一种X波段宽带高功率微波放大器

本发明涉及高功率微波的宽带高功率微波源器件，具体涉及一种x波段宽带高功率微波放大器。

背景技术：

1、高功率微波(high power microwave,简称hpm)通常是指峰值功率大于100mw、频率在1～300ghz之间的电磁波。hpm源是高功率微波系统的核心部件，它通过器件内部特殊设计的高频电磁结构将强流相对论电子束(intense relativistic electron beams,简称ireb)的动能转化为微波能量，进而通过发射天线产生定向的hpm辐射。根据hpm源输出微波的频率带宽特性，可将hpm源分为窄带，宽带和超宽带三类,三类hpm源的频率带宽百分比分别为<1％,1％～25％和>25％。根据是否有注入微波信号，可将hpm源分为hpm振荡器和hpm放大器两种类型。本文着重研究宽带hpm源，尤其是宽带hpm放大器。

2、目前，国内外的宽带hpm源的频率调谐方式主要分为电调谐和机械调谐这两种类型。其中，电调谐是指通过改变电子束电压等电参数实现hpm源工作频率的调节，具体地又可按器件结构分为电调谐电真空hpm源和电调谐开关振荡器。电调谐电真空hpm源通过电子束电压的选频特性实现器件频率的改变，百kv量级的电压改变往往只能实现数十mhz量级的频率改变，难以在高频段(x波段及以上波段)实现宽带hpm输出。电调谐开关振荡器是将阻尼正弦脉冲信号直接馈入宽带天线向自由空间辐射产生，它的工作原理是在1/4波长低阻传输线的一端连接短路开关，另一端连接阻抗较高的宽带辐射天线；1/4波长开关振荡器的电长度决定宽带高功率微波的中心频率，随着中心频率升高，电长度减小，1/4波长开关振荡器的几何尺寸减小，功率容量随着降低。因此，电调谐开关振荡器难以在高频段实现宽带hpm输出。尽管宽带hpm源已在s～x波段取得了较好的研究结果，但是目前已有报导的宽带hpm源仅限制于宽带hpm振荡器。同时，现有的宽带hpm振荡器也存在一定的局限性，具体如下：(1)受限于器件工作机理，电调谐宽带hpm源难以推广到高频段(x波段及以上波段)；(2)机械调谐宽带hpm源的加工、装配难度大，实验操作较为复杂，需反复手动调节机械结构尺寸来实现频率调谐；(3)受限于机械结构的精度，机械调谐宽带hpm振荡器难以实现工作带宽内任意频点的hpm输出。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种x波段宽带高功率微波放大器，本发明实现了一种采用电调谐方式的x波段宽带hpm放大器，能够将电调谐宽带hpm源推广至高频段(x波段及以上波段)，可通过改变外部注入微波信号的频率可实现器件工作带宽内任意频点的hpm输出，克服了现有机械调谐宽带hpm振荡器加工、装配难度大，实验调节复杂，及输出微波频点不连续等问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、本发明提供一种x波段宽带高功率微波放大器，包括：

4、电子束发射结构，用于产生强流相对论电子束ireb；

5、电子束调制结构，用于实现对强流相对论电子束ireb的调制和群聚，实现不低于10％的基波电流调制深度；

6、行波提取结构，用于实现对强流相对论电子束ireb的进一步群聚，并将充分群聚后的强流相对论电子束ireb的动能转换为微波能量耦合输出；

7、所述电子束发射结构的输出端与电子束调制结构的输入端相连，所述电子束调制结构的输出端与行波提取结构的输入端相连。

8、可选地，所述电子束发射结构、电子束调制结构以及行波提取结构三者均为关于中心轴线oz的旋转对称结构。

9、可选地，所述电子束发射结构包括阴极座、阴极、阳极内筒及阳极外筒，所述阴极设于阴极座上，所述阳极外筒套设于阳极内筒外部且两者同心布置，所述阳极内筒和阳极外筒之间形成一段内半径为r1、外半径为r2的空腔结构的漂移管，所述阴极正对漂移管的入口侧，所述电子束调制结构以及行波提取结构依次布置于阳极内筒及阳极外筒之间的漂移管上。

10、可选地，所述电子束调制结构包括沿着漂移管的长度方向间隙布置的拓展互作用注入腔和拓展互作用调制腔，所述拓展互作用注入腔用于外部注入微波功率的高效率吸收并实现对强流相对论电子束ireb的初步调制；所述拓展互作用调制腔用于进一步增大强流相对论电子束ireb的基波电流调制深度，所述拓展互作用注入腔和拓展互作用调制腔对强流相对论电子束ireb的调制频率与外部注入微波频率一致。

11、可选地，所述拓展互作用注入腔由分别设于阳极内筒及阳极外筒的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒及阳极外筒之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，所述阳极外筒上设有和环形凹槽连通的微波注入环。

12、可选地，所述拓展互作用调制腔由分别设于阳极内筒及阳极外筒的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒及阳极外筒之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构。

13、可选地，所述两个环形凹槽之间通过耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，且耦合环内侧用于分隔两个环形凹槽的金属圆盘采用支撑杆或者回流杆与阳极外筒相连。

