高次模同轴输出腔.pdf

本发明提供一种高次模同轴输出腔，其具有广谱杂模抑制功能，由高次模同轴谐振腔、杂模抑制装置及输出波导组成。所述杂模抑制装置包括：衰减腔，其中置有微波吸收材料；径向波导，使所述高次模同轴谐振腔中的包括工作模式在内的所有模式向外传输，并且使除所述工作模式之外的其余模式即非工作模式传输进入所述衰减腔；以及扼流波导，其在与所述径向波导的连接处对所述工作模式形成等效短路，从而将所述工作模式限制在所述高次模同轴谐振腔内，使所述工作模式不能传输进入所述衰减腔。据此，能够在降低杂谱电平的同时，对工作模式不造成影响，使速调管在工作模式稳定运行。

1.  一种可单模工作的高次模同轴输出腔，用于多注速调管，所述高次模同轴输出腔的特征在于，
所述高次模同轴输出腔包括高次模同轴谐振腔、杂模抑制装置以及输出波导，
所述杂模抑制装置包括：
衰减腔，其中置有微波吸收材料；
径向波导，使所述高次模同轴谐振腔中的包括工作模式在内的所有模式向外传输，并且使除所述工作模式之外的其余模式即非工作模式传输进入所述衰减腔；以及
扼流波导，其在与所述径向波导的连接处对所述工作模式形成等效短路，从而将所述工作模式限制在所述高次模同轴谐振腔内，使所述工作模式不能传输进入所述衰减腔。

2.  根据权利要求1所述的高次模同轴输出腔，其特征在于，
所述高次模同轴谐振腔包括谐振腔体、谐振腔盖以及漂移管，
所述杂模抑制装置通过形成于所述谐振腔体的内壁的耦合槽与所述谐振腔体连接，
所述输出波导通过形成于所述谐振腔体的外壁的耦合孔与所述谐振腔体连接。

3.  根据权利要求2所述的高次模同轴输出腔，其特征在于，
所述径向波导的一端与所述谐振腔体的内壁连接，另一端与所述衰减 腔连接，
所述扼流波导与所述径向波导垂直连接，处于所述衰减腔与所述谐振腔体之间的特定位置。

4.  根据权利要求3所述的高次模同轴输出腔，其特征在于，
所述扼流波导的窄边中心线与所述谐振腔体的内径之间的距离为λ_g1/4的奇数倍，所述扼流波导的末端面与所述径向波导的窄边中心线之间的距离为λ_g2/4的奇数倍，其中λ_g1和λ_g2分别为所述工作模式在所述径向波导和所述扼流波导内的波导波长。

5.  根据权利要求2所述的高次模同轴输出腔，其特征在于，
所述高次模同轴谐振腔工作在TM_n10模式，所述漂移管有2n对，角向均匀分布，位于电场最强的区域，其中n=1、2、3……，
所述输出波导的宽边中心线垂直平分所述耦合孔附近周向相邻的两个漂移管中心的连接线。

6.  根据权利要求2所述的高次模同轴输出腔，其特征在于，
所述高次模同轴谐振腔工作在TM_n10模式，所述漂移管有n对，角向均匀分布，位于电场最强的区域，其中n=2、3、4……，
所述输出波导的宽边中心线垂直平分所述耦合孔附近周向相邻的两个漂移管中心的连接线。

7.  根据权利要求2所述的高次模同轴输出腔，其特征在于，
所述谐振腔体、所述漂移管、所述输出波导、所述径向波导、所述扼流波导以及所述衰减腔由无氧铜构成，所述微波吸收材料为SiC衰减材料，
所述径向波导的一端通过高温钎焊与所述谐振腔体的内壁连接，另一 端通过高温钎焊与所述衰减腔连接，所述扼流波导通过高温钎焊与所述径向波导垂直连接，所述输出波导通过高温钎焊而焊接在所述谐振腔体的外壁上，所述漂移管通过高温钎焊而焊接在所述谐振腔体及所述谐振腔盖上；所述谐振腔盖与所述谐振腔体通过高温钎焊而焊接为一体。

8.  根据权利要求1-7中任意一项所述的高次模同轴输出腔，其特征在于，
在功率水平较高的情况下，所述输出波导有多个，并且关于所述高次模同轴谐振腔的腔体轴线对称排列。

