频率需求进行相应的设计，结构灵活多变，在高功率微波器件中可以很好的实现三频可控高功率微波的产生。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的器件结构正面剖视图；

图2为本发明的可控三直径阴极正面剖视图；

图3、图4、图5是阴极的运动状态示意图；

其中，1为绝缘子，材料为尼龙，其作用是对器件阴阳极进行绝缘隔离；2为可控三直径电子束发射阴极，其内部具有分布与三个不同直径阴极固定连接的步进电机，可通过有线及无线的方式控制各个步进电机，进而控制不同直径阴极的轴向位置；3为控制低频段阴极的步进电机；4为控制中频段阴极的步进电机；5为控制高频段阴极的步进电机；6为低频段器件阴极；7为中频段器件阴极；8为高频段器件阴极；9为低频段器件；10为中频段器件；11为高频段器件；12为低频段器件内的由轴向磁场引导的强流电子束；13为中频段器件内的由轴向磁场引导的强流电子束；14为高频段器件内的由轴向磁场引导的强流电子束；15为低频器件与中频器件连接固定的内的两个轴向间隔四分之一低频波长的支撑圆环，其作用是固定中频段器件并使两个波段的器件处于等电位状态；16为中频器件与高频器件连接固定的内的两个轴向间隔四分之一中频波长的支撑圆环，其作用是固定高频段器件并使两个波段的器件处于等电位状态；17为低频段器件辐射天线；18为中频段相对论返波振荡器辐射末端，其外部尺寸结构为低频段TEM模式至TM₀₁模式的模式转换器，其内部尺寸结构为中段器件辐射喇叭天线；19为高频段相对论返波振荡器辐射末端，其外部尺寸结构为中频段TEM模式至TM₀₁模式的模式转换器，其内部尺寸结构为高段器件辐射喇叭天线；20为三频段辐射天线介质窗，材料为聚四氟乙烯，其厚度应满足三个频率的最小反射系数。绝缘子、阴极、高功率微波器件及辐射天线构成真空腔，真空度一般为毫帕。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1 、图2所示，本发明利用同轴相对论返波振荡器的结构特点研究，将低频器件中同轴内导体作为中频段器件，中频器件中同轴内导体作为高频段器件。利用可控同轴三直径阴极使相对论返波振荡器可根据需要依次产生低、中、高三个波段的单频高功率微波。

可控三直径阴极由同轴的内、中、外环形阴极组成，并分别于控制各个阴极轴向位置的步进电机固定连接。通过三个步进电机的可控调节，实现三发射直径阴极的可控产生不同直径的强流电子束。三频可控相对论返波振荡器中低频器件中采用后置功率提取腔及电子束与前向波相互作用的设计方法，在保证束波转换效率前提下，减少了慢波结构周期，大幅度减小器件轴向尺寸。中频器件中采用前置反射腔及多慢波结构的设计方法，充分利用低频器件的轴向空间，提高束波转换效率。高频器件采用前置电子束预调制设计方法，充分利用中频器件轴向空间，极大提高束波转换效率。

在高频器件微波输出端，通过两个轴向间隔四分之一中频波长的支撑圆环与中频器件连接。使得高频与中频两个波段的器件处于等电位状态。在中频器件微波输出端，通过两个轴向间隔四分之一低频波长的支撑圆环与低频器件连接。使得中频与低频两个波段的器件处于等电位状态。

作为同轴内导体的高频器件辐射末端，其外部尺寸结构为中频器件TEM模式至TM₀₁模式的模式转换器，其内部尺寸结构为高频器件辐射喇叭天线。作为同轴内导体的中频器件辐射末端，其外部尺寸结构为低频器件TEM模式至TM₀₁模式的模式转换器，其内部尺寸结构为中频器件辐射喇叭天线。

在三频可控相对论返波振荡器中低频器件辐射天线介质窗（材料一般为聚四氟乙烯），同时作为中频器件及高频器件的辐射天线介质窗。介质窗的厚度同是满足三个频段微波辐射的最优尺寸。介质窗厚度的最优尺寸计算公式为：

其中为微波波长，为介质窗材料的相对介电常数。根据公式得到的三个波段微波各自所需的介质窗厚度与n的关系曲线，最终确定介质窗的最佳厚度。此时，介质窗对三个波段微波的反射都达到最小。

三个不同直径的发射阴极与阴极内部三个步进电机连接固定。实施过程中通过阴极内部的与低频段阴极连接的步进电机工作，使得低频段阴极与阳极之间距离达到电子束发射距离；并且中、高频段的阴极通过各自步进电机的控制轴向运动至阴极内部，阴阳极间距离加大，使得中、高频阴极不能发射电子束；在阴极与器件之间施加高电压，低频段阴极发射强流电子束进入低频段器件，则通过天线辐射产生低频高功率微波。其阴极状态如图3所示。通过阴极内部的与中频段阴极连接的步进电机工作，使得中频段阴极与阳极之间距离达到电子束发射距离；并且低、高频段的阴极通过各自步进电机的控制轴向运动至阴极内部，阴阳极间距离加大，使得低、高频阴极不能发射电子束；在阴极与器件之间施加高电压，中频段阴极发射强流电子束进入低频段器件，则通过天线辐射产生中频段高功率微波。其阴极状态如图4所示。

通过阴极内部的与高频段阴极连接的步进电机工作，使得高频段阴极与阳极之间距离达到电子束发射距离；并且低、中频段的阴极通过各自步进电机的控制轴向运动至阴极内部，阴阳极间距离加大，使得低、中频段阴极不能发射电子束；在阴极与器件之间施加高电压，高频段阴极发射强流电子束进入高频段器件，则通过天线辐射产生高频高功率微波。其阴极状态如图5所示。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。