本發(fā)明涉及高功率微波技術(shù)領(lǐng)域的微波源器件，尤其是一種具有廠字型收集極的相對論返波振蕩器。

背景技術(shù)：

目前，高功率微波(通常指峰值功率大于100MW、頻率在1～300GHz之間的電磁波)在定向能武器、衛(wèi)星和空間平臺供能、小型深空探測器的發(fā)射、軌道飛行器高度改變推進(jìn)系統(tǒng)、電子高能射頻加速器、材料加工與處理等國防和工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

高功率微波源是高功率微波系統(tǒng)的核心器件，其運行是基于電子束的相干輻射。相對論返波振蕩器作為一種發(fā)展較為成熟的高功率微波源，具有高功率、高效率以及適合重復(fù)頻率工作等特點，受到國際上廣大科研人員的關(guān)注。提高相對論返波振蕩器的單脈沖能量及平均功率水平是高功率微波領(lǐng)域發(fā)展的重要目標(biāo)，通常可以通過提高器件峰值功率、重復(fù)頻率和脈沖寬度三方面來實現(xiàn)。相關(guān)研究表明單一相對論返波振蕩器的峰值功率水平很難大幅度提高，而重復(fù)頻率運行頻率要達(dá)到或超過kHz水平也非常困難。因此，延長輸出微波的脈沖寬度成為相對論返波振蕩器研究方向提高器件單脈沖能量和平均功率水平的重要手段。

研究長脈沖相對論返波振蕩器具有代表性的是國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計的器件【Jun Zhang,Zhen-Xing Jin,Jian-Hua Yang,Hui-Huang Zhong,Ting Shu,Jian-De Zhang,Bao-Liang Qian,Cheng-Wei Yuan,Zhi-Qiang Li,Yu-Wei Fan,Sheng-Yue Zhou,and Liu-Rong Xu.Recent Advance in Long-Pulse HPM Sources With Repetitive Operation in S-,C-,and X-Bands.IEEE Transactions on Plasma Science，2011，Vol.39，No.6，pp.1438-1445】(以下稱為現(xiàn)有技術(shù)1)。該結(jié)構(gòu)由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結(jié)構(gòu)、錐形波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)以及螺線管磁場組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。為了敘述方便，下文中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。其中慢波結(jié)構(gòu)由5個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，左側(cè)4個慢波葉片完全相同，第5個慢波葉片具有較大的最大外半徑，5個慢波葉片的長度L₁相同。輸出波導(dǎo)為內(nèi)半徑為R₇的圓波導(dǎo)，利用波導(dǎo)內(nèi)壁收集殘余電子。該器件結(jié)構(gòu)簡單，有利于高功率微波的穩(wěn)定輸出，并且器件采用較大半徑的輸出波導(dǎo)收集殘余電子，降低了收集處電子的密度，減少了因電子轟擊輸出波導(dǎo)內(nèi)壁而產(chǎn)生的二次電子的數(shù)量，進(jìn)而削弱了等離子體對微波產(chǎn)生的影響，有利于實現(xiàn)長脈沖運行。實驗結(jié)果表明，微波輸出功率達(dá)到1GW，脈寬100ns，頻率為3.6GHz。但是該器件功率轉(zhuǎn)換效率較低，僅為20％，低于常規(guī)相對論返波振蕩器的30％左右的功率轉(zhuǎn)換效率。輸出同樣功率的微波，較低功率轉(zhuǎn)換效率要求脈沖驅(qū)動源注入更高的電功率，故對脈沖驅(qū)動源的驅(qū)動能力提出較高要求，不利于其結(jié)構(gòu)的緊湊化。因此，該技術(shù)方案不能實現(xiàn)長脈沖相對論返波振蕩器的高效率運行，不 利于實現(xiàn)高功率微波系統(tǒng)的小型化和緊湊化。

