[发明专利]一种高频段磁绝缘线振荡器

说明书

技术领域

本发明属于高功率微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种微波起振和饱和快、且具有高功率容量的高频段磁绝缘线振荡器。

背景技术

磁绝缘线振荡器(magnetically insulated transmission line oscillator，简称MILO)是一种GW级高功率微波源。与其他微波源相比，MILO因其无需外加导引磁场，具有结构紧凑、重量轻等优点而成为最具发展应用前景的HPM器件之一。

Pf²因子(微波功率P与微波频率f平方的乘积)作为对高功率微波器件性能的一个度量标准，其意义是，从固定尺寸天线发射的微波信号作用在目标上的功率密度正比于该因子。从这个意义上讲，频率的提高甚至比功率的提高更能影响微波源的品质。同时，高功率微波源器件的尺寸大小与微波波长同量级，随着频率的提高，微波的波长缩短，器件的尺寸也会大幅度缩小，这将有利于高功率微波源器件的实际应用。

目前，MILO的研究主要集中在低频段如L、S、C等较低的微波频段，且均已实现了大于1GW的稳定微波输出。近几年来，MILO的研究有向更高频段如X、Ku波段发展的趋势，但总的来说关于高频段MILO的研究还较少，仅停留在简单的粒子模拟和初步实验，还没有人对高频段MILO开展系统充分的研究。在已报道的Ku波段MILO研究中【Jie Wen,Dai-bing Chen,Dong Wang and Fen Qin.Preliminary experimental research on Ku-band MILO[J].IEEE Trans.Plasma Sci.,2013,41(9):2501-2505.】，其实验输出微波功率仅在100MW量级，脉宽小于20ns，存在严重的脉宽缩短问题。在基本结构方面，目前高频段MILO主要沿用低频段MILO的基本结构，仍然采用均匀扼流腔结构和均匀慢波周期结构，仅在整体尺寸上进行了缩小。然而，高频段MILO采用传统低频段MILO的结构会存在一个问题：阴极起始点位置发射的电子束不能掠过主慢波结构第一个腔的表面，这将会使得器件起振和饱和较慢。

MILO的平板电极模型结构如图1所示【郭焱华.C波段磁绝缘线振荡器的理论与实验研究[D]，绵阳：中国工程物理研究院博士学位论文，2005】，从阴极发射出来的单个电子受到阴阳极间的电场E和与E正交的磁场B的作用，其轨迹方程为摆线方程：

其中，为电子回旋半径，ω_c为电子沿阴极表面滚动的角速度，其滚动圆半径即为R_c。

在MILO里，当阴极发射的电子刚好掠过阳极慢波结构表面时，器件能获得最大的束波转换效率，此时为临界状态。而对应临界状态的情况，摆线(单个电子运动轨迹)的每一拱的拱高为阴阳极间距h，且h＝2R_c，拱宽为2π*R_c。半个拱宽即为电子从阴极表面发射到运动到阳极面的轴向移动距离。

对于高频段MILO，其阴阳极间距与低频段MILO的阴阳极间距接近；但是其慢波结构周期却比低频段MILO的慢波结构周期小许多。文献【Tao Jiang,Jiande Zhang,Juntao He,Zhiqiang Li,and Junpu Ling.Experimental research on Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator[J].Phys Plasmas,2015,22,102112.】中提出的Ku波段MILO的阴阳极间距和慢波结构周期分别为1.4cm和0.65cm。因此可以计算得出单个电子运动轨迹的拱宽约4.4cm，半个拱宽约2.2cm，其比相应的慢波结构周期要大得多。由于扼流腔叶片半径要小于慢波结构叶片内半径，因此，阴极起始点位置发射的电子束掠过扼流腔结构后不能掠过主慢波结构的第一个腔的表面，这将会造成器件的微波起振和饱和较慢。而微波源中微波起振和饱和慢会造成输入电脉宽的浪费，使得微波源器件输出微波脉宽较短和能量效率较低。

因此，高频段MILO研究具有重要的现实意义，而针对高频段MILO起振和饱和较慢的问题还有待深入的研究。

发明内容