本发明涉及高功率微波的电真空微波器件，尤其是一种基于通道互耦机制的锁频锁相相对论切伦科夫振荡器（relativistic cherenkov oscillator，rco）。
背景技术：
1、高功率微波（high-power microwave，hpm）通常定义为峰值功率超过100 mw、波长范围在1 mm~1 m（即频率在300 mhz~300 ghz）之间的电磁波。20世纪70年代，随着脉冲功率技术迅速发展，电压高达数百千伏、电流达数十千安的强流相对论电子束得以生成。将这类电子束应用于传统真空电子微波器件，从而实现了百兆瓦以上的hpm输出。同时，对相对论真空电子学和等离子体物理等领域的深入研究为hpm的产生奠定了理论基础。近五十年来，随着国防和工业领域的需求增加，hpm技术取得了巨大的进步。
2、目前，单个hpm产生器件产生的微波功率可达1~5 gw。然而，受到物理机制、材料性能及制造工艺等方面的限制，单个hpm产生器件的输出功率存在上限。为了进一步提高辐射微波的功率，研究人员提出将多个hpm产生器件产生的微波进行相干合成，可在远场获得 n 2倍的峰值功率密度（ n是高功率微波源的数量）。为实现高效相干合成，各hpm器件需具备一致的输出频率和稳定的相位差，这使得锁频锁相hpm产生器件成为研究的热点。根据现有研究成果，锁频锁相hpm器件技术可归纳为3种技术路线，分别是相对论速调管放大器(relativistic klystron amplifier，rka)、牵引锁相振荡器、互锁型磁控管。
3、2017年，国防科技大学的巨金川等人研究了一种改进型x波段三轴速调管放大器【jinchuan ju, jun zhang, ting shu, and huihuang zhong. animproved x-bandtriaxial klystron amplifier for gigawatt long-pulse high-power microwavegeneration[j].ieee electron device letters, 2017, vol. 38, no. 2, pp. 5890-5896】（以下称为现有技术1，如图1所示）。该结构由输入腔、反射腔、漂移段、群聚腔、提取腔、收集极、反馈环、支撑杆、输出波导和两段螺线管磁场组成，整体结构关于中心轴线旋转对称。通过在输入腔注入稳定的外部种子信号，腔体内便激励出与该信号频率一致的高频电磁场。当电子束通过输入腔间隙时，间隙内的电磁场对电子束进行速度调制，电子束在经过输入腔后的漂移管时逐渐形成群聚。此群聚电子的空间频率与种子信号频率一致，从而实现频率锁定。在锁频状态下，rka输出的hpm与种子源微波的相位差保持恒定，实现相位锁定。实验结果表明，该器件可产生功率为1.1 gw的hpm辐射，且生成的微波频率与种子源频率一致，均为9.375 ghz，相位可在90 ns以上保持锁定。由于采用外馈式输入腔结构，导引磁场由两段螺线管磁场组成，磁场线圈设计更复杂。此外，该类rka器件需要外部种子源对输出微波进行锁相，外部种子源也增加了系统体积。
4、2011年，西北核技术研究所的肖仁珍等人研究了一种相位可控的高功率高效率速调型相对论返波振荡器【renzhen xiao, changhua chen, wei song, et al. rf phasecontrol in a high-power high-efficiency klystron-like relativisticbackwardwave oscillator[j]. journal of applied physics, 2011, vol. 110, no.1, pp. 13301-13301】（下文简称为现有技术2，如图2所示）。该结构由环形阴极、磁场、输入腔、谐振反射器、插入块、第一慢波结构、调制腔、第二慢波结构、同轴波导、双间隙提取腔组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案在原有的速调型相对论返波振荡器（relativisticbackward wave oscillator，rbwo）的基础上引入输入腔和同轴波导，将外部信号牵引到rbwo二极管区域和束-波作用区域之间，以便对电子束进行相位牵引，进而实现器件输出微波的相位锁定。但是速调型rbwo为了提高效率，注入腔和谐振反射腔均需要对电子束进行强烈的预调制，注入到注入腔的外部信号需要较高的功率才能避免其被自激振荡产生强射频场的信号所掩盖。尽管如此，这种结构无法实现频率锁定，只有当外部信号频率与自由运行的速调型rbwo输出工作频率相差15mhz以内时，该器件可输出相位可控、功率为10gw的微波。但是此时所需的外部信号功率高达10mw，对外部种子源的功率要求非常高，实际中难以实现，且该类速调型rbwo所需磁场通常大于2t，致使励磁能耗非常大。