提高相對論返波振蕩器的功率轉(zhuǎn)換效率有多種途徑，例如采用非均勻慢波結(jié)構(gòu)、加入諧振腔、采用等離子體加載等。【劉國治，陳昌華，張玉龍，同軸引出相對論返波管，強(qiáng)激光與粒子束，2001，Vol.13，No.4，pp.467-470】(以下稱為現(xiàn)有技術(shù)2)中公布了一種同軸引出相對論返波振蕩器的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中慢波結(jié)構(gòu)由9個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，左側(cè)8個慢波葉片完全相同，第9個慢波葉片具有較大的最大外半徑，9個慢波葉片的長度L₁相同。該同軸引出相對論返波管還包括一個圓柱形的同軸提取結(jié)構(gòu)，在同軸提取結(jié)構(gòu)左端面挖有環(huán)形凹槽，利用凹槽內(nèi)壁吸收殘余電子。由于該結(jié)構(gòu)只是初步建立的數(shù)值仿真模型，同軸提取結(jié)構(gòu)和輸出波導(dǎo)的連接方式?jīng)]有交代。粒子模擬結(jié)果得到輸出微波功率為2.0GW，頻率為9.28GHz，效率達(dá)45％。但是在對該器件的模擬結(jié)果中，輸出功率含有直流成分，因而模擬結(jié)果有較大誤差。器件慢波結(jié)構(gòu)采用9個慢波葉片，導(dǎo)致軸向長度過大，不利于器件的小型化。此外，器件擬利用同軸提取結(jié)構(gòu)左側(cè)的凹槽內(nèi)壁吸收殘余電子，減少電子束直接轟擊輸出波導(dǎo)內(nèi)壁產(chǎn)生的二次電子，進(jìn)而削弱二次電子對器件工作過程的影響，實現(xiàn)微波的長脈沖輸出。但是電子束長時間轟擊后容易使凹槽內(nèi)壁的不銹鋼材料升溫，進(jìn)而產(chǎn)生等離子體，影響器件的工作。由于同軸提取結(jié)構(gòu)位于器件的內(nèi)部，不容易利用水循環(huán)進(jìn)行冷卻，故不利于相對論返波振蕩器長脈沖、重復(fù)頻率工作。

因此，盡管人們已經(jīng)開始研究長脈沖或高效率相對論返波振蕩器，但很少見到成熟且簡單易行的方案，尤其是同時實現(xiàn)長脈沖、高效率相對論返波振蕩器的技術(shù)方案尚未有公開報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明提供一種具有廠字型收集極的相對論返波振蕩器，克服通常相對論返波振蕩器難以兼顧輸出微波脈寬長、功率轉(zhuǎn)換效率高，解決同軸提取結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生等離子體影響工作效率的問題，在使用較少慢波葉片下的情況下實現(xiàn)脈寬大于100ns、效率大于40％的微波輸出，且該高功率微波源結(jié)構(gòu)緊湊、易于重復(fù)頻率運行。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種具有廠字型收集極的相對論返波振蕩器，包括陰極座301、陰極302、陽極外筒303、截止頸304、階梯型反射腔310、慢波結(jié)構(gòu)305、錐形波導(dǎo)306、輸出波導(dǎo)307、螺線管磁場308、第一提取腔311a、第二提取腔311b、廠字形收集極312、反射器313，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱，陰極座301左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒303左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體；