9.  根据权利要求1-7中任意一项所述的高次模同轴输出腔，其特征在于，
所述微波吸收材料构成为形状与所述衰减腔相同的整体结构，嵌入所述衰减腔内。

10.  根据权利要求1-7中任意一项所述的高次模同轴输出腔，其特征在于，
所述微波吸收材料为SiC衰减材料，其相对介电常数在20～25范围内，损耗正切在0.6～0.8范围内。

高次模同轴输出腔
技术领域
本发明涉及微波电真空器件的特殊部件，尤其涉及一种用于多注速调管的可单模工作的高次模同轴输出腔。
背景技术
作为微波功率源，高峰值功率速调管在高能物理领域有着重要的应用价值，高能加速器、对撞机、自由电子激光器等大型科学实验装置向紧凑型、高加速梯度方向的进一步发展对高频段高功率速调管提出了需求。
传统的速调管采用工作在基模的谐振腔，由于工作频率与腔体体积成反比，因而随着工作频率的提高，其腔体体积会越来越小。速调管腔体体积变小使功率容量降低，这一点对于输出腔尤为明显，群聚电子注会在输出腔激励起极强的感应电场，强电场容易造成腔体间隙的高频击穿，进而引起束流崩溃，使速调管输出功率大幅下降甚至无法工作。此外，较小的腔体体积无法提供足够的注-波互作用空间，限制了大阴极的使用，进而影响速调管的输出功率水平。
为了解决上述问题，采用同轴谐振腔，并使腔体工作在高次横磁TM_n10模式，以n个或2n个电子注进行注-波互作用，由于同样的腔体体积下高次模式工作频率远高于基模，因而高次模谐振腔可以使速调管在工 作于高频段时仍具有较大的腔体体积，可以有效避免高频击穿，并可为大阴极的采用提供足够的空间，可以大幅提高速调管功率容量。另外，由于同轴腔为环形结构，可以在其空心部分放置杂模抑制装置，从而减小系统体积。
但是，由于速调管是基于电子注速度调制原理的微波器件，经过调制的电子注在到达输出腔时，含有丰富的谐波分量，在输出腔模式间隔较小的情况下，电子注容易激起非工作模式，使速调管无法正常工作。对于高次模谐振腔来说，由于工作模式两侧均有诸多非工作模式存在，因而其杂模震荡问题更为突出。此前，对速调管中的杂模抑制多采用通过耦合孔在输出腔外耦合一个圆柱吸收腔的技术，这种技术的主要缺点是只能对特定震荡模式进行吸收抑制，并且对工作模式有一定的衰减。此外，由于速调管杂模震荡频率是无法提前明确的，采用这种方法，只能在震荡问题出现之后再采取相应措施。
发明内容
本发明鉴于上述问题而作，目的在于提供一种可单模工作的多注速调管高次模同轴输出腔，所采用的高次模同轴谐振腔，具有高功率容量和高工作频率的优点，所采用的杂模抑制装置，对任何可能激起的非工作模式均具有衰减作用，并同时不对工作模式造成影响，使同轴谐振腔能够在高次工作模式稳定运行，从而大幅提高多注速调管在高频段的功率水平。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种可单模工作的高次模同轴输出腔，用于多注速调管，所述高次模同轴输出腔的特征在于，所述高次 模同轴输出腔包括高次模同轴谐振腔、杂模抑制装置以及输出波导，所述杂模抑制装置包括：衰减腔，其中置有微波吸收材料；径向波导，使所述高次模同轴谐振腔中的包括工作模式在内的所有模式向外传输，并且使除所述工作模式之外的其余模式即非工作模式传输进入所述衰减腔；以及扼流波导，其在与所述径向波导的连接处对所述工作模式形成等效短路，从而将所述工作模式限制在所述高次模同轴谐振腔内，使所述工作模式不能传输进入所述衰减腔。
其次，在本发明的高次模同轴输出腔中，优选所述高次模同轴谐振腔包括谐振腔体、谐振腔盖以及漂移管，所述杂模抑制装置通过形成于所述谐振腔体的内壁的耦合槽与所述谐振腔体连接，所述输出波导通过形成于所述谐振腔体的外壁的耦合孔与所述谐振腔体连接。