5、2023年，电子科技大学的李天明等人研究了一种用于相干合成的具有方位均匀耦合结构的全腔提取（all-cavity-extraction, ace）锁相相对论磁控管（relativisticmagnetrons，rm）【renjie cheng,renzhen xiao, tianming li, et al. phase-lockedall-cavity-extraction relativistic magnetrons withazimuth-uniform couplingstructure for coherent combining applications[j]. ieeetransactions onelectron devices, 2023, vol. 70, no. 11, pp. 5890-5896】（下文简称为现有技术3，如图3、图4所示）。该结构由阴极、阳极、磁场、耦合环、耦合端口、扇形波导、输出波导组成。中央ace-rm（rm #1）的四个耦合端口将微波信号从扇形波导耦合出来，并通过耦合环将这些信号传输到四个外围的ace-rm（rm #2-5）。通过这种方式，中央ace-rm能够与外围ace-rm进行能量耦合，从而实现频率和相位的锁定。仿真结果显示，五个rm之间实现了有效的相位锁定，相对相位抖动控制在±1%以内，各rm在启动后30 ns内完成频率锁定，稳定在2.302ghz。但是rm工作频率通常较低，在高频段时其功率容量受到限制，难以满足高频段的应用需求。同时，其阴极寿命有限，使得设备的长期稳定性受到影响。
6、目前，通过注入外部信号（种子源信号）可实现rka的锁频锁相和牵引锁相振荡器的锁相，但固态小型种子源的研发仍需突破，以提升系统紧凑性。互锁型磁控管虽然不需要外部种子源，但是其阴极寿命有限，影响设备的长期稳定性。此外，rm在高频段受到功率容量和模式竞争等因素的限制，锁频锁相rm的研究多集中于l、s或c等低频段，在x等较高频段时的输出较低。因此，亟需开发一种不依赖外部注入信号的紧凑型x波段锁频锁相hpm器件。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于通道互耦机制的锁频锁相相对论切伦科夫振荡器，克服传统rka和牵引锁相振荡器对外部种子源的依赖，通过合理设计耦合结构，可以实现两个相互独立的rco之间的场交互。无需外加注入信号，这两个系统的固有频率均会受到牵引，经历一段非线性的频率啁啾，最终这两个rco的频率均被牵引至同一个频率点上，实现锁频锁相。
2、本发明的技术方案是：
3、一种基于通道互耦机制的锁频锁相相对论切伦科夫振荡器，包括第一振荡器a、第二振荡器b和矩形波导313。第一振荡器a由第一阴极座301a、第一阴极302a、第一阳极筒303a、第一反射腔304a、第一漂移段305a、第一非周期慢波结构306a、第一耦合槽307a、第一耦合波导308a、第一提取腔309a、第一收集极310a、第一输出波导311a、第一螺线管磁场312a组成， 第二振荡器b由第二阴极座301b、第二阴极302b、第二阳极筒303b、第二反射腔304b、第二漂移段305b、第二非周期慢波结构306b、第二耦合槽307b、第二耦合波导308b、第二提取腔309b、第二收集极310b、第二输出波导311b、第二螺线管磁场312b组成；第一阴极座301a和第二阴极座301b的左端均外接脉冲驱动源的阳极，第一阳极筒303a和第二阳极筒303b的左端均外接脉冲驱动源的外导体，第一输出波导311a和第二输出波导311b的右端分别连接模式转换器和天线，矩形波导 313 的一端与第一耦合波导308a的出口相连接，另一端与第二耦合波导 308b的出口连接。
4、第一阴极302a是一个薄壁圆筒，壁厚为2 mm，半径 r 1等于电子束半径，套在第一阴极座301a右端。第一阳极筒303a为一个圆柱筒，分为两段：一段为内半径 r 20，长 l 35内壁光滑的圆柱筒，另一段为最大内半径 r 2，最小内半径 r 5内壁不规则的圆柱筒， l 35的取值为工作波长 λ的2-2.3倍，满足 r 20 >r 2 >r 5；第一反射腔304a由一个圆盘状空腔、两个梯形台阶和两个梯形圆环形空腔组成：圆盘状空腔半径为 r 2，长度为 l 1， l 1的取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍，第一个梯形台阶的下底（均把靠近径向内侧的一边作为下底边，靠近径向外侧的一边作为上底边，以下同）边长为 l 2，下底半径为 r 3，斜边宽度为 l 3， l 2的取值为工作波长 λ的0.03-0.1倍， l 3的取值为工作波长 λ的0.05-0.1倍，第一个梯形圆环空腔的上底宽 l 4，上底半径为 r 4，斜边宽度为 l 5， l 4的取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍， l 5的取值为工作波长 λ的0.05-0.1倍，第二个梯形台阶的下底边长为 l 6，下底半径为 r 5，斜边宽度为 l 3， l 6的取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍，第二个梯形圆环空腔的上底宽 l 7，上底半径为 r 6，斜边宽度为 l 8， l 7的取值为工作波长 λ的0.1-0.2倍， l 