扩展互作用速调管的制作方法

1.本实用新型属于真空电子器件中的高功率微波技术领域，尤其涉及一种扩展互作用速调管。


背景技术：

2.速调管作为功率放大器具有高功率、高效率、高稳定性和长寿命的优点，在高功率毫米波雷达、远程高速无线通讯、毫米波电子对抗、国家安全、受控核聚变以及工业应用方面具有重要的应用。
3.近年来，随着大型科学实验装置和微波电子系统的发展，对于毫米波器件的性能提出了更高的要求。扩展互作用速调管(eik)结合了耦合腔行波管和传统速调管的优点，有望在高频段实现高输出功率和高效率。扩展互作用技术使用多间隙谐振部作为互作用电路，具有高特性阻抗和高单位长度增益特点。同时较短的互作用长度既适于永磁聚焦，又可有效减少漂移管对电子注的拦截风险。然而为了获得高效的注-波互作用，电子注通道的直径需远小于工作波长，因此传统的单注eik在高频段功率水平会急剧下降。
4.由于带状注技术和多注技术可以在保持合理的电流密度和工作电压的前提下极大提升输出功率，因此已被用于梯形结构的扩展互作用器件。常见的eik选用工作在基模的梯形谐振部作为互作用结构，然而随着频率的提升，腔体的尺寸会迅速减小，此时强电场集中在小尺寸腔体中，会增加电压击穿的风险。同时，由于阴极发射电流密度的限制，传统eik梯形腔很难满足高功率电子光学系统对腔体横截面尺寸的要求。


技术实现要素：

5.针对于现有技术问题，本实用新型提供一种扩展互作用速调管，用于至少部分解决以上技术问题。
6.本实用新型实施例提供一种扩展互作用速调管，包括：本体，所述本体具有圆柱形外部轮廓，在所述本体内形成：在所述本体的轴向方向上同轴布置的第一谐振腔、第二谐振腔、以及位于所述第一谐振腔和第二谐振腔之间的至少一个中间谐振腔，所述第一谐振腔、第二谐振腔、以及中间谐振腔中的每一个包括：多个谐振部，在所述本体内沿周向方向间隔分布；以及多个光栅部，布置成与多个所述谐振部在所述本体内沿周向方向交替设置，每个所述光栅部与相邻的两个谐振部连通，其中，第一谐振腔的至少一个光栅部与输入波导连通，第二谐振腔的至少一个光栅部与输出波导连通，以及多个电子注通道，每个电子注通道贯穿所述本体在所述轴向方向上延伸，并与所述第一谐振腔、第二谐振腔、以及中间谐振腔中的在轴向方向上对齐的光栅部连通。
7.根据本公开的实施例，其中，每个所述光栅部包括多个在所述轴向方向上隔开并在径向方向上延伸的扇形谐振间隙。
8.根据本公开的实施例，所述输入波导包括：环形输入腔，从所述本体的轴向方向的第一端向所述本体内延伸，并与所述第一谐振腔的光栅部的其中一个扇形谐振间隙连通；
所述输出波导包括：环形输出腔，从所述本体的轴向方向的第二端向所述本体内延伸，并与所述第二谐振腔的光栅部的其中一个扇形谐振间隙连通。
9.根据本公开的实施例，所述本体还形成有：输入波导变换部，所述输入波导变换部形成为从所述环形输入腔的轴向方向的内侧朝向所述第一谐振腔的扇形谐振间隙的径向方向的内侧一体延伸的腔室，所述输入波导变换部与所述第一谐振腔的一个扇形谐振间隙连通；以及输出波导变换部，所述输出波导变换部形成为从所述环形输出腔的轴向方向的内侧朝向所述第二谐振腔的扇形谐振间隙的径向方向的内侧一体延伸的腔室，所述输出波导变换部与所述第二谐振腔的一个扇形谐振间隙连通。
10.根据本公开的实施例，所述输入波导变换部与所述扇形谐振间隙通过扇形输入耦合孔连通；所述输出波导变换部与所述扇形谐振间隙通过扇形输出耦合孔连通。
11.根据本公开的实施例，所述光栅部中相邻两个扇形谐振间隙之间的中心间距作为所述光栅部的一个周期长度；所述光栅部中每个所述扇形谐振间隙的宽度相同，且每个所述扇形谐振间隙的宽度为所述扇形谐振间隙的周期长度的1/3
