一种基于两级调制与分布式提取的K波段渡越时间振荡器

一种基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器
技术领域
1.本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其涉及一种基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器。


背景技术：

2.高功率微波(high power microwave,hpm)通常的定义是峰值功率超过100mw，波长在1mm～1m(即频率在300mhz～300ghz)之间的电磁波。上世纪七十年代，脉冲功率技术迅速发展，数百千伏电压和数十千安电流的强流相对论电子束得以产生，将其应用于传统真空电子微波器件，使得产生功率超过百兆瓦的hpm成为可能。同时在相对论真空电子学和等离子体物理等学科的深入研究，为hpm的产生提供了理论支撑。
3.高功率微波源是产生高功率微波辐射的核心部件，是利用强流电子束与谐振腔的互作用来产生高功率微波的。渡越时间振荡器是利用强流电子束与谐振腔中的本征驻波场进行能量交换的，具有高功率、高效率以及工作模式单一等特点，受到研究人员的广泛关注。
4.k波段是指频率在18～26ghz(相应的波长为11.54～16.67mm)这一频段中的电磁波，属于毫米波范畴。相对于低频段微波，k波段微波具有频谱范围宽、波束窄、直线传播、全天候工作、辐射天线增益高等优点，目前已经被广泛用于通讯、雷达、遥感等众多领域。因此发展k波段高功率微波技术是十分有前景的。但是目前研究的波段主要集中在l、s、c、x、ku、ka等频段，而关于k波段的公开成果则鲜有报道。
5.在毫米波段，器件内部作用空间较小，功率容量有限，从而限制了这些传统的微波管在高功率毫米波段内的应用。因此提高输出效率的同时，增大高频段器件的功率容量成为了亟待解决的问题。同轴渡越时间振荡器由于引入了内导体，提高了电子束势能，增大了器件的功率容量；且同轴结构还具有同时等距地增大内外导体半径，保持器件特性不变的特点，被广泛的用在高频段器件中。例如，目前公开了一种c波段低磁场高效率同轴高功率微波振荡器，参见现有技术1：【邓如金.c波段低磁场高效率同轴高功率微波振荡器研究[d].长沙：国防科技大学，2021】。其结构如图1所示，由环形阴极101、第一调制腔102、漂移段103、第二级调制腔104、单间隙内提取腔105、收集极106、同轴输出波导107和磁场108组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案通过引入两级调制结构实现基波电流的深度调制。为了便于收集极的冷却，采用内提取的方式输出微波，最终在二极管电压600kv，电流15ka，外加导引磁场0.5t的条件下，实现了3.65gw的微波输出，频率4.31ghz，效率40％。可以看到该结构输出效率很高，但应用频段比较低。
[0006]
另外现有的高频段同轴渡越时间振荡器虽然输出效率已经很高，但输出功率往往偏低。例如，目前已进行了ka波段高功率同轴渡越时间振荡器的研究，参见现有技术2：【宋莉莉.ka波段高功率同轴渡越时间振荡器的研究[d].长沙：国防科技大学，2018】。该结构如图2所示，由环形阴极201、前置反射腔202、调制腔203、漂移段204、提取腔205、同轴输出波导206和磁场207组成，整个器件关于中心旋转对称。该结构通过四间隙调制腔提高基波电
流调制深度，然后采用单间隙提取腔提取微波，最终在447kv，7.4ka，导引磁场0.6t的条件下，实现了1.27gw的微波输出，效率为38.5％，输出微波频率26.2ghz。可以看到该器件虽然输出频率高，但输出功率、效率仍有提升空间。而输出功率偏高的器件，实验可行性却很小。此外，目前也已经进行了紧凑轻小型ku波段长脉冲渡越时间振荡器研究，参见现有技术3：【徐伟力.紧凑轻小型ku波段长脉冲渡越时间振荡器研究[d].长沙：国防科技大学，2020】。该结构如图3所示，由环形阴极301、前置反射器302、调制腔303、漂移段304、提取腔305、弯曲收集极306和同轴输出波导307组成，整个器件关于中心旋转对称。该结构通过轴向渐变弯曲的方式，结合了轴向易于实现与径向功率容量大的特点，实现了在电压620kv，电流13.3ka，外加导引磁场1t的条件下，输出功率3.37gw，微波频率12.43ghz，效率为41％。可见该器件输出功率、效率都很高，但实验加工难度大。
