一种输出两路同频的嵌套型锁相高功率微波发生器

本发明属于高功率微波的微波源器件，尤其是一种输出两路同频的嵌套型锁相高功率微波发生器。

背景技术：

1、高功率微波(high-power microwave，hpm)通常定义为频率在300mhz～300ghz、功率峰值超过100mw的电磁波。hpm源是指hpm系统中将强流相对论电子束能量转换为微波能量，即产生hpm的器件。得益于对脉冲功率技术、相对论真空电子学和等离子体物理等学科的深入探究，近年来hpm源技术发展迅速。

2、hpm源为了获得更高的输出功率通常使用大过模比结构。大过模比结构虽然大大提高了器件的功率容量，但器件的内部空心结构或同轴导体结构得不到有效利用。为了解决大过模比结构的内部体积浪费现象，技术人员提出了内外嵌套结构：将原来单个器件的内部空心结构或同轴导体结构替换成低过模比的高频结构，内外两套高频结构相互独立，可以同时输出多路微波或分时输出单路微波。内外嵌套结构使得器件理论上的功率体积比(hpm源产生的微波功率与器件的体积之比)大大提高。相对论速调管振荡器(relativisticklystron oscillator，rko)具有高功率，结构简单，工作模式单一，工作稳定等优点，在内外嵌套器件中得到广泛应用。

3、申请号为zl 201610229475.7的专利方案无法实现锁频锁相，即输出多路同频微波；也无法实现多路微波相位稳定。需要进一步减小轴向和径向尺寸以及频率跨度。

4、申请号为zl 201610812971.5的专利，由于需要用步进电机来控制各频段阴极距离阳极的相对距离，以防止三阴极的空间分布对电子束的调制效果产生影响，从而影响微波输出。所以该方案不能实现多路微波(三频点)同时工作以及锁频锁相工作。

5、申请号为zl 201811057701.3的专利通过调节内外阴极长度，使得强流相对论电子束与内外电磁结构进行束波相互作用，从而产生x/ka波段的单频微波。该方案整体尺寸较现有技术1大大减小，频率跨度也大大减小。但该方案仍然无法实现锁频锁相，无法内外电磁结构同时输出同频微波。

6、申请号为zl 202011554426.3的专利输出拍波说明两路微波频率已非常接近，只有600mhz频率差。但该方案仍未实现锁频锁相。

7、分析上述研究现状不难看出，尽管基于内外嵌套结构的hpm源的研究取得了较大进展，但大部分技术方案的实施方式为分时产生多路单频微波或者产生拍波。因此，亟需研究一种能同时产生多路同频微波(锁频)、多路微波相位稳定(锁相)的高功率微波发生器。

技术实现思路

1、本发明提供一种输出两路同频的嵌套型锁相高功率微波发生器，不同于传统锁相hpm振荡器技术方法需要外部注入信号，通过合理设计电磁耦合结构，采用特殊的耦合波导，使得内外嵌套rko达到锁频锁相状态，从而输出多路同频hpm。本发明可以克服传统锁相hpm振荡器技术方法需要注入腔和种子源所带来的体积扩大以及传统内外嵌套结构振荡器内外功率效率偏低、起振时间过长等不足，具有功率效率高、起振时间快、输出功率高等优点。

2、为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：所述的微波发生器包括内部电磁结构和外部电磁结构；

3、所述的内部电磁结构包括内阴极座501a、内阴极502a、内第一漂移腔503a、耦合波导504、内调制腔外腔505a1、内调制腔内腔505a2、内第二漂移腔506a、内提取腔外腔507a1、内提取腔内腔507a2、内收集极508a、内叶片509a、内微波输出波导510a、内部电磁结构内导体511a；

4、所述的外部电磁结构包括外阴极座501b、外阴极502b、阳极外筒503b、外第一漂移腔504b、外调制腔外腔505b1、外调制腔内腔505b2、外第二漂移腔506b、外提取腔外腔507b1、外提取腔内腔507b2、外收集极508b、外叶片509b、外微波输出波导510b、外部电磁结构内导体511b、线圈磁场512；

5、所述的内阴极502a和外阴极502b由薄壁圆筒构成，均套在内外阴极座右端，阳极外筒503b的内表面、内部电磁结构内导体511a表面和外部电磁结构内导体511b表面均具有不规则波纹。