–
1/2倍。
12.根据本公开的实施例，所述谐振部的宽度为所述扇形谐振间隙的周期长度的n倍，其中，n表征为和所述谐振部连通的一个所述光栅部中的所述扇形谐振间隙的数量。
13.根据本公开的实施例，电子注通道的内径为所述速调管工作波长的 1/6-1/4倍。
14.根据本公开的实施例，所述第一谐振腔、第二谐振腔、以及中间谐振腔中的每一个，包括：5个多个谐振部和5个光栅部；其中，所述第一谐振腔的每个所述光栅部包括3-5个扇形谐振间隙；其中，所述中间谐振腔的每个所述光栅部包括3-5个扇形谐振间隙；其中，所述第二谐振腔的每个所述光栅部包括5-7个扇形谐振间隙。根据本公开的实施例，所述第一谐振腔、第二谐振腔和中间谐振腔中的每一个的谐振部的弧度为28-32
°
；所述第一谐振腔、第二谐振腔和中间谐振腔中的每一个的所述光栅部的每个所述扇形谐振间隙的弧度为44-40
°
；所述扇形谐振间隙和所述谐振部中的每一个的几何中心位于同一同心圆上。
15.根据本实用新型的上述实施例提供一种扩展互作用速调管，上述速调管采用轴向间隔布置的光栅部和谐振部进行配合不受尺寸共度效应的约束，在较高的工作频段仍具有较大的互作用截面，并且具有良好的高次模式选择性，并可以进一步增强漂移管附近的工作模式电场，可在毫米波频段较为稳定高效的实现高功率输出。
附图说明
16.图1示出了本公开的一种示例性实施例的速调管的结构示意图；
17.图2示意性示出了图1所示速调管沿轴向的剖视图；
18.图2a是图2所示的a-a向部分的沿径向的剖视图；
19.图2b是图2a所示的输入波导变换部和扇形光栅间隙连接部分的立体示意图；
20.图2c是图2所示的b-b向部分的沿径向的剖视图；
21.图2d是图2所示的c-c向部分的沿径向的剖视图；
22.图2e是图2所示的d部分的放大示意图；
23.图3示出了本公开的一种示例性实施例的速调管的放大信号的峰值输出功率图；
24.图4示出了本公开的一种示例性实施例的速调管的输出信号频谱图；以及
25.图5示出了本公开的一种示例性实施例的速调管的电场分布示意图。
具体实施方式
26.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。
27.在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/ 或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
28.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、 b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
29.图1示出了本公开的一种示例性实施例的速调管的结构示意图；图2
30.图2示意性示出了图1所示速调管沿轴向的剖视图。
31.根据本公开的一种总体上的实用新型构思，如图1和图2所示，提供一种扩展互作用速调管，包括：本体1，上述本体1具有圆柱形外部轮廓，在所述本体(1)内形成；在本体1的轴向方向上同轴布置的第一谐振腔、第二谐振腔、以及位于上述第一谐振腔和第二谐振腔之间的至少一个中间谐振腔；以及多个电子注通道2。