[0007]
经查阅得知，采用双通道分布式提取结构既可以增大器件功率容量，还可以进一步提高输出功率。例如，目前已进行了x波段50mw速调管的研制，参见现有技术4：【储开荣.x波段50mw速调管的研制[j].强激光与粒子束，2020，32(10)】。该结构如图4所示，由阴极401、调制腔402、漂移段403、末前腔404、提取腔405、电子束406、第一输出波导407a与第二输出波导407b组成，通过使用上下双通道输出，在450kv，电流190a，磁场0.398t的条件下，实现了52.1mw的微波输出，效率达60.9％。但该结构针对大功率真空电子器件，对于高功率真空电子器件不太适用。且该器件采用矩形波导输出，而渡越时间振荡器采用同轴波导输出，二者输出微波模式不同。
[0008]
目前关于同时实现高转换效率、高输出功率、易于加工的高频段同轴渡越时间振荡器技术方案尚未有公开报道。


技术实现要素：

[0009]
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，采用两级调制结构实现基波电流调制深度的增大，从而提高输出效率。鉴于k波段已经属于毫米波范畴，器件尺寸较小，存在功率容量受限的问题，于是将第二级调制腔改为梯形结构以增大器件的功率容量。并采用双侧通道分布式提取方式实现输出功率的提高，克服高频段下实现高效率输出的同时，输出功率受限的问题。
[0010]
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
[0011]
一种基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，包括内筒和套设于内筒外部的阳极外筒，所述内筒和阳极外筒之间形成圆环形的空腔，所述空腔包括依次连通的第一漂移管、第一调制腔、第二漂移管、第二调制腔、第三漂移管、提取腔和第一同轴输出波导，所述内筒的输出端还设有圆环形的第二同轴输出波导，所述第一同轴输出波导和第二同轴输出波导同轴设置，所述提取腔还和第二同轴输出波导连通，所述k波段渡越时间振荡器关于内筒的中心轴线旋转对称。
[0012]
进一步的，所述第一调制腔由设置于阳极外筒内壁的第一调制腔外腔，设置于内筒外壁的第一调制腔内腔，以及第一调制腔外腔与第一调制腔内腔之间的环形空间组成，所述第一调制腔外腔与第一调制腔内腔相对布置，且所述第一调制腔外腔与第一调制腔内腔均由沿轴向间隙设置的相同圆环形空腔组成，且所述圆环形空腔的横截面为矩形。
[0013]
进一步的，所述第二调制腔由设置于阳极外筒内壁的第二调制腔外腔，设置于内筒外壁的第二调制腔内腔，以及第二调制腔外腔与第二调制腔内腔之间的环形空间组成，所述第二调制腔外腔与第二调制腔内腔相对布置，且所述第二调制腔外腔与第二调制腔内腔均为横截面为梯形的圆环形空腔。
[0014]
进一步的，所述提取腔包括沿轴线方向依次连通的第一间隙、第二间隙和第三间隙，所述第一间隙、第二间隙和第三间隙均由设置于阳极外筒内壁的提取腔外腔的对应圆环形空腔，设置于内筒外壁的提取腔内腔的对应圆环形空腔，以及对应的两个圆环形空腔之间的环形空间组成，所述提取腔外腔中第三间隙对应的圆环形空腔与第一同轴输出波导的输入端连通，所述提取腔内腔中第二间隙对应的圆环形空腔与第二同轴输出波导的输入端连通
[0015]
进一步的，所述第一同轴输出波导包括依次连通的第一输出波导耦合狭缝、第一输出波导锥形过渡段、第一输出波导天线连接段，所述第一输出波导耦合狭缝与提取腔外腔中第三间隙对应的圆环形空腔连通。
[0016]
进一步的，所述第一同轴输出波导还包括圆环形的第一输出波导调节块，所述第一输出波导调节块设置于第一输出波导天线连接段输入端，且套设于内筒外部。
[0017]
进一步的，所述第二同轴输出波导包括依次连通的第二输出波导矩形过渡段和第二输出波导天线连接段，所述第二输出波导矩形过渡段与提取腔内腔中第二间隙对应的圆环形空腔连通。
[0018]
进一步的，所述第二同轴输出波导还包括圆环形的第二输出波导调节块，所述第二输出波导调节块与内筒同轴设置，且所述第二输出波导调节块设置于第二输出波导矩形过渡段的输入端。
[0019]
