模的相对论返波管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波激射器领域，特别是涉及一种相对论返波管。
【背景技术】
[0002]相对论返波管(relativisticbackward wave oscillator,以下简称 RBW0)具有高功率、高效率、适合重复频率工作等特点，是最重要的高功率微波源之一。目前常使用的RBffO如图1所示(专利号:ZL200710082042.4，高功率相对论返波管)，它包括环形阴极1、谐振反射器6、慢波结构7、输出波导4和磁场线圈5。环形阴极I位于装置前部；谐振反射器6、慢波结构7和输出波导4与环形阴极I相隔一定距离，依次置于其后；磁场线圈5则位于环形阴极1、谐振反射器6和慢波结构7的外围。谐振反射器6为内有圆柱腔的圆管件结构，对慢波结构7产生的微波起反射作用，对环形阴极区和慢波结构区进行微波隔离。慢波结构7 —般是一段波导壁变化的波纹圆波导，能使微波的相速减小到小于真空中的光速，使微波相速和电子束的速度能够满足切伦柯夫同步条件。
[0003]工作时，由环形阴极I产生薄的环形相对论电子束，在磁场线圈5产生的磁场引导下，经过谐振反射器6，进入慢波结构7，在慢波结构7内激励起微波。从环形阴极I出来的电子束是非调制的，进入谐振反射器6后，产生预调制；随后进入慢波结构7，调制进一步加深。受调制的电子束与微波的-1次空间谐波相互作用，产生切伦柯夫辐射，从而将一部分动能转交给电磁场，这就导致信号幅值进一步增加。微波向环形阴极I端传输，在慢波结构7的起始端被谐振反射器6反射，重新经过慢波结构7后从输出波导4输出。
[0004]上述RBWO为轴对称结构，其输出微波模式通常为TMqi模。由于TMqi模在辐射场中心点的功率密度为零，实际应用中需采用模式转换器将111。1模转换成TE n模后再进行辐射。而在某些特殊的应用场合，如通讯、导航、深空探测等，由于目标的极化方向未知，因而需要用到圆极化场。这时还需要利用圆极化器将线极化TE11模转换成圆极化TE11模。模式转换器和圆极化器的引入增加了系统重量、长度，两次转换效率有限，不能达到100%，造成能量损失。因此，急需能直接产生圆极化TE11模的RBW0。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种直接产生圆极化TE11模的相对论返波管。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种直接产生圆极化TE11模的相对论返波管，包括环形阴极、输出波导和磁场线圈，还包括角向分区双预调制腔、角向分区慢波结构；
[0008]所述环形阴极位于相对论返波管前部，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；所述角向分区双预调制腔、角向分区慢波结构、输出波导依次置于环形阴极后面；所述磁场线圈位于环形阴极角向分区双预调制腔、角向分区慢波结构的外围；
[0009]所述角向分区双预调制腔由两组相对的弧形双间隙腔构成，两组弧形双间隙腔结构相同，四个弧形双间隙腔围成圆管，两组弧形双间隙腔在轴向位置上错开d/4，其中d为角向分区慢波结构周期长度；
[0010]每个弧形双间隙腔内部包括3个相连的、不同半径、不同宽度的扇形腔，扇形腔的半径依次记为％、R2、R3，且满足Rp R3> R2;
[0011]所述角向分区慢波结构由两组相对的弧形波纹波导构成，两组弧形波纹波导结构相同，四个弧形波纹波导围成圆管，两组弧形波纹波导在轴向位置上错开d/4，且位置靠后的一组弧形波纹波导对应前面位置靠后的一组弧形双间隙腔。
[0012]进一步的，所述3个扇形腔的半径H R3满足0.65 λ < R ^ R2，R3< 1.38 λ，所述3个扇形腔的宽度依次记为WpWpW3，满足0.SSAgSHyW3S 0.5 λ g，其中λ和Ag分别为微波波长和导波波长。
[0013]与已有技术相比，本发明采用了角向分区的双预调制腔和慢波结构，可以在两组结构中产生频率相等，幅度相近且极化正交的两个线极化TE11模。通过使两组双预调制腔和慢波结构在轴向位置上错开d/4，使极化正交的两个线极化TE11模之间引入90°相位差，从而在输出波导中获得圆极化TE11模。
【附图说明】
[0014]图1现有技术产生TMm模的RBWO结构示意图；
[0015]图2本发明一个优选实施例在yz截面上的结构示意图；
[0016]图3本发明一个优选实施例在XZ截面上的结构示意图；
[0017]图4本发明角向分区双预调制腔在yz截面上的结构示意图；
[0018]图5本发明角向分区慢波结构在xy截面上的结构示意图；
[0019]图6本发明相对论返波管竖直和水平两个方向电场随时间的变化以及频谱；
[0020]图7本发明相对论返波管竖直和水平两个方向电场之间的相位差随时间的变化；
[0021]图8本发明相对论返波管输出模式在一个微波周期内不同时刻的场分布。
【具体实施方式】
[0022]为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明直接产生圆极化TE11模相对论返波管做详细描述。
[0023]图2、3给出了本发明的一个实施例示意图。图2中沿相对论返波管中心轴线电子束输出方向为Z轴，垂直Z轴向上为Y轴，垂直y、Z轴指向纸面内为X轴，图2是该实施例yz截面上的结构示意图，图3是该实施例XZ截面上的结构示意图。本发明提供的相对论返波管包括环形阴极1、角向分区双预调制腔2、角向分区慢波结构3、输出波导4和磁场线圈5。
