一种X、Ku波段可调高功率微波源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微波源器件技术领域，具体的涉及一种X、Ku波段可调高功率微波源。
【背景技术】
[0002]高功率微波通常是指微波脉冲峰值功率大于100MW，频率在IGHz到300GHz之间的电磁波。从20世纪70年代初出现的第一台高功率微波源以来，由于民用和军事领域广泛的应用需求，高功率微波源技术得到了迅速发展。
[0003]频率可调谐是高功率微波源的重要发展方向之一，在工业和国防领域具有重要的应用价值。高功率微波源的频率调谐方式主要包括电调谐、机械调谐两种方式。电调谐指通过改变外加电压、导引磁场的大小实现工作频率调谐，机械调谐指通过改变器件电动力学结构实现工作频率调谐。电调谐方式在磁控管、回旋管等器件中应用较多，而机械调谐方式在RBWO(Relativistic Backward-Wave Oscillator，RBW0)中应用较多。RBWO是一种基于切伦科夫辐射机制且已发展较为成熟的高功率微波源，其利用强流相对论电子束与慢波结构中的返向空间谐波相互作用，产生自激振荡，形成相干微波辐射，该高功率微波源具有高功率、高效率以及适合重频运行等特点，因而受到了广泛重视。
[0004]Ku波段(12-18GHZ)微波由于具有波长短、频谱范围宽、波束较窄、器件尺寸小等优点，广泛应用于卫星通信、卫星广播，以及国际空间站和航天飞机通信用的跟踪与数据中继卫星中。另外，Ku波段相比S、C波段，频率更高，对Pf2因子的提高具有更大的潜力。因此，对Ku波段微波的研究具有重要的实用价值。
[0005]频率调谐RBWO研究方面，主要有以下研究机构开展了机械调频方面的相关工作。
[0006]1997年，美国新墨西哥州大学的Edl Schamiloglu等人研制了一种X波段机械调频RBW0【E.Schamiloglu,C.T.AbdalIah,G.T.Park,and V.S.Souvalian.1mplementat1n ofa Frequency-agile,High Power Backward Wave 0sillator[C].Proc.IEEE,1997:742.】。(下文简称为现有技术I)。为了叙述的方便，将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、漂移段、慢波结构、反射段、微波输出口、螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，圆筒壁的厚度仅为0.1_，外半径R1等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R2，RAR1。截止颈与慢波结构之间是漂移段，是一个内半径为R4,长度为L2的圆柱形结构。慢波结构由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧八个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R4、最小内半径R5与右侧慢波叶片的最小内半径Rl3满足R4>Rl3>R5。九个慢波叶片的长度相同，均为Li，约为工作波长λ的二分之一。反射段介于慢波结构与微波输出口之间，是一个半径为R4、长度为L5的圆柱形结构。微波输出口呈圆台形，圆台左端面半径为R4，右端面半径为R6。在该RBWO运行中，阴极产生的相对论电子束与慢波结构决定的TMqi模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口输出。实验中，通过调节截止颈到慢波结构的距离1^2、慢波结构到反射段的距离U，得到了半功率点处频率调谐带宽约5 %、中心频率9.5GHz的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L2、反射段的长度L5实现对工作频率调节，慢波结构等部件需要配合沿轴向前后移动，调节方式复杂；只在X波段一个波段(对应一个工作模式)实现调谐带宽约5%的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄。
[0007]2011年，西北核技术研究所的宋玮等人研究了RBWO的双机械调谐法【Wei Song,Xiaowei Zhang,Changhua Chen,et al.Enhancing Frequency Tuning Ability of anImproved Relativistic Backward Wave Oscillator[J].Proc.0f the Asia-PacificMicrowave Conference 2011:283.】。(下文简称为现有技术2)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、前置反射腔、漂移段、慢波结构、微波输出口、螺线管磁场、提取腔组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，外半径R1等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R2，RAR1。前置反射腔呈圆盘状，内半径等于截止颈内半径R2，外半径R7满足R7>R2。漂移段是一个半径为R2、长度为1^的圆柱形结构。慢波结构由六个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，最大外半径R4、最小内半径R5，长度为L1，约为工作波长λ的二分之一。提取腔介于慢波结构与微波输出口之间，是一个外半径为R8、长度为L4的圆盘形结构。提取腔右端与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。在该RBWO运行中，阴极产生的相对论电子束与慢波结构决定的TMo1模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口输出。数值仿真中，通过改变前置反射腔至慢波结构的距离L2、提取腔的宽度L4，得到了调谐带宽约8 %、中心频率9.6GHz、功率效率约33%的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L2、提取腔的宽度L4实现对工作频率调节，慢波结构等部件需要配合沿轴向前后移动，调节方式复杂；只在X波段一个波段(对应一个工作模式)实现调谐带宽约8%的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄。
[0008]2011年，国防科技大学葛行军等人发明了“紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器” (CN102208315A，2011_10_5)。(下文简称为现有技术3)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场、支撑杆、模式转换器、辐射口和密封板组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1_，外半径R1等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R^RAR1。慢波结构由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，梯形结构的最大外半径R4与最小内半径R5满足R4>R5>R2，梯形结构的长度Li约为工作波长λ的二分之一。内导体是一个半径为R3的圆柱体，通过右端的外螺纹与收集极相连。收集极为圆筒状，在左端面挖有环形凹槽，环形凹槽的内半径Rn和外半径R1根据阴极的内半径Ri来选取，满足R1>Ri>Rn，环形凹槽的长度L8约为工作波长λ的三分之一。收集极右端是外半径为R9的圆筒，且带内螺纹，与模式转换器的左端面相连。模式转换器左端为圆筒状，左端开口且带外螺纹，右端为锥形结构。支撑杆共有两排，第一排支撑杆放在距离收集极左端面为L1Q的位置，L1Q>L8。第二排支撑杆与第一排支撑杆之间的距离Ln约为工作波长λ的四分之一。辐射口的右端为圆筒状，圆筒内半径为R12，R12>R6。密封板是一个圆盘，利用抽真空时辐射口内外的压力差通过密封槽压在辐射口上。密封板起保持RBWO内部真空环境的效果。该RBWO运行中，阴极产生的电子束与由慢波结构和内导体决定的准TEM模式的电磁波进行束波作用，产生的微波从微波输出口输出。实验中，当内导体半径R3在0.5-1.75cm范围内改变时，输出微波功率1.15GW，频率在1.65-1.55GHz范围内可调，调谐带宽约6%。该方案通过内导体半径R3实现对工作频率调节，需要改变内导体径向尺寸，在线机械传动装置设计难度较大，调节方式复杂；只在L波段一个波段(对应一个工作模式)实现调谐带宽约6%的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄，工作频段较低。
[0009 ]分析上述研究现状不难看出，频率调谐RBWO取得了较大进展，但存在以下不足:
[0010]I)调谐方式复杂，通常需要对两种以上结构进行组合调节；
[0011]2)调谐带宽较窄，调谐带宽通常小于10% ；
[0012]3)工