进一步的，所述第一同轴输出波导的输出端设有第一支撑杆，所述第二同轴输出波导的输出端设有第二支撑杆，所述第二支撑杆安装于第二同轴输出波导中与第一支撑杆在第一同轴输出波导的安装位置相对应的位置。
[0020]
进一步的，所述内筒还设有梯形收集极，所述梯形收集极为横截面为直角梯形的圆环形空腔，所述第一漂移管、第一调制腔、第二漂移管、第二调制腔、第三漂移管、提取腔和梯形收集极的直角腰所在端依次连通形成电子束传输路径通道。
[0021]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0022]
(1)本发明采用两级调制腔级联结构，两级调制腔采用三间隙矩形腔+单间隙梯形腔，实现了对电子束的两次有效调制，提高了基波电流调制深度，有利于器件实现更高的功率输出。
[0023]
(2)本发明采用双侧通道分布式提取方式，实现两个通道同时提取微波，有利于增大器件功率容量的同时，实现更高功率、更高效率的微波输出。
附图说明
[0024]
图1为现有技术1公开的c波段低磁场高效率同轴高功率微波振荡器的结构示意图。
[0025]
图2为现有技术2公开的ka波段高功率同轴渡越时间振荡器的前视剖视结构示意图。
[0026]
图3为现有技术3公开的紧凑轻小型ku波段长脉冲渡越时间振荡器的前视剖视结构示意图。
[0027]
图4为现有技术4公开的x波段50mw速调管的局部结构示意图。
[0028]
图5为本发明实施例的k波段同轴渡越时间振荡器的前视剖视结构示意图。
[0029]
图6为本发明实施例的k波段同轴渡越时间振荡器的双通道同轴输出波导局部结构示意图。
[0030]
图7为本发明实施例的k波段同轴渡越时间振荡器中第一同轴输出波导输出微波平均功率图。
[0031]
图8为本发明实施例的k波段同轴渡越时间振荡器中第一同轴输出波导输出微波频率图。
[0032]
图9为本发明实施例的k波段同轴渡越时间振荡器中第二同轴输出波导输出微波平均功率图。
[0033]
图10为本发明实施例的k波段同轴渡越时间振荡器中，第二同轴输出波导输出微波频率图。
[0034]
背景技术部分图例说明：101-环形阴极、102-第一调制腔、103-漂移段、104-第二级调制腔、105-单间隙内提取腔、106-收集极、107-同轴输出波导、108-磁场、201-环形阴极、202-前置反射腔、203-调制腔、204-漂移段、205-提取腔、206-同轴输出波导、207-磁场、301-环形阴极、302-前置反射器、303-调制腔、304-漂移段、305-提取腔、306-弯曲收集极、307-同轴输出波导、401-阴极、402-调制腔、403-漂移段、404-末前腔、405-提取腔、406-电子束、407a-第一输出波导、407b-第二输出波导；
[0035]
本发明实施例中图例说明：501-阴极座、502-阴极、503-阳极外筒、504-内筒、505-第一漂移管、506-第一调制腔、506a-第一调制腔外腔、506b-第一调制腔内腔、507-第二漂移管、508-第二调制腔、508a-第二调制腔外腔、508b-第二调制腔内腔、509-第三漂移管、510-提取腔、510a-提取腔外腔、510b-提取腔内腔、511-梯形收集极、512-第一同轴输出波导、512a-第一输出波导耦合狭缝、512b-第一输出波导锥形过渡段、512c-第一输出波导天线连接段、512d-第一输出波导调节块、513-第二同轴输出波导、513a-第二输出波导矩形过渡段、513b-第二输出波导调节块、513c-第二输出波导天线连接段、514a-第一支撑杆、514b-第二支撑杆、515-螺线管磁场。
具体实施方式
[0036]
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0037]
本发明提出一种基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，可以在高频段下同时实现高转换效率与高输出，如图5所示，包括阴极座501和管状结构的阳极外筒503，阳极外筒503的外壁套设有螺线管磁场515，阳极外筒503中插设有内筒504，内筒504和阳极外筒503之间形成圆环形的空腔，阴极座501朝向内筒504的一侧设有圆环状的阴极502，阴极502用于向内筒504和阳极外筒503之间的空腔射出电子束。内筒504为一个半径不等的圆柱形导体，其外表面的各种空腔与阳极外筒503内表面上的各种空腔一起形成电动力学结构，和电子束发生束波互作用产生hpm并向外辐射。