[0024]所述环形阴极I位于整个装置前部，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束。所述角向分区双预调制腔2、角向分区慢波结构3、输出波导4依次置于环形阴极I后面，且与环形阴极I轴向、径向相隔一定距离，磁场线圈5则位于环形阴极1、角向分区双预调制腔2、角向分区慢波结构3的外围。
[0025]所述角向分区双预调制腔2由两组相对的弧形双间隙腔构成，两组弧形双间隙腔结构相同，四个弧形双间隙腔围成圆管，即每组弧形双间隙腔在xy截面上的分区角度为90°，两组弧形双间隙腔在轴向位置上错开d/4，如图2所示，角向分区双预调制腔2的一组弧形双间隙腔的腔左端距离环形阴极的距离为山，如图3所示，角向分区双预调制腔2的另一组弧形双间隙腔的腔左端距离环形阴极的距离为di+d/4，其中d为角向分区慢波结构3周期长度。每个弧形双间隙腔内部包括3个相连的、不同半径、不同宽度的扇形腔，3个扇形腔在yz截面上的半径、宽度分别为:半径，宽度υ2、￥3，且满足&、&> R2o综合考虑返波管结构设计要求，优选半径0.65 λ <札，R2，R3< 1.38 λ，宽度0.25 λ g< W p ff2,W3< 0.5 λ g，见图4，λ和λ 别为微波波长和导波波长。
[0026]所述角向分区慢波结构3由两组相对的弧形波纹波导构成，两组弧形波纹波导结构相同，四个弧形波纹波导围成圆管，即每组弧形波纹波导在xy截面上的分区角度为90°，见图5。两组弧形波纹波导在轴向位置上错开d/4，且位置靠后的一组弧形波纹波导对应前面位置靠后的一组弧形双间隙腔，如图2所示，角向分区慢波结构3的一组弧形波纹波导左端距离环形阴极的距离为d2，如图3所示，角向分区慢波结构3的另一组弧形波纹波导左端距离环形阴极的距离为d2+d/4。每组弧形波纹波导均能包围透过前面一组弧形双间隙腔的电子束，对其进行激励。
[0027]工作时，环形阴极1发射环形相对论电子束，经过角向分区双预调制腔2和角向分区慢波结构3，在两组结构中激励起两个正交的线极化TEn模式，且两者之间相位相差90°。产生的TEn模向环形阴极1端传输，被角向分区双预调制腔2反射，重新进入角向分区慢波结构3，合成圆极化TE11模后从输出波导4中输出。
[0028]上述实施方式的一个具体实施例，其工作在X波段，各主要结构参数如下％ =30.5mm，1= 12mm，R2= 26mm，W2= 17mm，R3= 31mm，W3= 10mm，d = 14mm。在二极管电压720kV，电流7.7kA时，产生微波功率1.5GW，频率9.15GHz，束波转换效率27%，产生的两个正交的线极化TEn模轴比小于ldB，频率相同，见图6，相位相差90° ±5°，见图7。图8给出了输出模式的场分布，其极化方向在一个微波周期内旋转了一周，表明产生了圆极化波TEn模式。
[0029]上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其作出种种变化。
【主权项】
1.一种直接产生圆极化TEn模的相对论返波管，包括环形阴极(1)、输出波导(4)和磁场线圈(5)，其特征在于，还包括角向分区双预调制腔(2)、角向分区慢波结构(3); 所述环形阴极(1)位于相对论返波管前部，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；所述角向分区双预调制腔(2)、角向分区慢波结构(3)、输出波导(4)依次置于环形阴极⑴后面；所述磁场线圈(5)位于环形阴极(1)、角向分区双预调制腔(2)、角向分区慢波结构⑶的外围； 所述角向分区双预调制腔(2)由两组相对的弧形双间隙腔构成，两组弧形双间隙腔结构相同，四个弧形双间隙腔围成圆管，两组弧形双间隙腔在轴向位置上错开d/4，其中d为角向分区慢波结构(3)周期长度； 每个弧形双间隙腔内部包括3个相连的、不同半径、不同宽度的扇形腔，3个扇形腔的半径依次记为％、R2、R3，且满足&、R3> R2； 所述角向分区慢波结构(3)由两组相对的弧形波纹波导构成，两组弧形波纹波导结构相同，四个弧形波纹波导围成圆管，两组弧形波纹波导在轴向位置上错开d/4，且位置靠后的一组弧形波纹波导对应前面位置靠后的一组弧形双间隙腔。2.如权利要求1所述的相对论返波管，其特征在于，所述3个扇形腔的半径1、1?2、1?3满足0.65 λ <&，R2，R3< 1.38 λ，所述3个扇形腔的宽度依次记为，满足0.25 λ g<ff1,ff2,ff3< 0.5 λ g，其中λ和λ 别为微波波长和导波波长。
【专利摘要】本发明属于微波激射器领域，涉及一种直接产生圆极化TE11模的相对论返波管，包括环形阴极、角向分区双预调制腔、角向分区慢波结构、输出波导和磁场线圈。环形阴极位于结构最前端，在高压脉冲作用下发射环形相对论电子束；角向分区双预调制腔、角向分区慢波结构、输出波导依次置于环形阴极后面；磁场线圈位于环形阴极、角向分区双预调制腔、角向分区慢波结构的外围。本发明采用了角向分区的双预调制腔和慢波结构，可以在两组结构中产生频率相等、幅度相近且极化正交的两个线极化TE11模。通过使两组双预调制腔和慢波结构在轴向位置上错开d/4，使极化正交的两个线极化TE11模之间引入90°相位差，从而在输出波导中获得圆极化TE11模。
【IPC分类】H01J23/24, H01J25/34
【公开号】CN105428190
【申请号】CN201510760513
【发明人】肖仁珍, 张治强, 梁铁柱, 邓昱群, 李佳伟, 张庆元
【申请人】西北核技术研究所
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月6日