陰極302是一個薄壁圓筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，內(nèi)半徑R₁等于電子束的半徑，套在陰極座301右端；截止頸304呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R₂，R₂>R₁，具體尺寸需要根據(jù)工作波長λ優(yōu)化設(shè)計；階梯型反射腔310左側(cè)臺階的半徑R₁₁和寬度L₅分別小于右側(cè)臺階的半徑R₁₂和 寬度L₆，L₅一般取值為工作波長λ的0.2-0.3倍，L₆一般取值為工作波長λ的0.4-0.5倍；慢波結(jié)構(gòu)305由5個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，其中，5個慢波葉片的內(nèi)半徑R₄均相同，第1個慢波葉片的外半徑R₃最小，第2個慢波葉片的外半徑R₆＞R₃，后3個慢波葉片的外半徑R₁₃＞R₆，第1個慢波葉片的長度L₁最大，第2個慢波葉片的長度L₇＜L₁，后3個慢波葉片的長度L₈＜L₇，L₁一般取值為工作波長λ的0.5-0.6倍，L₇一般取值為工作波長的0.45至0.55倍，L₈一般取值為工作波長λ的0.4-0.5倍；在慢波結(jié)構(gòu)305和錐形波導(dǎo)306之間設(shè)置有2個形狀均為圓盤狀的提取腔——第一提取腔311a和第二提取腔311b，第一提取腔311a的半徑R₁₄大于第二提取腔311b的半徑R₁₅，第一提取腔311a的寬度L₉等于第二提取腔311b的寬度L₁₀，L₉、L₁₀均為工作波長的0.1至0.2倍；錐形波導(dǎo)306的左側(cè)半徑為R₁₆，右側(cè)半徑為R₁₇，R₁₆＜R₁₇，長度為L₂，L₂一般取值為工作波長λ的1-1.1倍；錐形波導(dǎo)306之后接廠字形收集極312，廠字形收集極312的外半徑等于錐形波導(dǎo)306的右側(cè)半徑R₁₇，R₁₇小于慢波結(jié)構(gòu)305慢波葉片的最大外半徑R₁₃，廠字形收集極312上端封閉處寬度L₁₁為工作波長的0.85至0.95倍，下端敞口處的寬度L₁₂為工作波長的0.6至0.7倍，廠字形收集極312右側(cè)下端斜面的寬度L₁₃為工作波長的0.4至0.5倍，廠字形收集極312右側(cè)上端斜面的寬度L₁₄為工作波長的0.8至0.9倍；廠字形收集極312與輸出波導(dǎo)307之間設(shè)置反射器313，反射器313的內(nèi)半徑R₂₀小于陰極302半徑R₁，反射器313下端的寬度L₁₅是工作波長的1.2至1.3倍，反射器313右側(cè)斜邊的寬度L₁₆是工作波長的0.85至0.95倍；輸出波導(dǎo)307為內(nèi)半徑為R₇的圓波導(dǎo)，R₇>R₁₇。輸出波導(dǎo)307的右端接天線，可參照不同波長的要求，根據(jù)通用的天線設(shè)計方法設(shè)計仿真得到天線的具體結(jié)構(gòu)，由于是通用方法，不存在技術(shù)秘密。

進(jìn)一步地，所述陰極座301、陽極外筒303、截止頸304、慢波結(jié)構(gòu)305、錐形波導(dǎo)306、輸出波導(dǎo)307、廠字形收集極312、反射器313均采用無磁不銹鋼或無氧銅或鈦或鉬等金屬材料制成，陰極302采用石墨或無磁不銹鋼材料或耐熱玻璃布-環(huán)氧樹脂覆銅箔板等材料制成，螺線管磁場308采用銅線或鋁線繞制而成。

本發(fā)明的工作原理是：陰極產(chǎn)生的相對論電子束與由慢波結(jié)構(gòu)決定的TM₀₁模式的電磁波進(jìn)行束波相互作用，產(chǎn)生高功率微波經(jīng)由輸出波導(dǎo)輻射出去。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明可達(dá)到以下技術(shù)效果：

(1)采用廠字形收集極，主要作用如下：

(a)廠字形收集極利用下端敞口處引入電子束，利用上端封閉處的內(nèi)壁收集殘余電子束。經(jīng)過束波相互作用，電子束因失去能量(交給微波場)速度降低，又加上收集極半徑較大，故殘余電子抵達(dá)收集極內(nèi)壁時已經(jīng)發(fā)散，轟擊收集極內(nèi)壁的電子密度明顯降低。因此，可以 削弱因電子束轟擊內(nèi)壁產(chǎn)生的二次電子對輸出微波脈寬的影響，抑制脈沖縮短現(xiàn)象，有利于實現(xiàn)長脈沖；