[0038]
如图5所示，本实施例的k波段渡越时间振荡器关于内筒504的中心轴线(oz轴)旋转对称，本实施例的空腔包括依次连通的第一漂移管505、第一调制腔506、第二漂移管507、第二调制腔508、第三漂移管509、提取腔510和第一同轴输出波导512，阴极502射出的电子束依次通过第一漂移管505至提取腔510形成电子束传输路径，内筒504的输出端还设有圆环形的第二同轴输出波导513，第一同轴输出波导512和第二同轴输出波导513同轴设置，提取腔510还与第二同轴输出波导513连通，此外，内筒504还正对电子束传输路径开设有梯形收集极511，梯形收集极511为横截面为直角梯形的圆环形空腔，第一漂移管505、第一调制腔506、第二漂移管507、第二调制腔508、第三漂移管509、提取腔510和梯形收集极511的直角腰所在端依次连通形成电子束传输路径通道。
[0039]
本实施例中，阴极座501外接脉冲驱动源的阳极，阳极外筒503左端外接脉冲驱动源的外导体，第一同轴输出波导512和第二同轴输出波导513均连接模式转换器和天线，可参照不同波长和应用场景的要求，根据通用的模式转换器和天线设计方法设计得到，为高功率微波领域的通用方法。本实施例的k波段渡越时间振荡器工作原理如下：
[0040]
脉冲功率驱动源将高电压加载到阴极502上，阴极502发射强流相对论电子束，阴极502产生的相对论电子束先后在第一调制腔506、第二调制腔508激励起tm
01
模式的电磁波并与之进行束波相互作用，第一调制腔506、第二调制腔508先后对电子束进行密度调制和速度调制，在电子束牵引下，第一调制腔506内激励起本征场，并对电子束进行速度调制，而后电子束的速度调制经过第一调制腔506对应的第二漂移管507转换为密度调制，在第二调制腔508中重复上述过程。最终将调制腔内本征微波的能量交给电子束，电子束在到达提取腔510前达到良好的群聚，电子束漂移到提取腔510之后，电子束的能量传递给提取腔510的本征微波，提取腔510内的减速电场与电子束发生强烈的渡越辐射效应产生hpm(高功率微波)，最终将产生的高功率微波经由第一同轴输出波导512和第二同轴输出波导513这两个同轴输出波导向外耦合至模式转换器和辐射天线。而电子束则进入收集极511中被收集。考虑到电子直接打在收集极内壁可能产生反射电子，并回流到提取腔影响束波互作用，因此将收集极右端设置成斜面，这样增大了电子打在收集极上的有效面积，减小了电子反射的程度。
[0041]
为了提高输出效率，增大基波电流调制深度，本实施例计划采用两级调制结构。第一级调制结构对电子进行初始调制，基波电流调制深度不太大，采用渡越时间振荡器中常见的三间隙矩形腔即可；而第二级调制结构需要将基波电流进一步增大，因此需要大功率容量的腔体。研究表明，相比于矩形腔，同等大小的梯形腔具有更高的功率容量。而腔体数目越多，会使得整管长度增加，因此采用单间隙梯形腔作为第二级调制结构。本实施例中采用三间隙矩形腔+单间隙梯形腔的两级调制结构，先后进行两次对电子束进行调制，实现基波电流调制深度达到130％以上。如图5所示，本实施例中的第一调制腔506由设置于阳极外筒503内壁的第一调制腔外腔506a(506a所指虚线部分)，设置于内筒504外壁的第一调制腔内腔506b(506b所指虚线部分)，以及第一调制腔外腔506a与第一调制腔内腔506b之间的环形空间组成，第一调制腔外腔506a与第一调制腔内腔506b相对布置，且第一调制腔外腔506a与第一调制腔内腔506b均由沿轴向间隙设置的圆环形空腔组成，且这些圆环形空腔的横截面为矩形，本实施例中，第一调制腔外腔506a由沿轴向间隙设置的第一圆环形空腔组成，第一调制腔内腔506b由沿轴向间隙设置的第二圆环形空腔组成，第一圆环形空腔与第
二圆环形空腔均为三个且一一对应，第一调制腔外腔506a每一个第一圆环形空腔与第一调制腔内腔506b对应的第二圆环形空腔以及该第一圆环形空腔与第二圆环形空腔之间的环形间隙组成了第一调制腔506的一个间隙。
[0042]
