一種X、Ku波段可調(diào)高功率微波源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波源器件技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種X、Ku波段可調(diào)高功率微波源。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率微波通常是指微波脈沖峰值功率大于100MW，頻率在IGHz到300GHz之間的電磁波。從20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)的第一臺(tái)高功率微波源以來，由于民用和軍事領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用需求，高功率微波源技術(shù)得到了迅速發(fā)展。
[0003]頻率可調(diào)諧是高功率微波源的重要發(fā)展方向之一，在工業(yè)和國防領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。高功率微波源的頻率調(diào)諧方式主要包括電調(diào)諧、機(jī)械調(diào)諧兩種方式。電調(diào)諧指通過改變外加電壓、導(dǎo)引磁場的大小實(shí)現(xiàn)工作頻率調(diào)諧，機(jī)械調(diào)諧指通過改變器件電動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作頻率調(diào)諧。電調(diào)諧方式在磁控管、回旋管等器件中應(yīng)用較多，而機(jī)械調(diào)諧方式在RBWO(Relativistic Backward-Wave Oscillator，RBW0)中應(yīng)用較多。RBWO是一種基于切倫科夫輻射機(jī)制且已發(fā)展較為成熟的高功率微波源，其利用強(qiáng)流相對(duì)論電子束與慢波結(jié)構(gòu)中的返向空間諧波相互作用，產(chǎn)生自激振蕩，形成相干微波輻射，該高功率微波源具有高功率、高效率以及適合重頻運(yùn)行等特點(diǎn)，因而受到了廣泛重視。
[0004]Ku波段(12-18GHZ)微波由于具有波長短、頻譜范圍寬、波束較窄、器件尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、衛(wèi)星廣播，以及國際空間站和航天飛機(jī)通信用的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中。另外，Ku波段相比S、C波段，頻率更高，對(duì)Pf2因子的提高具有更大的潛力。因此，對(duì)Ku波段微波的研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。
[0005]頻率調(diào)諧RBWO研究方面，主要有以下研究機(jī)構(gòu)開展了機(jī)械調(diào)頻方面的相關(guān)工作。
[0006]1997年，美國新墨西哥州大學(xué)的Edl Schamiloglu等人研制了一種X波段機(jī)械調(diào)頻RBW0【E.Schamiloglu,C.T.AbdalIah,G.T.Park,and V.S.Souvalian.1mplementat1n ofa Frequency-agile,High Power Backward Wave 0sillator[C].Proc.IEEE,1997:742.】。(下文簡稱為現(xiàn)有技術(shù)I)。為了敘述的方便，將沿軸線方向上靠近陰極座的一側(cè)稱為左端，遠(yuǎn)離陰極座的一側(cè)稱為右端。該結(jié)構(gòu)由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、漂移段、慢波結(jié)構(gòu)、反射段、微波輸出口、螺線管磁場組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。陰極座左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極是一個(gè)薄壁圓筒，圓筒壁的厚度僅為0.1_，外半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座右端。截止頸呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2，RAR1。截止頸與慢波結(jié)構(gòu)之間是漂移段，是一個(gè)內(nèi)半徑為R4,長度為L2的圓柱形結(jié)構(gòu)。慢波結(jié)構(gòu)由九個(gè)慢波葉片組成，每個(gè)慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，左側(cè)八個(gè)慢波葉片完全相同，左側(cè)慢波葉片的最大外半徑R4、最小內(nèi)半徑R5與右側(cè)慢波葉片的最小內(nèi)半徑Rl3滿足R4>Rl3>R5。九個(gè)慢波葉片的長度相同，均為Li，約為工作波長λ的二分之一。反射段介于慢波結(jié)構(gòu)與微波輸出口之間，是一個(gè)半徑為R4、長度為L5的圓柱形結(jié)構(gòu)。微波輸出口呈圓臺(tái)形，圓臺(tái)左端面半徑為R4，右端面半徑為R6。在該RBWO運(yùn)行中，陰極產(chǎn)生的相對(duì)論電子束與慢波結(jié)構(gòu)決定的TMqi模式的電磁波進(jìn)行束波相互作用，產(chǎn)生的高功率微波從微波輸出口輸出。實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)截止頸到慢波結(jié)構(gòu)的距離1^2、慢波結(jié)構(gòu)到反射段的距離U，得到了半功率點(diǎn)處頻率調(diào)諧帶寬約5 %、中心頻率9.5GHz的結(jié)果。該方案通過同時(shí)調(diào)節(jié)漂移段的長度L2、反射段的長度L5實(shí)現(xiàn)對(duì)工作頻率調(diào)節(jié)，慢波結(jié)構(gòu)等部件需要配合沿軸向前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜；只在X波段一個(gè)波段(對(duì)應(yīng)一個(gè)工作模式)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧帶寬約5%的頻率調(diào)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)跨波段調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍較窄。