(b)通過調(diào)節(jié)廠字形收集極上端、下端的寬度以及右側(cè)兩段斜面的寬度，可以改變高功率微波源末端的不連續(xù)性調(diào)節(jié)相位，增強(qiáng)電子束與電磁波之間的相互作用。從圖5～8中可見，調(diào)節(jié)廠字形收集極上端、下端的寬度以及右側(cè)兩段斜面的寬度，能對束波作用產(chǎn)生具有最優(yōu)效果的峰值。

(2)采用1個階梯狀反射腔，主要作用如下：

(a)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的階梯狀反射腔對向二極管區(qū)方向傳輸?shù)奈⒉ǖ姆瓷湎禂?shù)為1，即可實現(xiàn)全反射。從圖9中可見，階梯狀反射腔對中心頻率為3.8GHz的反射系數(shù)為1。

(b)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，電子束距離諧振腔的徑向距離經(jīng)優(yōu)化可以更大，既能避免電子束刮擦或轟擊前置諧振腔，又能削弱腔體表面的射頻場強(qiáng)度，因而可以有效削弱由于陰極等離子體的徑向膨脹而造成的微波脈寬縮短，有利于實現(xiàn)長脈沖微波輸出。從圖10可見，實驗后，輸出微波脈寬超過120ns，基本無脈沖縮短。

(c)可以對電子束進(jìn)行較為充分的預(yù)調(diào)制，有利于隨后的束波相互作用，提高器件功率轉(zhuǎn)換效率。與采用多個反射腔相比，利用1個階梯狀諧振腔帶來的固有振蕩模式較少，不容易產(chǎn)生模式競爭，且有利于器件小型化。

(3)采用2個提取腔，主要作用如下：

(a)群聚良好的電子束靠近提取腔時，電子束的勢能迅速降低，電子束動能迅速增大，即被加速，這意味著電子束可以進(jìn)一步把能量交給微波場，有利于提高功率轉(zhuǎn)換效率；

(b)優(yōu)化后的提取腔內(nèi)表面具有較強(qiáng)的軸向電場，可以與電子束發(fā)生相互作用，使電子束把能量交給微波場，提高功率轉(zhuǎn)換效率。從圖11～12中可見，調(diào)節(jié)提取腔的寬度，能對束波作用產(chǎn)生具有最優(yōu)效果的峰值。

(c)優(yōu)化后的提取腔有利于提高腔體的品質(zhì)因素，在諧振條件下能提高束波作用效率，可在慢波葉片個數(shù)較少的情況下實現(xiàn)高效的微波激勵，確保實現(xiàn)小型化和高效率。

(4)采用反射器，通過調(diào)節(jié)反射器下端的寬度和斜面的寬度，可以改變高功率微波源末端的不連續(xù)性調(diào)節(jié)相位，增強(qiáng)電子束與電磁波之間的相互作用。從圖13～14中可見，調(diào)節(jié)反射器下端的寬度和斜面的寬度，能對束波作用產(chǎn)生具有最優(yōu)效果的峰值。

(5)采用非均勻慢波結(jié)構(gòu)，通過增大波紋深度和減少慢波葉片長度降低結(jié)構(gòu)波的相速度，使其與因把能量交給微波場而被減速的電子的速度繼續(xù)保持同步，使電子持續(xù)交出能量，進(jìn)而提高束波作用效率；在前2個慢波葉片處，器件工作在π模附近的返波狀態(tài)，有利于束波相互作用；在后3個慢波葉片處，器件工作在π模附近的行波狀態(tài)，便于將器件內(nèi)部激勵的微波提取出來。

附圖說明

圖1為背景介紹中現(xiàn)有技術(shù)1公開的相對論返波振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為背景介紹中現(xiàn)有技術(shù)2公開的相對論返波振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的剖面圖；

圖4為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的立體剖面圖；

圖5為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的廠字形收集極上端封閉處的寬度L₁₁對輸出微波效率的影響結(jié)果示意圖；

圖6為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的廠字形收集極下端敞口處的寬度L₁₂對輸出微波效率的影響結(jié)果示意圖；