相对应的，如图5所示，本实施例中的第二调制腔508由设置于阳极外筒503内壁的第二调制腔外腔508a(508a所指虚线部分)，设置于内筒504外壁的第二调制腔内腔508b(508b所指虚线部分)，以及第二调制腔外腔508a与第二调制腔内腔508b之间的环形空间组成，第二调制腔外腔508a与第二调制腔内腔508b相对布置，且第二调制腔外腔508a为横截面为等腰梯形的第三圆环形空腔，第二调制腔内腔508b为横截面为等腰梯形的第四圆环形空腔。
[0043]
为了提高输出功率并增大功率容量，本实施例采用双侧通道分布式提取方式。大量冷测仿真表明三间隙输出腔中最大场强往往出现在第二间隙下半部分，因此考虑在第二间隙也进行输出。提取腔510也采用三间隙的结构，在提取腔510的第二间隙采用内提取方式、在提取腔510的第三间隙采用外提取方式，实现两个通道同时提取微波。如图6所示，本实施例的提取腔510由设置于阳极外筒503内壁的提取腔外腔510a(510a所指虚线部分)，设置于内筒504外壁的提取腔内腔510b(510b所指虚线部分)，以及提取腔外腔510a与提取腔内腔510b之间的环形空间组成，提取腔外腔510a与提取腔内腔510b相对布置，且提取腔外腔510a与提取腔内腔510b均由沿轴向间隙设置的圆环形空腔组成，本实施例中，提取腔外腔510a由沿轴向间隙设置的第五圆环形空腔、第六圆环形空腔和第七圆环形空腔组成，提取腔内腔510b由沿轴向间隙设置的第八圆环形空腔、第九圆环形空腔和第十圆环形空腔组成，第五圆环形空腔与第八圆环形空腔以及第五圆环形空腔与第八圆环形空腔之间的环形间隙组成了提取腔510的第一间隙，第六圆环形空腔与第九圆环形空腔以及第六圆环形空腔与第九圆环形空腔之间的环形间隙组成了提取腔510的第二间隙，第七圆环形空腔与第十圆环形空腔以及第七圆环形空腔与第十圆环形空腔之间的环形间隙组成了提取腔510的第三间隙。第一同轴输出波导512的输入端与提取腔外腔510a中第三间隙对应的第七圆环形空腔连通，第二同轴输出波导513的输入端与提取腔内腔510b中第二间隙对应的第九圆环形空腔连通。
[0044]
如图6所示，本实施例中的第一同轴输出波导512包括依次连通的第一输出波导耦合狭缝512a、第一输出波导锥形过渡段512b、第一输出波导天线连接段512c，第一输出波导耦合狭缝512a与提取腔外腔510a中第三间隙对应的第七圆环形空腔连通。进一步的，本实施例中第一同轴输出波导512还包括圆环形的第一输出波导调节块512d，第一输出波导调节块512d为本设计渡越时间中特有结构，设置于第一输出波导天线连接段512c输入端，且套设于内筒504外部。引入该耦合块方便调节提取腔参数，通过调节该耦合块的高度可以改变提取腔q值；通过调节该耦合块的宽度可以改变提取腔的谐振频率。
[0045]
相对应的，如图6所示，本实施例中的第二同轴输出波导513包括依次连通的第二输出波导矩形过渡段513a和第二输出波导天线连接段513c，第二输出波导矩形过渡段513a与提取腔内腔510b中第二间隙对应的第九圆环形空腔连通。进一步的，本实施例中第二同轴输出波导513还包括圆环形的第二输出波导调节块513b，第二输出波导调节块513b与内筒504同轴设置，且第二输出波导调节块513b为本设计特有结构，设置于第二输出波导矩形过渡段513a的输入端。引入该耦合块方便调节提取腔参数，通过调节该耦合块的高度可以
改变提取腔q值；通过调节该耦合块的宽度可以改变提取腔的谐振频率。
[0046]
在同轴结构中为了防止内外导体偏心和错位，通常在同轴输出波导中加入支撑杆来支撑内外导体。如图5和图6所示，本实施例中，第一同轴输出波导512的输出端设有第一支撑杆514a，第二同轴输出波导513的输出端设有第二支撑杆514b，第二支撑杆514b安装于第二同轴输出波导513中与第一支撑杆514a在第一同轴输出波导512的安装位置相对应的位置。
[0047]
下面根据图5和图6对于各部件的尺寸进行说明：
[0048]
阴极502是一个薄环圆筒，壁厚1mm，半径r1等于电子束半径；
[0049]
第一漂移管505是一个外半径为r2、内半径为r3的圆环形空腔，r2》r1》r3，长度为l1；
[0050]
第一调制腔外腔506a中每个第一圆环形空腔的内外半径分别为r2和r4，每个第一圆环形空腔的长度均为l2，相邻的第一圆环形空腔之间的距离均为p1；
[0051]
第一调制腔内腔506b中每个第二圆环形空腔的内外半径分别为r5和r3，第二圆环形空腔与第一圆环形空腔位置一一对应，每个第二圆环形空腔的长度均为l2，相邻的第二圆环形空腔之间的距离均为p1；