[0007]2011年，西北核技術(shù)研究所的宋瑋等人研究了RBWO的雙機(jī)械調(diào)諧法【W(wǎng)ei Song,Xiaowei Zhang,Changhua Chen,et al.Enhancing Frequency Tuning Ability of anImproved Relativistic Backward Wave Oscillator[J].Proc.0f the Asia-PacificMicrowave Conference 2011:283.】。(下文簡稱為現(xiàn)有技術(shù)2)。該結(jié)構(gòu)由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、前置反射腔、漂移段、慢波結(jié)構(gòu)、微波輸出口、螺線管磁場、提取腔組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。陰極座左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極是一個(gè)薄壁圓筒，壁厚僅為0.1mm，外半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座右端。截止頸呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2，RAR1。前置反射腔呈圓盤狀，內(nèi)半徑等于截止頸內(nèi)半徑R2，外半徑R7滿足R7>R2。漂移段是一個(gè)半徑為R2、長度為1^的圓柱形結(jié)構(gòu)。慢波結(jié)構(gòu)由六個(gè)相同的慢波葉片組成，每個(gè)慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，最大外半徑R4、最小內(nèi)半徑R5，長度為L1，約為工作波長λ的二分之一。提取腔介于慢波結(jié)構(gòu)與微波輸出口之間，是一個(gè)外半徑為R8、長度為L4的圓盤形結(jié)構(gòu)。提取腔右端與陽極外筒之間的圓環(huán)空間為微波輸出口。在該RBWO運(yùn)行中，陰極產(chǎn)生的相對(duì)論電子束與慢波結(jié)構(gòu)決定的TMo1模式的電磁波進(jìn)行束波相互作用，產(chǎn)生的高功率微波從微波輸出口輸出。數(shù)值仿真中，通過改變前置反射腔至慢波結(jié)構(gòu)的距離L2、提取腔的寬度L4，得到了調(diào)諧帶寬約8 %、中心頻率9.6GHz、功率效率約33%的結(jié)果。該方案通過同時(shí)調(diào)節(jié)漂移段的長度L2、提取腔的寬度L4實(shí)現(xiàn)對(duì)工作頻率調(diào)節(jié)，慢波結(jié)構(gòu)等部件需要配合沿軸向前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜；只在X波段一個(gè)波段(對(duì)應(yīng)一個(gè)工作模式)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧帶寬約8%的頻率調(diào)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)跨波段調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍較窄。
[0008]2011年，國防科技大學(xué)葛行軍等人發(fā)明了“緊湊型低頻段頻率可調(diào)相對(duì)論返波振蕩器” (CN102208315A，2011_10_5)。(下文簡稱為現(xiàn)有技術(shù)3)。該結(jié)構(gòu)由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結(jié)構(gòu)、內(nèi)導(dǎo)體、收集極、微波輸出口、螺線管磁場、支撐桿、模式轉(zhuǎn)換器、輻射口和密封板組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。陰極座左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極是一個(gè)薄壁圓筒，壁厚僅為0.1_，外半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座右端。截止頸呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R^RAR1。慢波結(jié)構(gòu)由五個(gè)慢波葉片組成，每個(gè)慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，梯形結(jié)構(gòu)的最大外半徑R4與最小內(nèi)半徑R5滿足R4>R5>R2，梯形結(jié)構(gòu)的長度Li約為工作波長λ的二分之一。內(nèi)導(dǎo)體是一個(gè)半徑為R3的圓柱體，通過右端的外螺紋與收集極相連。收集極為圓筒狀，在左端面挖有環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽的內(nèi)半徑Rn和外半徑R1根據(jù)陰極的內(nèi)半徑Ri來選取，滿足R1>Ri>Rn，環(huán)形凹槽的長度L8約為工作波長λ的三分之一。收集極右端是外半徑為R9的圓筒，且?guī)?nèi)螺紋，與模式轉(zhuǎn)換器的左端面相連。模式轉(zhuǎn)換器左端為圓筒狀，左端開口且?guī)饴菁y，右端為錐形結(jié)構(gòu)。支撐桿共有兩排，第一排支撐桿放在距離收集極左端面為L1Q的位置，L1Q>L8。第二排支撐桿與第一排支撐桿之間的距離Ln約為工作波長λ的四分之一。輻射口的右端為圓筒狀，圓筒內(nèi)半徑為R12，R12>R6。密封板是一個(gè)圓盤，利用抽真空時(shí)輻射口內(nèi)外的壓力差通過密封槽壓在輻射口上。密封板起保持RBWO內(nèi)部真空環(huán)境的效果。該RBWO運(yùn)行中，陰極產(chǎn)生的電子束與由慢波結(jié)構(gòu)和內(nèi)導(dǎo)體決定的準(zhǔn)TEM模式的電磁波進(jìn)行束波作用，產(chǎn)生的微波從微波輸出口輸出。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體半徑R3在0.5-1.75cm范圍內(nèi)改變時(shí)，輸出微波功率1.15GW，頻率在1.65-1.55GHz范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)諧帶寬約6%。該方案通過內(nèi)導(dǎo)體半徑R3實(shí)現(xiàn)對(duì)工作頻率調(diào)節(jié)，需要改變內(nèi)導(dǎo)體徑向尺寸，在線機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)難度較大，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜；只在L波段一個(gè)波段(對(duì)應(yīng)一個(gè)工作模式)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧帶寬約6%的頻率調(diào)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)跨波段調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍較窄，工作頻段較低。
[0009 ]分析上述研究現(xiàn)狀不難看出，頻率調(diào)諧RBWO取得了較大進(jìn)展，但存在以下不足:
[0010]I)調(diào)諧方式復(fù)雜，通常需要對(duì)兩種以上結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合調(diào)節(jié)；
[0011]2)調(diào)諧帶寬較窄，調(diào)諧帶寬通常小于10% ；
[0012]3)工