一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器

本发明属于真空电子器件，具体涉及一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器。

背景技术：

1、真空电子器件是指借助于在真空或者特定气体中运动的电子的各种效应而实现将一种形式的信号转换成另一种信号的器件。扩展互作用振荡器作为一种高功率，高效率，小型化的真空电子器件自上世纪60年代以来被人们广泛研究。扩展互作用振荡器保留了传统速调管可靠性和高功率的特性，通过引入多个耦合槽间隙，在毫米波频率上实现了高效率、高功率，同时具有向太赫兹发展的潜力。它在科学、商业和军事应用中发挥着重要作用，如通信、雷达、发射机和传感器等。提高扩展互作用振荡器的输出功率和效率一直是一个重要目标。由于物理机理和工艺结构的固有限制，扩展互作用振荡器有其功率极限，通过多个器件实现阵列化是必由之路。其中的核心技术就是振荡器的锁频锁相技术。

2、1946年，r.alder给出了注入锁相频宽与锁相激励信号功率的关系。振荡器的输出微波相位具有随机性，受到经典adler条件的限制，要实现mw量级振荡器之间的锁相，需要外加注入百kw量级的功率，这将增加振荡器向阵列化发展的体积、重量、成本和难度。要实现多个振荡器的锁相，需要对振荡器注入较大的功率或采用复杂的耦合结构，而且只适用于较少的振荡器单元的阵列化。因此实现高增益的锁频锁相是阵列化振荡器向轻小型化和实用化发展的关键技术。

3、速调管是一种高增益，相位、频率稳定的的真空电子器件。其基本功能是把来自外部的射频信号放大后再输出，因此其输出相位和频率自然被注入信号锁定，降低了对种子源功率水平的要求，大大提高了器件的增益。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，为了实现高增益锁频锁相的目的，本发明将速调管高增益、频率和相位可控的优点与阵列化扩展互作用振荡器高功率、高效率、结构简单的优点结合起来，提出了一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器。在传统扩展互作用振荡器的基础上，通过在间隙或耦合腔之间设置耦合桥实现互联，同时通过扩展互作用速调管，实现阵列化振荡器的锁频锁相。本发明适用于全频段单注及多注振荡器，实现mw甚至gw级的输出功率，具有重大地工程意义和使用价值。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，其特征在于，包括至少两个扩展互作用振荡器和一个扩展互作用速调管；

4、所述扩展互作用速调管，包括依次连接的输入腔部分、至少一个中间腔部分、输出腔部分；其中，所述输入腔结构用于输入射频信号，所述输出腔部分与扩展互作用振荡器连接；

5、所述扩展互作用振荡器与所述输出腔部分都采用多输出结构实现分布式能量提取，缓解标准波导功率容量限制的问题；所述扩展互作用振荡器与所述输出腔部分为等间距的线性阵列排布或环形排布，相邻部件的间隙或耦合腔通过耦合桥连通，实现各部件的阵列化互联。

6、优选地，当所述扩展互作用振荡器与所述输出腔部分为线性阵列排布时，输出腔部分位于阵列中部。

7、优选地，当所述扩展互作用振荡器与所述输出腔部分为线性阵列排布时，耦合桥为长度可调的矩形腔体结构；当所述扩展互作用振荡器与所述速调管输出腔部分为环形排布时，耦合桥为长度可调的矩形腔体结构或圆弧柱状腔体结构。

8、优选地，所述矩形腔体结构或所述圆弧柱状腔体结构的横向长度为半波导波长的整数倍。对于整个系统，存在两种谐振模式，包括半波长的偶数倍模式和半波长的奇数倍模式；半波长的偶数倍的模态的特征是使电路两侧的扩展相互作用场的相位差为0°。半波长的奇数倍模式使它们相差π相位。