8的取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍，满足 r 3 >r 5， r 4 >r 6；漂移段305a长度为 l 9，半径为 r 7， l 9取值为工作波长 λ的0.6-0.8倍，满足 r 7 =r 3；第一非周期慢波结构306a由八个慢波叶片组成，每个慢波叶片均由一个梯形圆环空腔和一个梯形台阶组成：第一个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 10，上底宽 l 11，上底半径为 r 4，梯形台阶的斜边宽度为 l 7，下底长为 l 12，下底半径为 r 7， l 10的取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍， l 11的取值为工作波长 λ的0.08-0.15倍， l 12取值为工作波长 λ的0.3-0.5倍；第二个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 2，上底宽 l 13，上底半径为 r 8，梯形台阶的斜边宽度为 l 8，下底长为 l 7，下底半径为 r 9， l 13取值为工作波长 λ的0.2-0.4倍，满足 r 8 >r 4， r 7 >r 9 >r 5；第三个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 3，上底宽 l 14，上底半径为 r 10，梯形台阶的斜边宽度为 l 8，下底长为 l 11，下底半径为 r 9， l 14取值为工作波长 λ的0.1-0.2倍；第四个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 15，上底宽 l 5，上底半径为 r 10，梯形台阶的斜边宽度为 l 16，下底长为 l 3，下底半径为 r 11， l 15的取值为工作波长 λ的0.1-0.2倍， l 16的取值为工作波长 λ的0.1-0.2倍，满足 r 11 =r 5；第五个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 3，上底宽 l 7，上底半径为 r 12，梯形台阶的斜边宽度为 l 3，下底长为 l 17，下底半径为 r 11， l 17的取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍，满足 r 6 >r 12 >r 10；第六个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 2，上底宽 l 18，上底半径为 r 13，梯形台阶的斜边宽度为 l 2，下底长为 l 14，下底半径为 r 11， l 18的取值为工作波长 λ的0.1-0.2倍，满足 r 10 >r 13；第七个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 19，上底宽 l 9，上底半径为 r 4，梯形台阶的斜边宽度为 l 7，下底长为 l 20，下底半径为 r 11， l 19的取值为工作波长 λ的0.1-0.2倍， l 20的取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍，满足 r 14 =r 6；第八个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 2，上底宽 l 21，上底半径为 r 15，梯形台阶的斜边宽度为 l 2，下底长为 l 22，下底半径为 r 16， l 21的取值为工作波长 λ的0.1-0.2倍， l 22的取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍，满足 r 15 =r 10， r 16 =r 9；
5、第一耦合槽307a为一个加载在第六个慢波叶片的梯形圆环空腔上底处的矩形波导孔，窄边长为 l 28，宽边长为 l 29，用于将慢波结构中的微波信号引导至第一耦合波导308a；第一耦合波导308a加载在第一阳极筒303a上，由两个矩形波导组成：第一个矩形波导窄边长为 l 28，宽边长为 l 29，长度为 l 30，其输入端开口紧贴于第一耦合槽307a开口位置，两者之间没有物理缝隙，确保能量传递的完整性，在距第一耦合槽307a开口 l 31位置处加载第二个矩形波导，窄边长为 l 32，宽边长为 l 29，长度为 l 33， l 28的取值为工作波长 λ的0.05-0.1倍， l 29的取值为工作波长 λ的0.8-2倍， l 30的取值为工作波长 λ的0.3-0.8倍， l 31的取值为工作波长 λ的0.2-0.5倍， l 32的取值为工作波长 λ的0.08-0.2倍， l 33的取值为工作波长 λ的6-7倍；第一提取腔309a为一个圆环状空腔，空腔外半径为 r 17，长度为 l 23， l 23的取值为工作波长 λ的0.1-0.2倍，满足 r 17 =r 12；在距离第一提取腔309a l 