一种宽带相对论速调管放大器.pdf

本发明提供了一种宽带相对论速调管放大器的技术方案，该方案包括有设置在漂移管上的输入腔、输出腔、第一中间腔、第二中间腔、第一输出过渡段、第二输出过渡段、收集极、支撑杆、输出同轴线内导体和输出同轴线外导体。该方案采用多间隙输入腔、两个差参频率调谐中间腔和多间隙输出腔，能够提高相对论速调管放大器的带宽到10%。

权利要求书1.  一种宽带相对论速调管放大器，其特征是：包括有设置在漂移管上的输入腔、输出腔、第一中间腔、第二中间腔、第一输出过渡段、第二输出过渡段、收集极、支撑杆、输出同轴线内导体和输出同轴线外导体；所述输入腔设置在漂移管上靠近阴极的一端；所述输入腔内部设置有两个输入腔隔环；所述输入腔的馈入系统设置有输入同轴线外导体和输入同轴线内导体；所述第一中间腔设置在输入腔和输出腔之间靠近输入腔的漂移管上；所述第二中间腔设置在输入腔和输出腔之间靠近输出腔的漂移管上；所述输出腔设置在漂移管上远离阴极的一端；所述输出腔后方设置有第一输出过渡段；所述支撑杆后方设置有第二输出过渡段；所述第一输出过渡段通过输出同轴线外导体与负载连接；所述第二输出过渡段通过输出同轴线内导体与负载连接；所述支撑杆将收集极和输出同轴线内导体固定在输出同轴线外导体内部。2.   根据权利要求1所述的一种宽带相对论速调管放大器，其特征是：所述输入腔内设置有输入腔隔环。3.   根据权利要求1所述的一种宽带相对论速调管放大器，其特征是：所述第一中间腔的频率低于中心频率且比10%带宽的下限频率高至少100MH；所述第一中间腔能对设计带宽内的低频段信号进行调制。4.   根据权利要求1所述的一种宽带相对论速调管放大器，其特征是：所述第二中间腔的频率高于中心频率且比10%带宽的上限频率底至少100MH；所述第二中间腔能够对设计带宽内的中心段和高频段的信号进行调制。5.   根据权利要求1所述的一种宽带相对论速调管放大器，其特征是：所述输出腔内设置有输出腔隔环。

