[发明专利]一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器

说明书

本发明属于高功率微波技术领域，公开了一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，包括阴极座201、阴极202、阳极外筒203、内导体204、注入腔205、第一反射腔206、第一群聚腔207、第二反射腔208、第二群聚腔209、第三反射腔210、提取腔211、锥波导212、反馈环213、电子束收集极214、支撑杆215、微波输出口216、螺线管磁场217和注入波导218，整体结构关于中心轴线旋转对称。本发明通过对器件电磁结构的合理设计，克服了现有三轴相对论速调管放大器中侧向双端口注入结构复杂、非旋转对称模式自激振荡难以从物理机理上完全抑制等缺点，且具有良好的锁频锁相特性，对于高功率微波空间相干功率合成所需的类似速调管放大器设计具有重要的借鉴意义。

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器(Triaxial Relativistic Klystron Amplifier,TRKA)。

背景技术

高功率微波(High Power Microwave,HPM)通常是指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波。高功率微波源是高功率微波系统的核心部件，它通过器件内部特殊的电磁结构将强流相对论电子束的能量转化为微波能量，进而通过发射天线产生定向的高功率微波辐射。追求高的输出微波功率是高功率微波技术领域的主要发展方向，但是随着输出微波功率的增加，高功率微波源内的射频场强显著升高，容易引起射频击穿、脉冲缩短等物理瓶颈问题。尽管通过采用过模结构、金属表面处理工艺、硬管化技术等能够在一定程度上提高高功率微波源的功率容量，但是这些措施对微波功率的提升幅度非常有限。为实现数十GW甚至是上百GW的HPM输出，研究人员提出了利用多个具有锁频锁相特性的高功率微波源进行空间相干功率合成的技术路线。通过相干功率合成，N个具有锁频锁相特性的HPM源能够在远场产生N²倍的等效微波能量输出。相干功率合成路线能够通过增加HPM源的数量弥补单个HPM源输出功率的不足，因此这一技术路线并不要求参与合成的单个HPM源输出功率非常高，这样既能够避免单个器件出现射频击穿等物理问题，又能够显著提升整个系统的等效辐射功率，因而成为目前高功率微波技术的重要发展方向之一。

三轴相对论速调管放大器(Triaxial Relativistic Klystron Amplifier,TRKA)是一种基于电子束分布调制的高功率微波源器件，其利用相互独立的同轴谐振腔结构实现电子束的调制、能量转换和微波提取，具有锁频锁相特性，为高频段(X及以上波段)、高功率、锁频锁相微波源器件的研究提供了一种有效的技术途径，得到了高功率微波技术领域的广泛关注。然而，TRKA的进一步发展受限于一些固有的物理问题，主要表现在以下三个方面：

1.同轴结构中的TEM模无法截止，相邻同轴谐振腔间的TEM模式能量泄露将会干扰甚至破坏正常的束波相互作用；

2.根据TRKA的工作原理，同轴漂移管仅能截止器件的工作模式(TM₀₁模)，然而低阶的非旋转对称TE模式仍能够在漂移管中传播。TE模式的能量耦合将会导致非旋转对称模自激振荡，最终导致器件输出脉冲缩短甚至完全无法工作；

3.为实现单管GW级的HPM输出，TRKA的电子束中心半径随工作频率的升高而显著增大。随着电子束中心半径的增大，非旋转对称杂模的数量将会急剧增多；同时非旋转对称模的模式隔离度会显著缩小，因此非旋转对称杂模的抑制会更加困难。