[0052]
第二漂移管507是一个外半径为r2、内半径为r3的圆环形空腔，长度为l3；
[0053]
第二调制腔外腔508a的第三圆环形空腔内外半径分别为r2和r6，r6》r4，其横截面的等腰梯形上底长和下底长分别是l4和l5，l5》l4；
[0054]
第二调制腔内腔508b的第四圆环形空腔内外半径分别是r7和r3，r7《r5，其横截面的等腰梯形上底长和下底长分别是l4和l5；
[0055]
第三漂移管509是一个外半径为r2，内半径为r3的圆环形空腔，长度为l6；
[0056]
提取腔外腔510a中，从二极管向输出口方向看，圆环形空腔的长度沿轴向依次减小，两端的圆环形空腔高度相同且中间圆环形空腔高度小于两端圆环形空腔，具体的，第五圆环形空腔和第七圆环形空腔的内外半径分别是r2和r8，第六圆环形空腔的的内外半径分别是r2和r9，r8》r6》r9，第五、第六、第七圆环形空腔的长度依次为l7、l8和l9，l7》l8》l9，第五圆环形空腔与第六圆环形空腔的间隔为p2，第六圆环形空腔与第七圆环形空腔的间隔为p3，p2》p3；
[0057]
提取腔内腔510b中，第八圆环形空腔和第五圆环形空腔的位置对应，第九圆环形空腔和第六圆环形空腔的位置对应，第十圆环形空腔和第七圆环形空腔的位置对应，从二极管向输出口方向看，圆环形空腔的长度沿轴向依次减小，两端的圆环形空腔高度相同且中间圆环形空腔高度小于两端圆环形空腔，具体的，第八圆环形空腔和第十圆环形空腔的内外半径分别是r10和r3，第九圆环形空腔的内外半径分别是r11和r3，r10》r11，第八、第九、第十圆环形空腔的长度依次为l7、l8和l9，l7》l8》l9，第八圆环形空腔和第九圆环形空腔的间隔为p2，第九圆环形空腔和第十圆环形空腔的间隔为p3；
[0058]
梯形收集极511的外半径为r12，内半径为r13，r2》r12，r13》r3；其横截面的直角梯形上底边长l10，下底边长l11，l11》l10；
[0059]
第一输出波导耦合狭缝512a是一个外半径为r8，内半径为r14的圆环形空腔，r14》r2，长度为l12；
[0060]
第一输出波导锥形过渡段512b是一段横截面为锥形的圆环形空腔，其横截面的锥
形的上底长r8-r14，下底长r15-r14，r15》r8，高为l13；
[0061]
第一输出波导天线连接段512c是一个外半径为r15，内半径为r14的圆环形空腔，长度为l14；
[0062]
第一输出波导调节块512d是一个外半径为r16，内半径为r14的金属圆环，r8》r16，长度为l15，与提取腔外腔510a中第七圆环形空腔右侧的距离是l16；
[0063]
第二输出波导矩形过渡段513a是一个外半径为r11，内半径为r17的圆环形空腔，长度为l8；
[0064]
第二输出波导调节块513b是一个外半径为r11，内半径为r18的金属圆环，r18》r17，长度为l17，l8》l17，与提取腔内腔510b中第八圆环形空腔左侧的距离是l7+p2；
[0065]
第二输出波导天线连接段513c是一个内半径为r17，外半径为r19的圆环形空腔，r18》r19，长度为l18；
[0066]
第一支撑杆514a与第一输出波导调节块512d左端距离是l19，第二支撑杆514b位置与第一支撑杆514a上下相对应。
[0067]
本实施例中设置具体的尺寸为：r1＝30.5mm，r2＝33mm，r3＝28mm，r4＝35.2mm，r5＝26.2mm，r6＝35.7mm，r7＝25.2mm，r8＝35.8mm，r9＝35.6mm，r10＝26mm，r11＝25.6mm，r12＝32.5mm，r13＝28.5mm，r14＝34mm，r15＝39mm，r16＝34.8mm，r17＝17.6mm，r18＝22.8mm，r19＝22.6mm，l1＝20mm，l2＝5.5mm，l3＝11.5mm，l4＝1.3mm，l5＝4.3mm，l6＝3.4mm，l7＝4.6mm，l8＝4.2mm，l9＝4.0mm，l10＝16.0mm，l11＝32.0mm，l12＝4.0mm，l13＝12.0mm，l14＝26.7mm，l15＝2.2mm，l16＝12.0mm，l17＝1.8mm，l18＝48.5mm，l19＝20.7mm，p1＝2.5mm，p2＝2.0mm，p3＝1.8mm。
[0068]