6、进一步地，所述的内第一漂移腔503a为圆环形空腔；

7、所述的内调制腔外腔505a1位于外部电磁结构内导体511b的内表面上，由一个较宽的圆环形空腔和三个较窄的圆环形空腔组成。

8、进一步地，所述的内调制腔内腔505a2位于内部电磁结构内导体511a的外表面，四个圆环形空腔与内调制腔外腔505a1的四个圆环形空腔一一对应；

9、所述的内第二漂移腔506a位于内调制腔外腔505a1和内提取腔外腔507a1之间，是一个圆环形空腔。

10、进一步地，所述的内提取腔外腔507a1位于外部电磁结构内导体511b的内表面上，内提取腔内腔507a2位于内部电磁结构内导体511a的外表面，均由三个完全相同的圆环形空腔组成；内提取腔内腔507a2与内提取腔外腔507a1一一对应。

11、进一步地，所述的内收集极508a位于内部电磁结构内导体511a上，是一个横截面为直角梯形的圆环形空腔；

12、所述的内叶片509a位于内部电磁结构内导体511a的外表面上；

13、所述的内微波输出波导510a被内叶片509a分为两部分，前部分为一个横截面为直角梯形的圆环形空腔，后部分为圆环形空腔，内微波输出波导510a总长度应保证内微波输出波导510a与外微波输出波导510b齐平。

14、进一步地，所述的外第一漂移腔504b为圆环形空腔；

15、所述的外调制腔外腔505b1位于阳极外筒503b的内表面上，由一个较宽的圆环形空腔和三个较窄的圆环形空腔组成；

16、所述的外调制腔内腔505b2位于外部电磁结构内导体511b的外表面，四个圆环形空腔与外调制腔外腔505b1的四个圆环形空腔一一对应。

17、进一步地，所述的外第二漂移腔506b位于外调制腔外腔505b1和外提取腔外腔507b1之间为圆环形空腔；

18、所述的外提取腔外腔507b1和位于阳极外筒503b的内表面上，所述的外提取腔内腔507b2位于外部电磁结构内导体511b的外表面，均由三个完全相同的圆环形空腔组成；

19、外提取腔内腔507b2与外提取腔外腔507b1一一对应。

20、进一步地，所述的外收集极508b位于内部电磁结构内导体511a上为横截面为直角梯形的圆环形空腔；

21、所述的外叶片509b位于外部电磁结构内导体511b的外表面，外微波输出波导510b被外叶片509b分为两部分，前部分为一个横截面为直角梯形的圆环形空腔，后部分为圆环形空腔，外微波输出波导510b总长度应保证外微波输出波导510b与内微波输出波导510a齐平。

22、进一步地，所述的线圈磁场512套在阳极外筒503b的外壁上；

23、内微波输出波导510a和外微波输出波导510b的右端接功率合成器、模式转换器和天线。

24、进一步地，所述的耦合波导504位于外部电磁结构内导体511b上，实现两路高功率微波的同频锁相。

25、本发明有益效果：

26、1、本发明提供的一种输出两路同频的嵌套型锁相高功率微波发生器采用耦合波导，先振荡起来的hpm会沿着耦合波导泄漏到另一电磁结构，在电磁结构中激励起驻波场。驻波场会对经过的强流相对论电子束进行调制，调制后的电子束再与高频结构本征场进行束波相互作用时，会振荡起频率为原泄漏hpm的频率的新hpm，即实现锁频。两路hpm会不断通过耦合波导相互耦合，从而使其相位差稳定，即实现锁相。

27、2、本发明提供的一种输出两路同频的嵌套型锁相高功率微波发生器相较于传统实现锁相的注入锁相技术路线，无需种子源或外来信号就能实现锁频锁相，大大减小整个系统的体积，符合现代hpm源的小型化、紧凑化需要。

28、3、本发明提供的一种输出两路同频的嵌套型锁相高功率微波发生器通过实现锁频锁相输出了同频、相位差稳定的两路hpm。在后续应用中，仅需根据工作频段以及相位信息设计功率合成器即可输出更高功率的hpm。也可以调整漂移腔、调制腔、提取腔参数来产生跨波段单频hpm或拍波，具有更广的使用价值。