32.进一步地，上述第一谐振腔、第二谐振腔、以及中间谐振腔中的每一个包括：在上述本体1内沿周向方向间隔分布的多个谐振部6；以及布置成与多个上述谐振部6在上述本体1内沿周向方向交替设置的多个光栅部 4。每个上述光栅部4与相邻的两个谐振部6连通，其中，第一谐振腔的至少一个光栅部4与输入波导连通，第二谐振腔的至少一个光栅部4与输出波导连通。多个电子注通道2中的每个电子注通道2贯穿上述本体1在上述轴向方向上延伸，并与上述第一谐振腔、第二谐振腔、以及中间谐振腔中的在轴向方向上对齐的光栅部4连通。
33.在一种示例性实施例中，上述谐振部6和光栅部4均制成大致的扇形结构。
34.在一种示例性实施例中，每个上述光栅部4包括多个在上述轴向方向上隔开并在径向方向上延伸的大致扇形的谐振间隙41。
35.图2a是图2所示的a-a向部分的沿径向的剖视图；图2b是图2a所示的输入波导变换部和扇形光栅间隙连接部分的结构示意图；图2c是图2 所示的b-b向部分的沿径向的剖视图；图2d是图2所示的c-c向部分的沿径向的剖视图；图2e是图2所示的d部分的放大示意图。
36.在一种示例性实施例中，如图2a所示，输入波导包括环绕所述本体1 的轴线形成的环形输入腔30，所述环形输入腔30从上述本体1的轴向方向的第一端向上述本体1内延伸，并与上述第一谐振腔的光栅部4的其中一个扇形谐振间隙41连通，以输入初始波导信号。
37.在一种示例性实施例中，输入波导和第一谐振腔的多个光栅部4中的至少一个光栅部中位于中部或与中部相邻的扇形谐振间隙41连通。
38.在一种示例性实施例中，如图2d所示，输出波导包括：环绕所述本体1的轴线形成的环形输出腔50，环形输出腔50从上述本体1的轴向方向的第二端向上述本体1内延伸，并与上述第二谐振腔的光栅部4的其中一个扇形谐振间隙41连通，以输出高频波导，例如太赫兹波。
39.在一种示例性实施例中，输出波导和第二谐振腔的多个光栅部4中的至少一个光栅部中位于中部或与中部相邻的扇形谐振间隙41连通。
40.在一种可替换的实施例中，输入波导在径向方向上与上述第一谐振腔的一个光栅部4的一个扇形谐振间隙41连通，以输入初始波导信号；输出波导在径向方向上与上述第二谐振腔的一个光栅部4的一个扇形谐振间隙41连通，以输出高频波导，例如太赫兹波。也就是说，输入波导和输出波导都独立于本体1设置。
41.在一种示例性实施例中，如图2a和图2b所示，上述本体还形成有输入波导变换部32，上述输入波导变换部32形成为从上述环形输入腔30 的轴向方向的内侧朝向上述第一谐振腔的扇形谐振间隙41的径向方向的内侧一体延伸的腔室，上述输入波导变换部32与上述第一谐振腔的一个扇形谐振间隙41连通。
42.如图2d所示，上述本体还形成有输出波导变换部52，上述输出波导变换部52形成为从上述环形输出腔50的轴向方向的内侧朝向上述第二谐振腔的扇形谐振间隙41的径向方向的内侧一体延伸的腔室，上述输出波导变换部52与上述第二谐振腔的一个扇形谐振间隙41连通。可以理解，输入波导变换部32和输出波导变换部52与扇形谐振间隙41的连接结构大致相同。
43.在一种示例性实施例中，上述输入波导变换部32与上述扇形谐振间隙41通过扇形输入耦合孔31连通；类似地，上述输出波导变换部52与上述扇形谐振间隙41通过扇形输出耦合孔51连通。
44.在一种示例性实施例中，如图2e所示，将光栅部4中相邻两个扇形谐振间隙41之间的中心间距a作为上述光栅部4的一个周期长度。
45.例如，光栅部4中每个上述扇形谐振间隙41的宽度b相同，且每个上述扇形谐振间隙41的宽度b为上述扇形谐振间隙41的周期长度的1/3
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1/2倍。谐振部6的宽度c为上述扇形谐振间隙41的周期长度的n倍，其中，n表征为和上述谐振部6连通的一个上述光栅部4中的上述扇形谐振间隙41的数量。