圖7為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的廠字形收集極右側(cè)下端斜面的寬度L₁₃對輸出微波效率的影響結(jié)果示意圖；

圖8為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的廠字形收集極右側(cè)上端斜面的寬度L₁₄對輸出微波效率的影響結(jié)果示意圖；

圖9為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的工作模式TM₀₁模式的反射特性分析；

圖10為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的實驗波形；

圖11為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的第一個提取腔的寬度L₉對輸出微波效率的影響結(jié)果示意圖；

圖12為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的第二個提取腔的寬度L₁₀對輸出微波效率的影響結(jié)果示意圖；

圖13為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的反射器下端的寬度L₁₅對輸出微波效率的影響結(jié)果示意圖；

圖14為本發(fā)明提供的具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的反射器斜面的寬度L₁₆對輸出微波效率的影響結(jié)果示意圖；

具體實施方式

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)1中公布的長脈沖相對論返波振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)由陰極座101、陰極102、陽極外筒103、截止頸104、慢波結(jié)構(gòu)105、錐形波導(dǎo)106、輸出波導(dǎo)107、螺線管磁場108組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。其中慢波結(jié)構(gòu)5由5個慢波葉片組成，每 個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，左側(cè)4個慢波葉片完全相同，最大外半徑為R₃，最小內(nèi)半徑為R₄；第5個慢波葉片最大外半徑為R₃，最小內(nèi)半徑為R₅，平均半徑為R₆，滿足R₃>R₆>R₅>R₄，5個慢波葉片的長度L₁相同。輸出波導(dǎo)107為內(nèi)半徑為R₇的圓波導(dǎo)，利用波導(dǎo)內(nèi)壁收集殘余電子。該方案結(jié)構(gòu)簡單，實驗中實現(xiàn)了脈寬為100ns的長脈沖高功率微波輸出，這對于研制長脈沖相對論返波振蕩器有重要借鑒意義。但是該器件功率轉(zhuǎn)換效率較低，僅為20％，低于通常相對論返波振蕩器的30％的功率轉(zhuǎn)換效率，不能實現(xiàn)長脈沖相對論返波振蕩器的高效率運行，不利于高功率微波系統(tǒng)的小型化和緊湊化，影響其應(yīng)用范圍的拓展。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)2中公布的高效率相對論返波振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。雖然該論文公布了該結(jié)構(gòu)的組成，但該結(jié)構(gòu)只是初步建立的數(shù)值仿真模型，沒有具體技術(shù)方案。該結(jié)構(gòu)由陰極座201、陰極202、陽極外筒203、截止頸204、慢波結(jié)構(gòu)205、錐形波導(dǎo)206、輸出波導(dǎo)207、螺線管磁場208、同軸提取結(jié)構(gòu)209組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。其中慢波結(jié)構(gòu)205由9個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，左側(cè)8個慢波葉片完全相同，最大外半徑為R₃，最小內(nèi)半徑為R₄；第9個慢波葉片最大外半徑為R₃，最小內(nèi)半徑為R₅，平均半徑為R₆，滿足R₃>R₆>R₅>R₄。9個慢波葉片的長度L₁相同。輸出波導(dǎo)為內(nèi)半徑為R₇的圓波導(dǎo)。同軸提取結(jié)構(gòu)9為外半徑為R₈的圓柱，在同軸提取結(jié)構(gòu)209左端面挖有環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽的內(nèi)半徑R₉和外半徑R₁₀滿足R₁₀>R₁>R₉，利用凹槽內(nèi)壁吸收殘余電子。由于該結(jié)構(gòu)只是初步建立的數(shù)值仿真模型，同軸提取結(jié)構(gòu)209和輸出波導(dǎo)207的連接方式?jīng)]有交代。利用該方案建立仿真模型，通過模擬得到輸出微波功率為2.0GW，頻率為9.28GHz，效率達(dá)45％(高于通常相對論返波振蕩器的30％的功率轉(zhuǎn)換效率)，這對于研制高效率相對論返波振蕩器有重要借鑒意義。但是，對該器件的模擬結(jié)果中，輸出功率含有直流成分，因而模擬結(jié)果有較大誤差。器件采用9個慢波結(jié)構(gòu)205，導(dǎo)致軸向長度過大，不利于器件的小型化。此外，器件擬利用同軸提取結(jié)構(gòu)209左側(cè)的凹槽內(nèi)壁吸收殘余電子，減少電子束直接轟擊輸出波導(dǎo)207內(nèi)壁產(chǎn)生的二次電子，進(jìn)而削弱二次電子對器件工作過程的影響，實現(xiàn)微波的長脈沖輸出。但是電子束長時間轟擊后容易使凹槽內(nèi)壁的不銹鋼材料升溫，進(jìn)而產(chǎn)生等離子體，進(jìn)而影響器件內(nèi)部束波作用過程，引起脈沖縮短。由于同軸提取結(jié)構(gòu)209位于器件的內(nèi)部，不容易利用水循環(huán)進(jìn)行冷卻，故不利于相對論返波振蕩器長脈沖、重復(fù)頻率工作。

