[发明专利]采用环形束冷阴极的X波段高阻抗相对论速调管放大器

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波(HPM)技术领域的微波源器件，尤其是一种采用环形束冷阴极的X波段高阻抗相对论速调管放大器(Relativtistic Klystron Amplifier，RKA)。

背景技术

近年来，高功率微波(HPM)(根据Benford和Swegle的约定，高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波)在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入。作为高功率微波系统的核心器件，高功率微波源利用阴极发射电子束与器件内部腔体的谐振模式相互作用，进而辐射出高功率微波。为进一步满足应用需求，HPM系统向高频段发展并达到较高的等效辐射功率是HPM技术需要解决的最关键问题之一。为了解决单管功率极限和微波脉冲缩短现象严重制约了HPM系统指标提高的问题，同时避免单个传输辐射系统受到功率容量的限制，提出高功率微波空间功率合成的技术路线。空间功率合成指多个微波源使用多个独立的天线进行辐射，而功率的合成则在空间中特定区域内实现。空间功率合成一般为相干功率合成，即要求作为相干合成的单元，每个高功率微波源的输出微波脉冲须在时间上重叠、输出微波频率相同、锁定相位差固定或可控。由于放大器输出的微波频率和相位严格依赖于输入信号，且锁定效果与注入功率的大小无关，因此在相干合成领域有更大的应用前景。

RKA是发展较成熟的放大器型的高功率微波源，一般分为两类：一种是由加速器界仅提高常规大功率速调管电子束电压发展起来的是高阻抗速调管，其工作阻抗为1kΩ量级，通常采用热阴极。另一种则是与强流电子束相结合基于新颖聚束机制的低阻抗速调管，其工作阻抗接近或低于100Ω，也叫强流RKA，通常采用爆炸发射冷阴极。目前强流RKA在L、S波段到达GW级的高功率微波输出，但向更高频段(如X波段)发展时功率容量受到限制。而高阻抗RKA在X波段输出功率约100MW，能避免单个传输辐射系统功率容量受限的问题，同时具有高效率、高增益的优势，满足空间功率相干合成对微波源单元的需求，是高功率微波空间功率合成系统中极具潜力的器件之一。

由于高阻抗RKA工作电压高、输出功率大，在器件电子枪设计、高频结构优化以及防止输出腔高频打火、输出窗高频击穿等方面存在主要问题。而该类器件向X波段等高频段拓展时，由于器件径向尺寸小使得这些问题更加突出。目前主要由美国SLAC、与俄罗斯BINP合作的日本KEK开展了X波段11.424GHz速调管的研究。

1990年美国SLAC最早开始研究基于传统电磁聚焦的XC系列高阻抗RKA。受限于当时的技术水平转向以50MW、脉宽1500ns为目标的XL系列0。除了改进电子枪，优化TE01窗口、射频回路外，为了解决击穿问题提高转化效率，SLAC提出了采用多间隙行波输出腔替代单间隙输出腔的方案，并成功应用于XL4速调管，产生了75MW、脉宽1.1μs的微波输出，增益为55dB、效率为48％0。其中具代表性的XP3-4速调管在电子束电压为506kV，重复频率为120Hz，脉冲宽度1.62μs条件下，获得峰值功率75MW，效率53％，增益60dB，带宽100MHz0。

同样，在国际直线对撞机(NLC)项目的推动下日本KEK也进行了相关研究。为减小输出腔表面场强，KEK从XB72K6开始采用多间隙行波输出腔，其中采用4间隙行波输出腔的XB72K9速调管输出72MW，脉宽200ns，效率提高到31％0。2000年KEK与BINP合作开展周期永磁(Periodic Permanent Magnet，PPM)聚焦的11.424GHz速调管中PPM2、PPM4、PPM5的峰值功率达都到75MW，脉宽1.6μs【0。目前XB72K10峰值功率达到120MW，脉宽1.5μs，效率和增益分别为44％和53dB 0。

图1和图2分别给出了传统技术中X波段高阻抗RKA的典型结构和电磁聚焦系统。0图1包括电子枪阴极1、电子枪聚焦极2、电子枪阳极3、阳极外筒4、高频信号5、注入波导6、五段漂移管7(7a～7e)、五个谐振腔8(8a～8e)和同轴提取结构9(8a～8c)、支撑杆10(10a和10b)、收集极11、微波输出口12。图2是与电子枪匹配的电磁聚焦系统，包括螺线管1、屏蔽板2和主螺线管组3～7。其中，轴上开孔的屏蔽板2选用硅钢片材料；螺线管1、3～7采用漆包线绕制而成。螺线管1是一组在屏蔽板外的反线包，电流方向与其它组相反，可以调节电子枪区的磁场。