在粒子模拟中，对本实施例的k波段同轴渡越时间振荡器在504ka、9.91ka的条件下进行仿真，得到的仿真结果如图7至图10所示，其中：
[0069]
图7为第一同轴输出波导512输出微波平均功率图，横坐标是时间，单位为ns；纵坐标是平均功率，单位为gw。由图7可得28ns后输出微波趋于稳定，得到平均功率是1.02gw的微波输出。
[0070]
图8为第一同轴输出波导512输出微波频率图，横坐标是频率，单位为ns；纵坐标是对应频率下的电压值，单位为volts/ghz。由图8可知第一同轴输出波导512的输出频率为18.583ghz且频谱纯净。
[0071]
图9为第二同轴输出波导513输出微波平均功率图，横坐标是时间，单位为ns；纵坐标是平均功率，单位为gw。由图9可得27ns后输出微波趋于稳定，得到平均功率是1.01gw的微波输出。
[0072]
图10为第二同轴输出波导513输出微波频率图，横坐标是频率，单位为ns；纵坐标是对应频率下的电压值，单位为volts/ghz。由图10可知第二同轴输出波导513的输出频率为18.583ghz且频谱纯净。
[0073]
由图7至图10可知，本实施例的k波段同轴渡越时间振荡器基于两级调制与分布式提取，实现了中心频率为18.583ghz(对应的微波波长λ＝16.14mm)的高功率、高效率微波输出。在粒子模拟中，在5gw注入功率下，第一同轴输出口输出功率1.02gw，第二同轴输出口输出功率1.01gw，总输出2.03gw，输出效率达40.6％，对应的输出频率为18.583ghz且频谱纯净。实现了高效率输出的同时，也实现了更高功率输出，且整个器件每部分结构比较规整，
实验易于加工，对渡越时间振荡器在高频段下实现高效率、高功率输出具有重要的借鉴意义。
[0074]
综上所述，本发明优点如下：
[0075]
(1)本发明采用三间隙矩形腔+单间隙梯形腔两级级联结构，实现了对电子束的两次有效调制，提高了基波电流调制深度，有利于器件实现更高的功率输出。
[0076]
(2)本发明采用双侧通道分布式提取方式，实现两个通道同时提取微波，有利于增大器件功率容量的同时，实现更高功率、更高效率的微波输出。
[0077]
(3)本发明输出微波功率2.03gw，微波频率18.583ghz且频谱纯净，效率40.6％，器件效率高、输出功率高，且结构均为常规形状，实验易于加工。
[0078]
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征在于，包括内筒(504)和套设于内筒(504)外部的阳极外筒(503)，所述内筒(504)和阳极外筒(503)之间形成圆环形的空腔，所述空腔包括依次连通的第一漂移管(505)、第一调制腔(506)、第二漂移管(507)、第二调制腔(508)、第三漂移管(509)、提取腔(510)和第一同轴输出波导(512)，所述内筒(504)的输出端还设有圆环形的第二同轴输出波导(513)，所述第一同轴输出波导(512)和第二同轴输出波导(513)同轴设置，所述提取腔(510)还和第二同轴输出波导(513)连通，所述k波段渡越时间振荡器关于内筒(504)的中心轴线旋转对称。2.根据权利要求1所述的基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述第一调制腔(506)由设置于阳极外筒(503)内壁的第一调制腔外腔(506a)，设置于内筒(504)外壁的第一调制腔内腔(506b)，以及第一调制腔外腔(506a)与第一调制腔内腔(506b)之间的环形空间组成，所述第一调制腔外腔(506a)与第一调制腔内腔(506b)相对布置，且所述第一调制腔外腔(506a)与第一调制腔内腔(506b)均由沿轴向间隙设置的相同圆环形空腔组成，且所述圆环形空腔的横截面为矩形。3.根据权利要求1所述的基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述第二调制腔(508)由设置于阳极外筒(503)内壁的第二调制腔外腔(508a)，设置于内筒(504)外壁的第二调制腔内腔(508b)，以及第二调制腔外腔(508a)与第二调制腔内腔(508b)之间的环形空间组成，所述第二调制腔外腔(508a)与第二调制腔内腔(508b)相对布置，且所述第二调制腔外腔(508a)与第二调制腔内腔(508b)均为横截面为梯形的圆环形空腔。