圖3為本發(fā)明具有廠字型收集極的高功率微波源優(yōu)選實施例的A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為本實施方式的A-A剖視立體示意圖。本發(fā)明由陰極座301、陰極302、陽極外筒303、截止頸304、階梯型反射腔310、慢波結(jié)構(gòu)305、錐形波導(dǎo)306、輸出波導(dǎo)307、螺線管磁場308、第一提取腔311a、第二提取腔311b、廠字形收集極312、反射器313組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。

陰極座301左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒303左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。 陰極302是一個薄壁圓筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，在本實施例中取值為0.1mm，內(nèi)半徑R₁等于電子束的半徑，套在陰極座301右端。截止頸304呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R₂，R₂>R₁，具體尺寸需要根據(jù)工作波長λ優(yōu)化設(shè)計。

階梯型反射腔310左側(cè)臺階的半徑R₁₁和寬度L₅分別小于右側(cè)臺階的半徑R₁₂和寬度L₆；L₅一般取值為工作波長λ的0.2-0.3倍，在本實施例中L₅為工作波長λ的四分之一；L₆一般取值為工作波長λ的0.4-0.5倍，在本實施例中L₆為工作波長λ的二分之一。

慢波結(jié)構(gòu)305由5個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)。其中，5個慢波葉片的內(nèi)半徑R₄均相同；第1個慢波葉片的外半徑R₃最小，第1個慢波葉片的外半徑R₆＞R₃，后3個慢波葉片的外半徑R₁₃＞R₆；第1個慢波葉片的長度L₁最大，第2個慢波葉片的長度L₇＜L₁，后3個慢波葉片的長度L₈＜L₇。L₁一般取值為工作波長λ的0.5-0.6倍，L₇一般取值為工作波長的0.45至0.55倍，L₈一般取值為工作波長λ的0.4-0.5倍。在本實施例中，L₁為工作波長λ的0.54倍，L₇為工作波長λ的0.49倍，L₈為工作波長λ的0.46倍。相鄰慢波葉片之間可以通過臺階座連接或螺紋連接實現(xiàn)緊密配合。

在所述慢波結(jié)構(gòu)305和錐形波導(dǎo)306之間還設(shè)置有2個形狀為圓盤狀的提取腔——第一提取腔311a和第二提取腔311b，第一提取腔311a的半徑R₁₄大于第二提取腔311b的半徑R₁₅，第一提取腔311a的寬度L₉等于第二提取腔311b的寬度L₁₀，L₉、L₁₀均為工作波長的0.1至0.2倍；。在本實施例中，L₉、L₁₀均為工作波長λ的0.13倍。

錐形波導(dǎo)306的左側(cè)半徑為R₁₆，右側(cè)半徑為R₁₇，R₁₆＜R₁₇，長度為L₂，L₂一般取值為工作波長λ的1-1.1倍，在本實施例中L₂為工作波長λ的1.05倍。