其次，在本发明的高次模同轴输出腔中，优选所述径向波导的一端与所述谐振腔体的内壁连接，另一端与所述衰减腔连接，所述扼流波导与所述径向波导垂直连接，处于所述衰减腔与所述谐振腔体之间的特定位置。
其次，在本发明的高次模同轴输出腔中，优选所述扼流波导的窄边中心线与所述谐振腔体的内径之间的距离为λ_g1/4的奇数倍，所述扼流波导的末端面与所述径向波导的窄边中心线之间的距离为λ_g2/4的奇数倍，其中λ_g1和λ_g2分别为所述工作模式在所述径向波导和所述扼流波导内的波导波长。
其次，在本发明的高次模同轴输出腔中，优选所述高次模同轴谐振腔工作在TM_n10模式，所述漂移管有2n对，角向均匀分布，位于电场最强的区域，其中n=1、2、3……，所述输出波导的宽边中心线垂直平分所述 耦合孔附近周向相邻的两个漂移管中心的连接线。
其次，在本发明的高次模同轴输出腔中，优选所述高次模同轴谐振腔工作在TM_n10模式，所述漂移管有n对，角向均匀分布，位于电场最强的区域，其中n=2、3、4……，所述输出波导的宽边中心线垂直平分所述耦合孔附近周向相邻的两个漂移管中心的连接线。
其次，在本发明的高次模同轴输出腔中，优选所述谐振腔体、所述漂移管、所述输出波导、所述径向波导、所述扼流波导以及所述衰减腔由无氧铜构成，所述微波吸收材料为SiC衰减材料，所述径向波导的一端通过高温钎焊与所述谐振腔体的内壁连接，另一端通过高温钎焊与所述衰减腔连接，所述扼流波导通过高温钎焊与所述径向波导垂直连接，所述输出波导通过高温钎焊而焊接在所述谐振腔体的外壁上，所述漂移管通过高温钎焊而焊接在所述谐振腔体及所述谐振腔盖上；所述谐振腔盖与所述谐振腔体通过高温钎焊而焊接为一体。
其次，在本发明的高次模同轴输出腔中，优选在功率水平较高的情况下，所述输出波导有多个，并且关于所述高次模同轴谐振腔的腔体轴线对称排列。
其次，在本发明的高次模同轴输出腔中，优选所述微波吸收材料构成为形状与所述衰减腔相同的整体结构，嵌入所述衰减腔内。
其次，在本发明的高次模同轴输出腔中，优选所述微波吸收材料为SiC衰减材料，其相对介电常数在20～25范围内，损耗正切在0.6～0.8范围内。
根据本发明的多注速调管高次模同轴输出腔，能够对所有非工作模式 震荡进行抑制的同时对工作模式不造成影响，提高速调管在高频段的功率输出水平。并且能够使多注速调管稳定工作于高次模式，使多注速调管在高频段能获得较高的输出功率。
附图说明
通过参考以下组合附图对所采用的优选实施方式的详细描述，本发明的上述目的、优点和特征将变得更显而易见，其中：
图1是实施例所涉及的可单模工作的多注速调管高次模同轴输出腔的示意图。
图2是实施例所涉及的可单模工作的多注速调管高次模同轴输出腔的构成示意图。
图3是实施例所涉及的杂模抑制装置的示意图。
图4是图3所述的杂模抑制装置的剖视图。
符号说明
1…谐振腔体
2…谐振腔盖
3…漂移管
4…径向波导
5…扼流波导
6…微波吸收材料
7…衰减腔
8…输出波导
9…杂模抑制装置
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的优选实施方式。在本发明的下列描述中，将省略对已知功能和配置的具体描述，以避免使本发明的主题不清楚。
下面，结合实施方式具体说明本发明的可单模工作的多注速调管高次模同轴输出腔的工作原理。