说明书一种宽带相对论速调管放大器
技术领域
本发明涉及的是微波电子学领域，具体是一种宽带相对论速调管放大器。
背景技术
相对论速调管放大器（RKA）是最具潜力的高功率微波产生器件之一，由于RKA具有高功率、高效率、输出微波相位和幅度稳定的优点，已经广泛应用于通信、雷达、导航、直线加速器等领域。在加速器领域主要应用高峰值功率、窄带工作的速调管。但在一些预警雷达系统中，由于抗干扰的需要，要求速调管具有一定的工作带宽，而普通RKA的带宽不大于5%，限制了其应用范围，因此拓展相对论速调管放大器的带宽是RKA研究中的重点之一。
RKA带宽主要由输出段的带宽和基波调制电流的带宽（群聚段的带宽）决定，展宽群聚段和输出段的带宽是实现宽带速调管放大器的关键。目前，在传统的相对论速调管放大器中，一般采用单间隙输入腔、感性中间腔（中间腔的频率高于工作频率即中间腔呈感性）和单间隙输出腔结构，因此影响相对论速调管放大器带宽的因素主要有三个：1.输入腔Q值高且特性阻抗低，使得电子束经过输入腔后的束流带宽不高。2.调制腔个数少且为了增加调制电流强度使调制腔冷腔频率一般高于工作频率（腔体呈感性）导致RKA群聚段的束流带宽窄。3.输出腔Q值较大和特性阻抗低，使得电子束在输出腔间隙激励起来的电场强度较高，引起部分电子回流和射频击穿引起RKA的输出段带宽低。
在传统RKA输入腔中，为了保证输入腔中电场的角向均匀性和信号功率匹配注入输入腔，常采用工作于模式的单间隙重入输入腔，导致输入腔Q值较高且特性阻抗较低，降低了输入腔的工作带宽。为了降低输入腔Q值和提高其特性阻抗，需要在不引起输入腔电场角向均匀性变差的情况下改进输入腔结构。
传统RKA常采用一个或两个中间腔，为了得到较高的调制电流强度，通常中间腔的谐振频率都高于工作频率而呈感性，导致束流经过中间腔调制后的带宽窄。为了增加RKA群聚段后的调制束流带宽，需要合理设置中间腔的个数和频率。
在传统RKA中，为了保证输出微波功率高、频谱单一，常采用单间隙重入鼻锥输出腔，导致输出腔特性阻抗低和Q值较高，使得电子束在输出腔间隙激励起来的电场强度较高，引起部分电子回流和射频击穿，影响了RKA输出微波的带宽。为了提高RKA输出段的带宽，需要提高输出腔特性阻抗和降低Q值。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种宽带相对论速调管放大器的技术方案，该方案采用多间隙输入腔、两个差参频率调谐中间腔和多间隙输出腔，提高相对论速调管放大器的带宽到10%。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种宽带相对论速调管放大器，包括有设置在漂移管上的输入腔、输出腔、第一中间腔、第二中间腔、第一输出过渡段、第二输出过渡段、收集极、支撑杆、输出同轴线内导体和输出同轴线外导体；输入腔设置在漂移管上靠近阴极的一端；输入腔内部设置有两个输入腔隔环；输入腔的馈入系统设置有输入同轴线外导体和输入同轴线内导体；第一中间腔设置在输入腔和输出腔之间靠近输入腔的漂移管上；第二中间腔设置在输入腔和输出腔之间靠近输出腔的漂移管上；输出腔设置在漂移管上远离阴极的一端；输出腔后设置有第一输出过渡段；支撑杆后方设置有第二输出过渡段；第一输出过渡段通过输出同轴线外导体与负载连接；第二输出过渡段通过输出同轴线内导体与负载连接；支撑杆将收集极和输出同轴线内导体固定在输出同轴线外导体内部。
作为本方案的优选：输出腔内设置有输出腔隔环。
作为本方案的优选：第一中间腔的频率低于中心频率且比10%带宽的下限频率高至少100MH；第一中间腔能对设计带宽内的低频段信号进行调制。
作为本方案的优选：第二中间腔的频率高于中心频率且比10%带宽的上限频率底至少100MH；第二中间腔能够对设计带宽内的中心段和高频段的信号进行调制。
作为本方案的优选：输入腔内设置有输入腔隔环。
作为本方案的优选：第一中间腔和第二中间腔上设置有鼻锥。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中输入腔的馈入系统采用输入同轴线内、外导体可以有效降低输入腔的Ｑ值、改善输入腔中电场的角向均匀性并且输入腔设置有两个输入腔隔环，增加了输入腔的间隙数目，提高了输入腔的特性阻抗且可以通过模式重叠使输入腔频率特性变得更平坦。同轴线馈入系统、低Ｑ值高特性阻抗三间隙重叠模腔能展宽相对论速调管放大器输入腔的带宽。
第一中间腔的频率低于中心频率且比10%带宽的下限频率高至少100MH；第一中间腔能对设计带宽内的低频段信号进行调制。第二中间腔的频率高于中心频率且比10%带宽的上限频率底至少100MH；第二中间腔能够对设计带宽内的中心段和高频段的信号进行调制。两个差参频率调谐中间腔可以拓展相对论速调管放大器群聚段的束流带宽。
输出腔内设置有输出腔隔环，使输出腔成为双间隙结构，相比于单间隙输出腔具有更高的特性阻抗、更低的间隙电压，可以减轻电子回流和射频击穿，有利于改善RKA的输出段带宽。另外采用模和模频率部分重叠使得双间隙输出腔的Q值很低，可以使RKA输出段在频带内获得平坦的频率特性、高特性阻抗、重叠模双间隙输出腔拓展了RKA输出段的带宽。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1为漂移管，2为高频信号，3为输入腔，5为第一中间腔，7为第二中间腔，9为输出腔，10为收集极，11为支撑杆，12为输出同轴线外导体，13为输出同轴线内导体，14为负载，15为阴极，16为输入同轴线外导体，17为输入同轴线内导体，18为输入腔隔环，20为电子束，21为鼻锥，23为输出腔隔环，24为第一输出过渡段，25为输出腔鼻锥，26为第二输出过渡段。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
通过附图可以看出，本方案的工作原理为：微波种子源输出的高频信号馈入三间隙输入腔中并在腔间隙上建立起高频电场。阴极发射的直流电子束在轴向磁场的约束下穿过输入腔间隙时，在输入腔间隙高频电场作用下电子的速度受到调制，速度受到调制的电子束进而在输入腔后的漂移管中得到群聚。当群聚电子束穿过第一中间腔和第二中间腔的间隙时将会在第一中间腔和第二中间腔的间隙上产生高频感应电流激励起第一中间腔和第二中间腔谐振，在第一中间腔和第二中间腔间隙上建立高频电场，该高频电场反过来对已经群聚的电子束再进行速度调制，随后电子束在第二中间腔后的漂移管中得到高度群聚。已经高度群聚的电子束在轴向磁场的约束下穿过双间隙输出腔间隙时，在输出腔中激励起高频场，高频场的能量从支撑杆之间传输到输出同轴线内、外导体和后端的负载，从而把电子束的部分能量转变成微波能量。电子束在穿过输出腔间隙后轰击到收集极上，把剩余能量转化为热能。
本发明的实施例为：
选择一个S波段宽带RKA，其中，漂移管半径为2.6cm，输入同轴线内、外导体半径分别为3.4cm、3.6cm，输入腔半径为4.9cm，间隙为0.8cm，输入腔隔环内径和厚度分别为2.6cm和0.4cm；输入腔后漂移管长为26cm；第一中间腔的半径为4.1cm，腔长为2.85cm，鼻锥内外半径分别为2.6cm和3.0cm，长度为1.05cm；第一中间腔后的漂移管长为20cm；第二中间腔的半径为4.8cm，腔长为6.6cm，鼻锥内外半径分别为2.6cm和3.0cm，长度为4.9cm；第二中间腔后漂移管长为17cm；输出腔半径为4.9cm，间隙为0.9cm，输出腔隔环内径和厚度分别为2.7cm和0.3cm，输出腔鼻锥内外半径分别为2.6cm和3.0cm，长度为5cm，第一输出过渡段内半径和长度分别为3.4cm和5cm，支撑厚度为0.4cm，第二输出过渡段半径和长度分别为1.8cm和7.8cm，输出同轴线内、外导体半径分别为1.8cm、4.9cm。束压800kV，束流7kA，通过注入几十kW的高频信号并改变注入高频信号频率得到束流经输入腔和两个中间腔调制后的基波电流深度（基波电流幅值与直流束之比）大于0.8时的群聚段带宽为11%。用基波电流深度为0.8的调制束激励输出腔，得到输出腔的带宽为15%。整管RKA运行时，其输出微波3dB带宽为10%，带宽内输出微波功率大于1GW。同样条件下，传统的RKA输出微波3dB带宽约为5%。可见采用多间隙输入腔、多间隙输出腔以及参差频率调谐中间腔可以提高RKA的带宽。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。