錐形波導(dǎo)306之后接廠字形收集極312，廠字形收集極312的外半徑等于錐形波導(dǎo)306的右側(cè)半徑R₁₇，R₁₇小于慢波結(jié)構(gòu)305慢波葉片的最大外半徑R₁₃。所述廠字形收集極312上端封閉處寬度L₁₁為工作波長的0.85至0.95倍，在本實施例中L₁₁等于工作波長λ的0.9倍；下端的敞口處寬度L₁₂為工作波長的0.6至0.7倍，在本實施例中L₁₂等于工作波長λ的0.65倍；所述廠字形收集極312右側(cè)下端斜面的寬度L₁₃為工作波長的0.4至0.5倍，在本實施例中L₁₃等于工作波長λ的0.47倍；所述廠字形收集極312右側(cè)上端斜面的寬度L₁₄為工作波長的0.8至0.9倍，在本實施例中L₁₄等于工作波長λ的0.87倍。

廠字形收集極312與輸出波導(dǎo)307之間設(shè)置反射器313，反射器313的內(nèi)半徑R₂₀小于陰極302半徑R₁。所述反射器313下端的寬度L₁₅范圍是工作波長的1.2至1.3倍，在本實施例中L₁₅等于工作波長λ的1.27倍；所述反射器313右側(cè)斜邊的寬度L₁₆是工作波長的0.85至0.95倍，在本實施例中L₁₆等于工作波長λ的0.89倍。

輸出波導(dǎo)307為內(nèi)半徑為R₇的圓波導(dǎo)，R₇>R₁₇。

截止頸304、階梯型反射腔310、慢波結(jié)構(gòu)305、雙提取腔311、廠字形收集極312、錐形波導(dǎo)306、反射器313與輸出波導(dǎo)307之間通過螺紋連接或臺階座連接固定后，從陽極外筒303的右側(cè)、沿軸向、緊貼陽極外筒303的內(nèi)壁，嵌入陽極外筒303并固定。截止頸304左端面的外側(cè)與陽極外筒303緊密接觸提供第一支撐點，廠字形收集極312外側(cè)通過法蘭與陽極外筒303連接提供第二支撐點并起到沿軸向定位的作用。輸出波導(dǎo)307的右端接天線，可參照不同波長的要求，根據(jù)通用的天線設(shè)計方法設(shè)計仿真得到天線的具體結(jié)構(gòu)，，由于是通用方法，不存在技術(shù)秘密。本發(fā)明運行時，陰極302產(chǎn)生的相對論電子束與由慢波結(jié)構(gòu)305決定的TM₀₁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經(jīng)由輸出波導(dǎo)307輻射出去。

進(jìn)一步地，所述陰極座301、陽極外筒303、截止頸304、慢波結(jié)構(gòu)305、錐形波導(dǎo)306、輸出波導(dǎo)307、廠字形收集極312、反射器313采用無磁不銹鋼或無氧銅或鈦或鉬等金屬材料制成，陰極302采用石墨或無磁不銹鋼或耐熱玻璃布-環(huán)氧樹脂覆銅箔板制成，螺線管磁場308采用銅線或鋁線繞制而成。

本實施例實現(xiàn)了中心頻率為3.8GHz(對應(yīng)微波波長λ＝7.9cm)的具有廠字型收集極的高功率微波源(相應(yīng)的尺寸設(shè)計為：R₁＝40mm，R₂＝51mm，R₃＝52mm，R₄＝47mm，R₆＝54mm，R₇＝64mm，R₁₁＝63mm，R₁₂＝69mm，R₁₃＝59mm，R₁₄＝70mm，R₁₅＝65mm，R₁₆＝45mm，R₁₇＝57mm，R₁₈＝47mm，R₁₉＝43mm，L₁＝43mm，L₅＝20mm，L₆＝39mm，L₇＝39mm，L₈＝36mm，L₉＝10mm，L₁₀＝10mm，L₁₁＝72mm，L₁₂＝51mm，L₁₃＝37mm，L₁₄＝69mm，L₁₅＝100mm，L₁₆＝70mm)。粒子模擬中，在二極管電壓860kV、電流16.3kA、導(dǎo)引磁場1.9T的條件下，輸出微波功率6GW，功率轉(zhuǎn)換效率42.8％，脈寬132ns(電脈寬155ns)。由上述結(jié)果可知，本發(fā)明克服了通常相對論返波振蕩器只能單一追求高效率或長脈沖的缺點，能同時兼顧100ns以上長脈沖和40％以上高效率高功率微波輸出，并且實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的小型化，對于設(shè)計該類型器件具有重要的借鑒意義。