9、优选地，所述耦合桥与间隙连接处的高度和厚度小于或等于相连的间隙尺寸。

10、优选地，所述扩展互作用振荡器和扩展互作用速调管为单注结构、双注结构或多注结构。

11、优选地，所述扩展互作用速调管和所述扩展互作用振荡器的工作模式均采用π模或2π模，由同步条件决定间隙之间的距离p；

12、所述间隙之间的距离p与工作模式之间的关系为：式中，f为工作频率，ve为电子的直流速度，n为常数。

13、本发明的有益效果为：

14、(1)本发明提出一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，相比于传统的单个扩展互作用振荡器和扩展互作用速调管，本发明将多个扩展互作用振荡器与单个扩展互作用速调管互联形成高增益锁频锁相的阵列化结构。在相同的注参数下，通过速调管外部输入射频信号来控制速调管的相位和频率，然后通过耦合桥实现多个振荡器和速调管的同频同相输出，实现功率的成倍提升和增益的大幅提高。

15、(2)本发明通过耦合桥将多个扩展互作用振荡器和单个扩展互作用速调管连接在一起，实现不同电路之间的能量耦合，通过对耦合桥横向尺寸的调整实现紧密耦合，锁频锁相过程几乎不损失能量，理论上锁相效率高达99.9％，可以用于大规模的阵列化锁频锁相，应用前景广阔。本发明耦合桥的长度可调，耦合桥的横向长度可调整至支持单个电路采用独立的永磁聚焦系统。

16、(3)解决了传统振荡器阵列化需要至少10％输出功率的功率源实现锁频锁相的难题，利用小的射频输入信号实现整个阵列化器件的锁频锁相。

17、(4)本发明适用于单输出、双输出及多输出结构，缓解标准波导功率容量的限制。本发明的单个速调管和振荡器在ka波段实现了百kw级的功率输出和50db以上的增益，基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器可以实现mw甚至gw级功率输出，同时实现增益的大幅提升。

技术特征：

1.一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，其特征在于，包括至少两个扩展互作用振荡器和一个扩展互作用速调管；

2.如权利要求1所述的一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，其特征在于，当所述扩展互作用振荡器与所述输出腔部分为线性阵列排布时，输出腔部分位于阵列中部。

3.如权利要求2所述的一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，其特征在于，当所述扩展互作用振荡器与所述输出腔部分为线性阵列排布时，耦合桥为长度可调的矩形腔体结构；当所述扩展互作用振荡器与所述速调管输出腔部分为环形排布时，耦合桥为长度可调的矩形腔体结构或圆弧柱状腔体结构。

4.如权利要求3所述的一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，其特征在于，所述矩形腔体结构或所述圆弧柱状腔体结构的横向长度为半波导波长的整数倍。

5.如权利要求4所述的一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，其特征在于，所述耦合桥与间隙连接处的高度和厚度小于或等于相连的间隙尺寸。

6.如权利要求5所述的一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，其特征在于，所述扩展互作用振荡器和扩展互作用速调管为单注结构、双注结构或多注结构。

7.如权利要求6所述的一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，其特征在于，所述扩展互作用速调管和所述扩展互作用振荡器的工作模式均采用π模或2π模，由同步条件决定间隙之间的距离p；

技术总结
本发明公开了一种基于速调管实现高增益锁频锁相的阵列化振荡器，属于真空电子器件技术领域。该阵列化振荡器包括至少两个扩展互作用振荡器和一个扩展互作用速调管；扩展互作用速调管包括依次连接的输入腔部分、至少一个中间腔部分、输出腔部分；扩展互作用振荡器与速调管的输出腔部分采用等间距的线性阵列排布或环形排布，相邻部件的间隙或耦合腔通过耦合桥连通，实现各部件的阵列化互联。本发明将速调管高增益、频率和相位可控的优点与阵列化扩展互作用振荡器高功率、高效率、结构简单的优点结合起来，实现阵列化振荡器的锁频锁相，适用于全频段单注及多注振荡器，能够实现MW甚至GW级的输出功率，具有重大地工程意义和使用价值。

技术研发人员：毕亮杰,蒋欣宇,李海龙,殷勇,王彬,蒙林
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12