由于速调管谐振腔的体积与其工作频率成反比，当传统的基模速调管向高频段发展时，其谐振腔体积会越来越小，腔体体积减小一方面会引起间隙高频击穿，另一方面空间的减小限制了大阴极的使用，因此难以获得较高的输出功率。如果速调管工作在谐振腔的高次模式，则可以在获得高频率的同时增大腔体体积，从而提高功率容量。但高次模谐振腔存在杂模震荡的技术难点。速调管中的电子注经调制后，在到达输出腔时含有丰富的谐波分量，高次模谐振腔在工作模式两侧均存在模式频率间隔较密集的非工作模式，这些非工作模式易于被激励起来。速调管杂模震荡会导致严重的后果，轻则降低功率水平，重则使速调管完全不能工作。
本实施方式中采用工作在高次TM_n10模式的同轴谐振腔，TM_n10模式电场与电子注传输方向同向，在电场最强处放置n对或2n对电子注漂移管，可以进行充分的注-波互作用。同轴输出腔中电子注传输通道与腔体中心线距离较远，为大阴极的使用提供了足够的空间。同样的工作频率下，高次模谐振腔腔体体积远大于基模谐振腔，可以从根本上解决传统基模工作速调管因腔体体积减小所带来的功率水平降低问题。
针对高次模谐振腔存在的杂模震荡问题，本实施方式采用了包括径向波导、扼流波导及放置有微波吸收材料的衰减腔的杂模抑制装置，由于径向波导对所有模式均不截止，所以谐振腔中包括工作模式在内的所有模式均可通过与谐振腔的腔壁耦合的径向波导传输出去。为了限制工作模式的传输，在距离高次模谐振腔的外壁λ_g1/4奇数倍处放置了长度为λ_g2/4奇数倍的扼流波导。在扼流波导与径向波导连接处对工作模式形成等效短路，从而将工作模式限制在高次模谐振腔内，使其不能传输进入衰减腔，因而不会降低工作模式的场强，在广泛抑制杂模的同时，不会对速调管的效率、功率水平造成影响。其原理如下：对于工作模式来说，其输入阻抗
(Zin)A=Zc1(Zin)B+jZc1tgβ1l1Zc1+j(Zin)Btgβ1l1]]>
其中(Z_in)_B=jZ_c2tgβ₂l₂，为扼流波导输入阻抗，Z_c1为径向波导特性阻抗，Z_c2为扼流波导特性阻抗，及分别为径向波导和扼流波导内的相移常数，λ_g1为径向波导内工作模式的波导波长，λ_g2为扼流波导内工作模式的波导波长，l₁为扼流波导与腔壁之间的距离，l₂为扼流波导的长度，如前所述，l₁为λ_g1/4奇数倍，l₂为λ_g2/4奇数倍，代入(Z_in)_A的定义公式，可得(Z_in)_A=0，从而在扼流波导与传输波导的连接处对工作模式形成了等效的短路，则工作模式的传输在此处受到限制，不会进入到衰减腔。而其余模式则均可通过径向波导进入衰减腔，被微波吸收材料所衰减。因此，该杂模抑制装置可以在吸收所有非工作模式的同时，对工作模式不造成影响，使输出腔在高次模式下稳定工作。
下面结合附图具体说明本发明的一实施例。
图1是实施例所涉及的可单模工作的多注速调管高次模同轴输出腔 的示意图。图2是实施例所涉及的可单模工作的多注速调管高次模同轴输出腔的构成示意图。图3是实施例所涉及的杂模抑制装置的示意图。图4是图3所述的杂模抑制装置的剖视图。
如图1所示，本实施例所涉及的可单模工作的多注速调管高次模同轴输出腔包括高次模同轴谐振腔(以下，也称为“高次模谐振腔”或“谐振腔”)、杂模抑制装置9、输出波导8。