參見圖5，可知廠字形收集極上端封閉處的寬度L₁₁對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₁增大能使輸出微波效率先增大后減小，當(dāng)L₁₁＝72mm時達(dá)到最高輸出效率。

參見圖6，可知廠字形收集極下端敞口處的寬度L₁₂對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₂增大能使輸出微波效率先增大后減小，當(dāng)L₁₂＝51mm時達(dá)到最高輸出效率。

參見圖7，可知廠字形收集極右側(cè)下端斜面的寬度L₁₃對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₃增大能使輸出微波效率先增大后減小，當(dāng)L₁₃＝37mm時達(dá)到最高輸出效率。

參見圖8，可知廠字形收集極右側(cè)上端斜面的寬度L₁₄對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₄增大能使輸出微波效率先增大后減小，當(dāng)L₁₄＝69mm時達(dá)到最高輸出效率。

參見圖9，可知經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的階梯狀反射腔對向二極管區(qū)方向傳輸?shù)闹行念l率為3.8GHz微波的反射系數(shù)為1，即可實現(xiàn)全反射。

參見圖10，可知合理優(yōu)化設(shè)計階梯型反射腔，既能避免電子束刮擦或轟擊前置諧振腔，又能削弱腔體表面的射頻場強(qiáng)度，有利于實現(xiàn)長脈沖微波輸出，實驗得到輸出微波脈寬超過120ns，基本無脈沖縮短。

參見圖11，可知具有廠字型收集極的高功率微波源第1個提取腔的寬度L₉對輸出微波效率存在影響，隨著L₉增大能使輸出微波效率先增大后減小，當(dāng)L₉＝10mm時達(dá)到最高輸出效率。

參見圖12，可知具有廠字型收集極的高功率微波源第2個提取腔的寬度L₁₀對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₀增大能使輸出微波效率先增大后減小，當(dāng)L₁₀＝10mm時達(dá)到最高輸出效率。

參見圖13，可知具有廠字型收集極的高功率微波源的反射器下端的寬度L₁₅對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₅增大能使輸出微波效率先增大后減小，當(dāng)L₁₅＝100mm時達(dá)到最高輸出效率。

參見圖14，可知具有廠字型收集極的高功率微波源的反射器斜面的寬度L₁₆對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₆增大能使輸出微波效率先增大后減小，當(dāng)L₁₆＝70mm時達(dá)到最高輸出效率。

當(dāng)然，在本優(yōu)選實施例中，截止頸304、階梯型反射腔310、慢波結(jié)構(gòu)305、雙提取腔311、廠字形收集極312、錐形波導(dǎo)306、反射器313與輸出波導(dǎo)307之間也可以采用其他連接方式，器件結(jié)構(gòu)也可采用其它材料加工，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚本發(fā)明的范圍不限制于以上討論的示例，有可能對其進(jìn)行若干改變和修改，而不脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍。盡管己經(jīng)在附圖和說明書中詳細(xì)圖示和描述了本發(fā)明，但這樣的說明和描述僅是說明或示意性的，而非限制性的。本發(fā)明并不限于所公開的實施例。

通過對附圖，說明書和權(quán)利要求書的研究，在實施本發(fā)明時本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解和實現(xiàn)所公開的實施例的變形。在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”不排除其他步驟或元素。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中引用的某些措施的事實不意味著這些措施的組合不能被有利地使用。權(quán)利要求書中的任何參考標(biāo)記不構(gòu)成對本發(fā)明的范圍的限制。