一种永磁包装相对论磁控管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种永磁包装相对论磁控管，本发明可以应用于高功率微波技术领域的微波产生系统。
【背景技术】
[0002]上世纪70年代以来，随着等离子体技术、脉冲功率技术的进步以及计算机粒子模拟软件的发展，高功率微波技术迅速地发展起来，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展，先后出现了很多种不同类型的高功率微波源。其中绝大部分高功率微波源的工作原理都是利用相对论电子束与微波腔体相互作用产生高功率微波输出，一般来说需要外加磁场约束电子束传输。常见的磁场实现方式为螺线管磁场，庞大的电源系统极大地增加了整个系统的体积和重量，而且消耗了大量的能量，降低了高功率微波源的总体能量效率。此外，在重复脉冲工作的时候，电磁系统还需要冷却和保护装置，进一步增加了系统的复杂性，从而极大的限制了它的应用范围。
[0003]相对于电磁系统，永磁系统具有体积小、重量轻、不消耗能量而且能够提供稳定的磁场等优点，故发展永磁包装技术是高功率微波源实用化的重要手段之一。在永磁包装高功率微波源中，永磁体规模决定于励磁空间尺寸和磁场强度两个因素。因此，为了实现高功率微波源的永磁包装，需要尽量减小微波源的尺寸并降低其运行磁场。
[0004]相对论磁控管(RM)是最有效的高功率微波源之一。由于它结构简单、运行磁场低、具备高功率与重复脉冲工作的能力，同时也具备多管锁相工作合成输出更大功率的潜能，因而在国际上受到广泛重视。目前的研宄重点是尽量提高相对论磁控管的效率，并缩小系统的体积和重量以适应多种小型化应用需求。围绕这一需求，各国学者进行了大量研宄，其中透明阴极和衍射输出结构是相对论磁控管提高效率方面最广泛的两种手段。运用粒子模拟软件，美国新墨西哥大学的Mikhail.1.Fuks小组开展了带透明阴极的衍射输出相对论磁控管设计，设计结果在2.45GHz频率上，输出功率达到1.4GW，效率达到70%。稍显不足的是，在尺寸方面，衍射输出磁控管渐变输出口尺寸较大，增大了磁体小型化设计的难度。
[0005]相对论磁控管小型化研宄方面另一个代表性工作是Greenwood和Hoff等人提出的一种全腔提取轴向输出结构，该结构将磁控管相邻谐振腔耦合孔以沿中心线对称的形式与一个扇形输出波导相连，当磁控管工作在π模时，扇形输出波导中将激励起TE11模。与传统径向输出磁控管相比，这种结构具有对称输出的特点，对磁控管工作状态影响较小。由于输出微波沿扇形波导轴向传输，器件径向尺寸较小，有利于磁控管的磁体设计并实现小型化。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了实现轻小型化高功率微波源设计，以满足多种移动应用平台需求，本发明公开了一种基于全腔提取轴向输出技术的永磁包装相对论磁控管结构。该结构具有微波起振速度快、输出功率高以及系统结构简单、紧凑的特点。
[0007]为实现上述目的本发明采用如下技术方案:
一种永磁包装相对论磁控管，所述磁控管为全腔提取轴向输出结构，由阴极、阳极外筒以及轴向提取结构组成；包括若干个环状的永磁铁，一部分永磁铁套在阳极外筒上，另一部分永磁铁套在阳极外筒内的阴极上，永磁铁与磁控管同轴心设置。
[0008]在上述技术方案中，套在阳极外筒上的永磁铁的内径等于阳极外筒的外径，且每一个永磁铁的大小形状一致。
[0009]在上述技术方案中，套在阳极外筒上的永磁铁的轴向位置为相对论磁控管的互作用区域中心。
[0010]在上述技术方案中，套在阳极外筒内的阴极上的永磁铁的外径等于阳极外筒的内径，永磁铁的内径大于阴极的外径，且每一个永磁铁的大小形状一致。
[0011 ] 在上述技术方案中，套在阳极外筒内的阴极上的永磁铁轴向位置中心与相对论磁控管互作用区域中心重合。
[0012]在上述技术方案中，套在阳极外筒上的永磁铁与套在阴极上的永磁铁的数量一致，且阳极外筒内外的永磁铁位置—对应。
[0013]在上述技术方案中，阳极外筒内外的永磁铁在垂直于磁控管轴线方向上部分重置。
[0014]在上述技术方案中，所述磁控管的阴极为三根金属杆组成的透明阴极，阳极带有六个谐振腔，提取结构采用六个径向耦合孔与三个扇形波导相结合，三个扇形波导沿角向均匀分布在六个谐振腔的外部，六个耦合孔分别位于六个谐振腔与其相邻的扇形波导的公共壁上。
[0015]本发明的永磁包装相对论磁控管的工作原理是:阴阳极间加上高压电脉冲后形成的径向电场，与外部和内嵌的永磁磁铁所形成的轴向磁场正交，由阴极发射的电子在该正交电磁场作用下沿角向漂移，形成电子轮辐；当电子轮辐在互作用空间的旋转与高频场的相速同步时，电子与高频场间发生换能，产生高功率微波；高功率微波通过谐振腔和扇形波导公共壁上的耦合孔，分别由相邻的两谐振腔体以沿中心线对称的两孔耦合的形式进入一个扇形波导，由于相邻的谐振腔中微波相位相差180°，故通过合理设计耦合孔的位置及形状大小，相邻的两个谐振腔中的微波经由各自的壁上的耦合孔，将在扇形波导中激励起类TElO模，此时微波由扇形波导传输出去。三个扇形波导通过同轴波导进一步合成，最后经末端圆锥过渡，由圆波导端口最后输出。
[0016]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:本发明的永磁磁铁采用内嵌和外部加载相结合的办法，增大了永磁体均匀区尺寸，部分永磁磁铁嵌于磁控管内部，充分利用了磁控管的内部空间，使得整个永磁包装结构较为紧凑。该永磁包装结构能长时间稳定的为相对论磁控管提供所需均匀磁场，使其工作产生吉瓦级的高功率微波输出。该种永磁包装相对论磁控管能很好地应用于结构紧凑或重复频率运行的高功率微波系统之中。
【附图说明】
[0017]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
图1是本发明的实施例1的结构示意图； 图2是图1中内嵌永磁磁铁一和外部永磁磁铁二结构示意图；
图3是图1中相对论磁控管示意图；
图4是图3中磁控管的截面示意图；
图5是图1中永磁磁铁的磁场分布图；
图6是永磁包装相对论磁控管输出结果图；
图中，1.内嵌永磁磁铁I1.外部永磁磁铁II1.相对论磁控管。
【具体实施方式】
[0018]本发明的永磁包装相对论磁控管，由外部永磁磁铁、内嵌永磁磁铁和相对论磁控管组成。其中外部永磁磁铁和内嵌永磁磁铁采用具有高的剩余磁感应强度和高的矫顽力的