14、可选地，所述行波提取结构包括依次相邻布置的反射器、慢波结构和输出波导，所述反射器由分别设于阳极内筒及阳极外筒的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒及阳极外筒之间的间隙构成，所述反射器用于隔离电子束调制结构和行波提取结构以确保电子束调制结构和行波提取结构间相互独立稳定工作。

15、可选地，所述慢波结构为设于阳极内筒和阳极外筒两者中至少其一上的周期性的波纹结构，所述周期性的波纹结构中的波纹形状可选择矩形、梯形或者正弦形结构。

16、可选地，所述输出波导为设于阳极内筒和阳极外筒之间的一段圆环形空腔。

17、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

18、1、本发明实现了一种采用电调谐方式的x波段宽带hpm放大器，通过改变外部注入微波信号的频率来调节器件输出hpm的频率，频率调节方式与器件工作机理和尺寸无关，能够将电调谐宽带hpm源推广至高频段(x波段及以上波段)，可以在高频段(x波段及以上波段)实现电调谐宽带hpm源。

19、2、本发明实现了一种采用电调谐方式的x波段宽带hpm放大器，可通过改变外部注入微波信号的频率可实现器件工作带宽内任意频点的hpm输出，克服了现有机械调谐宽带hpm振荡器加工、装配难度大，实验调节复杂，及输出微波频点不连续等问题。

技术特征：

1.一种x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述电子束发射结构、所述电子束调制结构以及所述行波提取结构三者均为关于中心轴线oz的旋转对称结构。

3.根据权利要求1所述的x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述电子束发射结构包括阴极座(1)、阴极(2)、阳极内筒(3)及阳极外筒(4)，所述阴极(2)设于阴极座(1)上，所述阳极外筒(4)套设于阳极内筒(3)外部且两者同心布置，所述阳极内筒(3)和阳极外筒(4)之间形成一段内半径为r1、外半径为r2的空腔结构的漂移管，所述阴极(2)正对漂移管的入口侧，所述电子束调制结构以及行波提取结构依次布置于阳极内筒(3)及阳极外筒(4)之间的漂移管上。

4.根据权利要求3所述的x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述电子束调制结构包括沿着漂移管的长度方向间隙布置的拓展互作用注入腔(5)和拓展互作用调制腔(6)，所述拓展互作用注入腔(5)用于外部注入微波功率的高效率吸收并实现对强流相对论电子束ireb的初步调制；所述拓展互作用调制腔(6)用于进一步增大强流相对论电子束ireb的基波电流调制深度，所述拓展互作用注入腔(5)和拓展互作用调制腔(6)对强流相对论电子束ireb的调制频率与外部注入微波频率一致。

5.根据权利要求4所述的x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述拓展互作用注入腔(5)由分别设于阳极内筒(3)及阳极外筒(4)的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒(3)及阳极外筒(4)之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，所述阳极外筒(4)上设有和环形凹槽连通的微波注入环。

6.根据权利要求5所述的x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述拓展互作用调制腔(6)由分别设于阳极内筒(3)及阳极外筒(4)的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒(3)及阳极外筒(4)之间的间隙构成，且两个环形凹槽之间通过耦合孔或者耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构。

7.根据权利要求6所述的x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述两个环形凹槽之间通过耦合环进行信号交流以构成拓展互作用结构，且耦合环内侧用于分隔两个环形凹槽的金属圆盘采用支撑杆或者回流杆与阳极外筒(4)相连。

8.根据权利要求7所述的x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述行波提取结构包括依次相邻布置的反射器(8)、慢波结构(9)和输出波导(10)，所述反射器(8)由分别设于阳极内筒(3)及阳极外筒(4)的两个环形凹槽，以及位于阳极内筒(3)及阳极外筒(4)之间的间隙构成，所述反射器(8)用于隔离电子束调制结构和行波提取结构以确保电子束调制结构和行波提取结构间相互独立稳定工作。

9.根据权利要求8所述的x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述慢波结构(9)为设于阳极内筒(3)和阳极外筒(4)两者中至少其一上的周期性的波纹结构，所述周期性的波纹结构中的波纹形状可选择矩形、梯形或者正弦形结构。

10.根据权利要求9所述的x波段宽带高功率微波放大器，其特征在于，所述输出波导(10)为设于阳极内筒(3)和阳极外筒(4)之间的一段圆环形空腔。

技术总结
本发明公开了一种X波段宽带高功率微波放大器，包括：电子束发射结构，用于产生强流相对论电子束IREB；电子束调制结构，用于实现对强流相对论电子束IREB的调制和群聚，实现不低于10％的基波电流调制深度；行波提取结构，用于实现对强流相对论电子束IREB的进一步群聚，并将充分群聚后的强流相对论电子束IREB的动能转换为微波能量耦合输出。本发明采用电调谐方式将电调谐宽带HPM源推广至高频段，可通过改变外部注入微波信号的频率可实现器件工作带宽内任意频点的HPM输出，频率调节方式与器件工作机理和尺寸无关，克服了现有机械调谐宽带HPM振荡器加工、装配难度大，实验调节复杂，及输出微波频点不连续等问题。

技术研发人员：张威,周云霄,巨金川,葛行军,党方超,王腾钫,阳福香
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13