46.在一种示例性实施例中，电子注通道2的内径为上述速调管工作波长的1/6-1/4倍。
47.在一种示例性实施例中，如图2a-图2e所示，上述第一谐振腔、第二谐振腔、以及中间谐振腔中的每一个包括：5个多个谐振部6和5个光栅部4；上述第一谐振腔的每个上述光栅部4包括3-5个扇形谐振间隙41；上述中间谐振腔的每个上述光栅部4包括3-5个扇形谐振间隙41；上述第二谐振腔的每个上述光栅部4包括5-7个扇形谐振间隙41。本领域的技术人员理解，可以根据要求分别设定中间谐振腔的数量、以及每个间隙腔中谐振间隙的数量。
48.在一种示例性实施例中，图2c是图2中b-b向的截面剖视图，在一种示例性实施例中：上述第一谐振腔、第二谐振腔和中间谐振腔中的每一个的谐振部6的弧度β为28-32
°
；上
述第一谐振腔、第二谐振腔和中间谐振腔中的每一个的上述光栅部4的每个上述扇形谐振间隙的弧度为α为44-40
°
；上述扇形谐振间隙41和上述谐振部6中的每一个的几何中心位于同一同心圆上。
49.在一种示例性实施例中，如图2所示，包括：本体1，在上述本体1 的轴向方向上同轴布置的第一谐振腔、第二谐振腔和两个中间谐振腔，以及多个电子注通道2，每个电子注通道2贯穿上述本体1在上述轴向方向上延伸，并与上述第一谐振腔、第二谐振腔、以及两个中间谐振腔中的在轴向方向上对齐的光栅部4连通。上述4个谐振腔均工作在tm51-2π模式。
50.详细的，第一谐振腔包括5个谐振部6、5个光栅部4以及环形输入腔30。上述谐振部6的参数如下：内径为2.8毫米，外径为5.6毫米，弧度β为30
°
，宽度c为2.58毫米。每个光栅部4内包括3个扇形谐振间隙41。
51.在一种示例性实施例中，上述扇形谐振间隙41的参数如下：内径为 3.3毫米，外径为5.1毫米，弧度α为42
°
，宽度b为0.38毫米，周期长度a为0.86毫米。上述环形输入腔30的参数如下：内环内径为1毫米，外环内径为1.35毫米，轴向长度为5毫米，通过输入波导变换部32和位于中部的扇形谐振间隙41连通，上述连通位置形成扇形输入耦合孔31。输入波导变换部32的内环内径为1毫米，外环内径为2.5毫米，宽度为 0.38毫米；其中，扇形输入耦合孔31的内径为2.5毫米，外径为3.3毫米，弧度为28
°
，宽度为0.38毫米。
52.上述谐振部、光栅部以及环形输入腔中所涉及的有关宽度的描述中，宽度均表征为相对于本体1轴向的长度。
53.详细的，第二谐振腔包括5个谐振部6、5个光栅部4以及环形输出腔50。上述谐振部6的参数如下：内径为2.85毫米，外径为5.5毫米，弧度β为30
°
，宽度c为4.2毫米。每个光栅部4内包括5个扇形谐振间隙 41。上述扇形谐振间隙41的参数如下：内径为3.3毫米，外径为5.1毫米，弧度α为42
°
，宽度b为0.38毫米，周期长度a为0.86毫米。
54.在一种示例性实施例中，上述环形输出腔50的参数如下：内环内径为1.1毫米，外环内径为1.4毫米，轴向长度为6毫米，通过输出波导变换部52和位于中部相邻的扇形谐振间隙41连通，上述连通位置形成扇形输出耦合孔52；其中，输出波导变换部52的内环内径为1.1毫米，外环内径为2.6毫米，宽度为0.38毫米；其中，扇形输出耦合孔51的内径为 2.6毫米，外径为3.3毫米，弧度为28
°
，宽度为0.38毫米。