4.根据权利要求1所述的基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述提取腔(510)包括沿轴线方向依次连通的第一间隙、第二间隙和第三间隙，所述第一间隙、第二间隙和第三间隙均由设置于阳极外筒(503)内壁的提取腔外腔(510a)的对应圆环形空腔，设置于内筒(504)外壁的提取腔内腔(510b)的对应圆环形空腔，以及对应的两个圆环形空腔之间的环形空间组成，所述提取腔外腔(510a)中第三间隙对应的圆环形空腔与第一同轴输出波导(512)的输入端连通，所述提取腔内腔(510b)中第二间隙对应的圆环形空腔与第二同轴输出波导(513)的输入端连通。5.根据权利要求4所述的基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述第一同轴输出波导(512)包括依次连通的第一输出波导耦合狭缝(512a)、第一输出波导锥形过渡段(512b)、第一输出波导天线连接段(512c)，所述第一输出波导耦合狭缝(512a)与提取腔外腔(510a)中第三间隙对应的圆环形空腔连通。6.根据权利要求5所述的基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述第一同轴输出波导(512)还包括圆环形的第一输出波导调节块(512d)，所述第一输出波导调节块(512d)设置于第一输出波导天线连接段(512c)输入端，且套设于内筒(504)外部。7.根据权利要求4所述的基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述第二同轴输出波导(513)包括依次连通的第二输出波导矩形过渡段(513a)和第二输出波导天线连接段(513c)，所述第二输出波导矩形过渡段(513a)与提取腔内腔(510b)中第二间隙对应的圆环形空腔连通。8.根据权利要求7所述的基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征
在于，所述第二同轴输出波导(513)还包括圆环形的第二输出波导调节块(513b)，所述第二输出波导调节块(513b)与内筒(504)同轴设置，且所述第二输出波导调节块(513b)设置于第二输出波导矩形过渡段(513a)的输入端。9.根据权利要求1所述的基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述第一同轴输出波导(512)的输出端设有第一支撑杆(514a)，所述第二同轴输出波导(513)的输出端设有第二支撑杆(514b)，所述第二支撑杆(514b)安装于第二同轴输出波导(513)中与第一支撑杆(514a)在第一同轴输出波导(512)的安装位置相对应的位置。10.根据权利要求1所述的基于两级调制与分布式提取的k波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述内筒(504)还设有梯形收集极(511)，所述梯形收集极(511)为横截面为直角梯形的圆环形空腔，所述第一漂移管(505)、第一调制腔(506)、第二漂移管(507)、第二调制腔(508)、第三漂移管(509)、提取腔(510)和梯形收集极(511)的直角腰所在端依次连通形成电子束传输路径通道。

技术总结
本发明公开了一种基于两级调制与分布式提取的K波段渡越时间振荡器，包括内筒和套设于内筒外部的阳极外筒，内筒和阳极外筒之间形成圆环形的空腔，空腔包括依次连通的第一漂移管、第一调制腔、第二漂移管、第二调制腔、第三漂移管、提取腔和第一同轴输出波导，内筒的输出端还设有圆环形的第二同轴输出波导，第一同轴输出波导和第二同轴输出波导同轴设置，提取腔还和第二同轴输出波导连通，K波段渡越时间振荡器关于内筒的中心轴线旋转对称。本发明采用两级调制结构实现基波电流调制深度的增大，从而提高输出效率，并采用双侧通道分布式提取方式实现输出功率的提高，克服高频段下实现高效率输出的同时，输出功率受限的问题。输出功率受限的问题。输出功率受限的问题。


技术研发人员：张威 于状 巨金川 葛行军 张强 党方超 周云霄
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：2023.04.06
技术公布日：2023/7/22