高次模同轴谐振腔包括谐振腔体1、谐振腔盖2、漂移管3(n对或2n对)，杂模抑制装置9包括径向波导4、扼流波导5、衰减腔7，在衰减腔7内置有微波吸收材料6。漂移管3分别钎焊在谐振腔体1和谐振腔盖2上，详细而言，漂移管3在谐振腔体1的底面与谐振腔盖2的相互对置的位置成对的形成，并且将在谐振腔体1的底面与谐振腔盖2的相互对置的位置所形成的两个漂移管称为一对。谐振腔盖2钎焊在谐振腔体1上。输出波导8通过形成于谐振腔体的外壁的耦合孔与谐振腔体连接，也就是说，输出波导8钎焊于谐振腔体的外壁的耦合孔位置，优选处于在谐振腔体的耦合孔附近相邻的两个漂移管之间，进一步优选输出波导8的宽边中心线垂直平分耦合孔附近的周向相邻的两个漂移管中心的连接线。径向波导4的一端与高次模同轴谐振腔的谐振腔体1的内壁连接在一起，另一端与衰减腔7连接在一起，均采用高温钎焊方式，微波吸收材料6做成与衰减腔形状相同的圆柱体，整体嵌入到衰减腔7内。扼流波导5垂直钎焊于径向波导4上，其长度及其与高次模同轴谐振腔内壁的距离等于各自工作模式的四分之一波导波长。
本实施例中，杂模抑制装置用于保证工作模式不会被传输到衰减腔内， 其材料为无氧铜。径向波导可将非工作模式传输至衰减腔内，其材料为无氧铜。微波吸收材料6对非工作模式进行衰减，材料为SiC。谐振腔体1工作在高次TM_n10模式，材料为无氧铜。输出波导8将微波能量传输到外部负载，处于在高次模谐振腔的耦合孔附近相邻的两个漂移管之间，材料为无氧铜。
如上所述，针对杂模震荡问题，本实施例采用的杂模抑制装置包括径向波导、扼流波导及放置有微波吸收材料的衰减腔，由于径向波导对所有模式均不截止，所以谐振腔中包括工作模式在内的所有模式均可通过与腔壁耦合的径向波导向外传输。为了限制工作模式向外传输，在距离高次模谐振腔外壁λ_g1/4奇数倍处放置了长度为λ_g2/4奇数倍的扼流波导，在扼流波导与传输波导的连接处对工作模式形成等效短路，则工作模式的传输在此处受到限制，不会进入到衰减腔。而其余模式则均可通过径向波导进入衰减腔，被微波吸收材料所衰减。因此，该杂模抑制装置可以在吸收所有非工作模式的同时，对工作模式不造成影响，使输出腔在高次模式下稳定工作。
此外，优选高次模同轴谐振腔工作在TM_n10(n=1，2，3….)模式，有2n对电子注漂移管，角向均匀分布，位于电场最强的区域，相邻漂移管的角向间隔分别为π/n；输出波导通过耦合孔与高次模同轴谐振腔的外壁连接，输出波导宽边中心线垂直平分耦合孔附近周向相邻的两个漂移管中心的连接线。
此外，虽然在上述优选实施方式中，输出波导宽边中心线垂直平分耦合孔附近周向相邻的两个漂移管中心的连接线，但是输出波导只要是对着 两个相邻漂移管的中间位置而不是正对漂移管即可。
通过使输出波导宽边中心线垂直平分耦合孔附近周向相邻的两个漂移管中心的连接线，能够降低谐振腔体内的场形变，提高谐振腔内的场均匀度。
此外，在功率水平较高的情况下可以有多个输出波导，关于谐振腔体轴线对称排列；在采用较高次TM_n10工作模式(n>2)的情况下，也可以用n对电子注漂移管。
此外，优选微波吸收材料为SiC衰减材料，其相对介电常数在20～25范围内，损耗正切在0.6～0.8范围内。
此外，虽然在上述优选实施方式中，微波吸收材料采用了SiC衰减材料，但是也可以采用铁氧体等其他微波吸收材料。
根据本发明，同轴谐振腔工作于TM_n10高次模式，具有高工作频率的优点；所有可能激起的非工作模式均可通过径向波导传输进入衰减腔，被微波衰减材料所吸收，相对于只能吸收单一杂模的传统杂模抑制手段来说，本发明具有广谱杂模抑制的优点；为了限制工作模式向外传输，在距离高次模同轴谐振腔内壁λ_g1/4奇数倍处放置了长度为λ_g2/4奇数倍的扼流波导，在扼流波导与径向波导连接处对工作模式形成等效短路，从而将工作模式限制在谐振腔体内，使其不能传输进入衰减腔，因而不会降低工作模式的场强，在广泛抑制杂模的同时，不会对速调管的效率、功率水平造成影响。
尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定， 而应由所附权利要求及其等价物来限定。