55.上述谐振部、光栅部以及环形输入腔中所涉及的有关宽度的描述中，宽度均表征为相对于本体1轴向的长度。详细的，中间腔包括3个谐振部 6和3个光栅部4。上述谐振部6的参数如下：内径为2.8毫米，外径为 5.6毫米，弧度β为30
°
，宽度c为2.58毫米。每个光栅部4内包括3个扇形谐振间隙41。上述扇形谐振间隙41的参数如下：内径为3.3毫米，外径为5.1毫米，弧度α为42
°
，宽度b为0.38毫米，周期长度a为0.86 毫米。
56.详细的，电子注通道2的数量和同一谐振腔内的光栅部4数量相同为 5个。每个电子注通道2的内径为0.6毫米；第一谐振腔和相邻中间谐振腔之间的电子注通道2的长度为2.2毫米；两个中间谐振腔之间的电子注通道2的长度为2.2毫米；第二谐振腔和相邻中间谐振腔之间的电子注通道2为2.1毫米。
57.每个所述电子注通道2位于所述第一谐振腔7的端部(图2中的左端) 设置有电子发生装置，所述电子发生装置包括：用于产生电子的阴极、控制极以及阳极，所述控制极和阳极共同作用将所述阴极产生的电子汇聚成适用于注入所述电子注通道的电子注；每个所
述电子注通道2位于所述第二谐振腔的端部(图2中的右端)设置有收集极，所述收集极用于接收来自于所述电子注通道的所述电子注。
58.根据本公开的实施例所公布的参数，当电子注的电压为25kv，电子注的电流为7a(5
×
1.4a)，用于聚焦电子注的磁感应强度为0.85t，输入信号为100mw时，得到放大器的峰值输出功率为30.1kw。
59.图3示出了本公开的一种示例性实施例的速调管的放大信号的峰值输出功率图。如图3所示，对应的电子效率和增益分别为17.2％和54.8db。
60.图4示出了本公开的一种示例性实施例的速调管的输出信号频谱图。如图4所示，将输出信号进行傅里叶变换得到信号频谱图，频谱纯净无杂波，频率为94.4ghz。
61.图5示出了本公开的一种示例性实施例的速调管的电场分布示意图。如图5所示，为扩展互作用速调管工作时轴向电场分布，各个腔体均稳定工作在tm51-2π模，且从输入腔c1至输出腔c4电场强度逐渐增强。由此可见，该同轴高次模式扩展互作用速调管的互作用结构可稳定高效的与角向均匀分布的五个电子注进行注-波互作用。
62.根据本公开的实施例，外部的电子发生装置中的阴极产生的电子经控制极和阳极汇聚成直流电子束，直流电子束通过电子注通道进入第一谐振腔，同时种子信号通过环形输入腔进入第一谐振腔，在第一谐振腔内对直流电子束进行初步调制，形成一定的速度群聚。然后直流电子束经过中间谐振腔连续地调制，并且在相邻谐振腔之间的漂移段逐渐地将速度调制转化成为密度调制，形成群聚束团。最终群聚束团与第二谐振腔内的间隙电场发生更为强烈的束-波互作用，将能量转交给电磁波，并最终通过环形输出腔将产生的输出信号辐射出去。
63.本实用新型中提供一种扩展互作用速调管，在上述速调管中，谐振部和光栅部具有不同的横向尺寸。根据同轴高次tm模式电场分布特点，相邻电场极值之间可等效为理想电壁，且工作模式电场极值分别处于各个谐振部和光栅部(扇形形状的空腔)里，这种角向非均匀的结构具有良好的模式选择性。另外，本实用新型使用tm51-2π模作为互作用模式，在同频率工作下，横向tm51模式工作对比tm01模工作具有更大的横向腔体尺寸。同时根据注-波同步条件，轴向2π模式使得腔体具有最大的轴向尺寸，因此可提升腔体的功率容量与散热性能，更适合毫米波高功率应用场景。更近一步的，对比现有的角向均匀耦合结构，设计使得互作用电场更集中于电子注通道附近，从而提升注-波互作用位置处的特性阻抗。
64.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。