24处为第一收集极310a，第一收集极310a由一个横截面为直角三角形的圆环形空腔和一个横截面为矩形的圆环形空腔组成：横截面为直角三角形的圆环形空腔一条直角边的长度为 l 25，另一条直角边的长度为 r 18- r 16，横截面为矩形的圆环形空腔的内半径为 r 16，外半径为 r 18，长度为 l 26， l 24为工作波长 λ的0.05-0.1倍， l 25为工作波长 λ的1.1-1.3倍， l 26为工作波长 λ的0.5-0.7倍，满足 r 18 =r 4；第一输出波导311a为一个圆柱状空腔，圆柱半径为 r 19，长度为 l 27， l 27的取值为工作波长 λ的3.3-3.7倍，满足 r 19 =r 16；第一螺线管磁场312a套在第一阳极筒303a的外壁上，通过改变通过螺线管磁场的电流大小，从而改变螺线管产生的磁场强度，实现对电子束的传输导引。
6、第二振荡器b区别于第一振荡器a的结构在于第二振荡器b的第二非周期慢波结构306b中的第一个慢波叶片和第六个慢波叶片与第一振荡器a中对应的慢波叶片有所不同：第二非周期慢波结构306b的第一个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 36，上底宽 l 37，上底半径为 r 21，梯形台阶的斜边宽度为 l 36，下底长为 l 38，下底半径为 r 22， l 36的取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍， l 37的取值为工作波长 λ的0.08-0.15倍， l 38取值为工作波长 λ的0.3-0.5倍；第六个慢波叶片的梯形圆环空腔的斜边宽度为 l 39，上底宽 l 40，上底半径为 r 23，梯形台阶的斜边宽度为 l 39，下底长为 l 41，下底半径为 r 24， l 39取值为工作波长 λ的0.05-0.1倍， l 40取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍， l 41取值为工作波长 λ的0.1-0.3倍，满足 r 21 >r 23， r 22 >r 24 。
7、矩形波导313窄边长为 l 32，宽边长为 l 29，长度为 l 34， l 34的取值为工作波长 λ的6-7倍，第一耦合波导308a和第二耦合波导308b通过矩形波导313实现场交互，从而完成第一振荡器a和第二振荡器b之间的微波信号耦合。
8、本发明的工作过程如下：脉冲驱动源产生的高电压分别经第一阴极座301a和第二阴极座301b作用到第一阴极302a和第二阴极302b上，第一阴极302a和第二阴极302b右端面基于爆炸发射产生强流相对论电子束，在第一螺线管磁场312a和第二螺线管磁场312b的导引下沿微波源轴向传输，先后分别经过第一反射腔304a和第二反射腔304b、第一漂移段305a和第二漂移段305b、第一非周期慢波结构306a和第二非周期慢波结构306b、第一耦合槽307a和第二耦合槽307b、第一提取腔309a和第二提取腔309b，最后进入第一收集极312a和第二收集极312b。电子束往前传播，激励起来的微波向后传播，在第一非周期慢波结构306a和第二非周期慢波结构306b起始端分别被第一反射腔304a和第二反射腔304b反射，重新经过第一非周期慢波结构306a和第二非周期慢波结构306b，最后分别通过第一耦合槽307a和第二耦合槽307b耦合至第一耦合波导308a和第二耦合波导308b，并通过矩形波导313传递，从而实现场交互，直至分别进入第一输出波导311a和第二输出波导311b通过各自连接的模式转换器和天线辐射出去。
9、与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
10、1、本发明提供了一种基于通道互耦机制的锁频锁相rco。通过在第一振荡器a和第二振荡器b的非周期慢波结构第六个慢波叶片的梯形圆环空腔的上底处分别加载第一耦合槽307a和第二耦合槽307b，将两个振荡器非周期慢波结构内的微波信号引导至第一耦合波导308a和第二耦合波导308b，并通过矩形波导将第一耦合波导308a和第二耦合波导308b相连接，实现两个振荡器之间的电磁场互耦。基于耦合效应，无需外部注入信号即可使两个固有频率不同的振荡器发生频率牵引，经历一段非线性的频率啁啾过程，最终实现频率和相位的锁定。
11、2、本发明提供的基于通道互耦机制的锁频锁相rco采用耦合槽导引微波信号以实现振荡器之间的场互耦。耦合槽的位置和尺寸直接决定了微波信号的耦合强度、振荡器间锁频锁相的效果，合理设计耦合槽的位置和尺寸有利于提升系统的频率相位锁定性能。
12、3、本发明提供的基于通道互耦机制的锁频锁相rco采用梯形收集极，保证了电子束轰击位置与提取腔之间的距离足够远。间隔距离大有利于增大电子束轰击收集极产生的等离子体扩散至提取腔的时间，降低等离子体对提取腔性能的影响，提高器件稳定运行时间，保证器件输出长脉冲微波。
13、具体请参考根据本发明的基于通道互耦机制的锁频锁相rco提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其它方面显而易见。