一种新型的TEM模式衍射输出相对论磁控管及方法

本发明属于高功率微波，尤其涉及一种新型的tem模式衍射输出相对论磁控管及方法。

背景技术：

1、相对论磁控管是一种重要的高功率微波源，按耦合输出方式大致可分为径向提取和衍射输出相对论磁控管，而衍射输出相对论磁控管的谐振系统和微波输出系统依次沿轴向分布，这样减小了磁场聚束系统的径向尺寸，更容易实现永磁包装，具有紧凑和小型化的潜力。然而，衍射输出相对论磁控管也面临着如何实现低阶模式输出的问题。近些年，国内外相关的科研工作者针对这个问题提出了几种低阶模式衍射输出相对论磁控管，但是难以同时兼顾功率容量和耦合效率。

2、早期，新墨西哥大学的研究团队提出了一种te11模式衍射输出相对论磁控管，它是通过一对对称的谐振腔耦合微波，其两谐振腔耦合的微波保持相同相位，传输到圆波导形成线极化te11模式【christopher leach,sarita prasad,mikhail i.fuks,and edlschamiloglu,“compact relativistic magnetron with gaussian radiation pattern,”in ieee transactions on plasma science,vol.40,no.11,pp.3116–3120,nov.2012,doi:10.1109/tps.2012.2212910】。由于只通过部分谐振腔提取微波，与全腔输出结构相比，其输出系统的微波耦合效率大幅地降低了，影响了整个器件效率。随后，中国应用物理与计算数学研究所在此基础上提出了一种改进型的te11模式衍射输出相对论磁控管，采用两对对称的谐振腔耦合微波，输出两对微波的相位相差90°，传输到圆波导激励起圆极化te11模式【w.yang,y.dong,h.sun,y.yang,and z.dong,“an improved compact and high-efficiency relativistic magnetron with te11 mode radiation,”ieeetrans.electron devices,vol.68,no.11,pp.5841–5845,nov.2021】。这种改进型的te11模式衍射输出相对论磁控管增加了耦合腔的数量，但仍然只通过部分谐振腔提取微波，同样限制了耦合效率。值得指出的是，上述两种输出结构均是通过腔体耦合，保证了足够的功率容量。

3、电子科技大学的研究团队近年来提出了一种tem模式衍射输出相对论磁控管，在谐振系统建立起的高频场通过全腔耦合到脊圆波导，再通过与同轴波导内导体连接的金属杆激励起tem模【c.he,t.li,r.cheng,h.wang,h.li,y.zhou,k.wang,ghannouchi f m,andhu b,“compact l-band relativistic magnetron with diffraction output of temmode,”ieee trans.electron devices,vol.66,no.12,pp.5327–5332,dec.2019】。由于脊圆波导与同轴波导通过金属杆连接，在高功率的情况下存在微波击穿的风险，限制了相对论磁控管的功率容量。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的基模衍射输出相对论磁控管不能同时兼顾耦合效率和功率容量，因此设计一款新型的基模衍射输出相对论磁控管是有必要的。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型的tem模式衍射输出相对论磁控管及方法，旨在解决现有的tem模式衍射输出相对论磁控管不能同时兼顾功率容量和耦合效率的问题。

2、本发明是这样实现的，一种新型的tem模式衍射输出相对论磁控管，所述相对论磁控管采用衍射输出的方式，输出结构包括渐变耦合结构和tem模式转换器；

3、所述渐变耦合结构由加载脊的径向渐变波导构成，其外半径逐渐增大，一端与谐振系统相连，另一端与tem模式转换器相连；该内部结构设置有渐变的脊，与谐振系统相连一端的脊半径和谐振腔半径一致，而与tem模式变换器相连的脊半径与脊圆波导的脊半径相同。谐振系统建立的微波由渐变耦合结构全腔耦合输出；

4、所述tem模式转换器由脊圆波导、模式转换渐变结构和同轴波导构成，其模式转换渐变结构是连接脊圆波导和同轴波导的过渡结构，一端与与脊圆波导相连，另一端与同轴波导相连。耦合到脊圆波导的高阶模式通过tem模式转换器实现tem模式输出。

5、进一步，所述渐变耦合结构的腔体与谐振系统的腔体分布相同，渐变耦合结构的每一个腔体对应了谐振系统的腔体，均耦合微波，即采用全腔耦合。

6、进一步，脊圆波导、模式转换渐变结构以及同轴波导具有相同的外半径。

7、进一步，模式转换渐变结构与脊圆波导在角向上具有相同脊的分布，而在径向上，一组相间的脊的高度逐渐变小，直到同轴波导，其脊的高度减小为零，与渐变的内导体形成微波通道，另一组相间的脊嵌入到渐变的内导体中，再与同轴波导的内导体相连。

8、进一步，所述渐变的内导体为圆台结构，靠近脊圆波导的半径小于靠近同轴波导的半径。

9、本发明的另一目的在于提供一种新型的tem模式衍射输出相对论磁控管的tem模式衍射输出方法，包括：

10、(1)谐振系统建立的π模场通过全腔耦合进入渐变耦合结构，然后进入脊圆波导激励起高阶tem1模式(m＝n/2，n为谐振腔数)；

11、(2)当微波传播到模式转换渐变结构时，相邻两个腔体的微波场汇入到同一个通道；

12、(3)相邻两个腔的相位相差180°，且渐变的内导体改变了其边界条件，使角向电场扭转为径向电场，并且每一个通道输出的微波具有相同相位，最终传播到同轴波导转换成tem模式。

13、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

14、第一，本发明提出了一种新型tem模式衍射输出相对论磁控管，在输出结构中采用了渐变结构的模式转换器，与金属杆结构相比，增加了功率容量；同时，采用全腔耦合微波，与部分腔提取微波相比，提高了耦合效率。因此，本发明的衍射输出相对论磁控管同时兼顾了基模输出、功率容量和耦合效率。

15、本发明的耦合结构和模式变换器均采用腔体方式保障足够的功率容量，按500kv/cm的微波击穿阈值计算，该相对论磁控管能够承载的最大微波功率可以达到6gw。同时，采用全腔耦合微波保障了耦合效率。

16、第二，衍射输出相对论磁控管以渐变式开放腔作为微波输出结构，延续了谐振系统的轴对称性，即没有破坏谐振系统中高频场的对称性，若采用全腔耦合能够保持较高的耦合效率。在早期的衍射输出结构中，全腔耦合输出的高频场引导到圆波导，输出模式为圆波导高阶模式ten1，因此衍射输出结构中的圆波导必须采用过模波导。这样导致了衍射输出结构也存在两个问题：(1)过模圆波导不利于输出结构的紧凑化和小型化，尤其在低频段，l或s波段；(2)输出的圆波导高阶模式ten1向基模(tem模或te11模)转化时，会遇到很大的困难，限制了衍射输出相对论磁控管的应用。因此，衍射输出相对论磁控管如何实现基模输出一直是研究热点。前期，相关的科研人员提出了采用部分腔耦合微波实现了te11模式输出，但与全腔耦合，牺牲了相对论磁控管的耦合效率。为了在全腔耦合的条件下，实现基模衍射输出，电子科技大学相关研究团队提出了一种tem衍射输出相对论磁控管，由于在模式转换结构中采用了金属杆连接，限制了其功率容量。纵观现有的基模衍射输出相对论磁控管没有兼顾耦合效率和功率容量，一直困扰着衍射输出相对论磁控管的实际应用。本发明提出了一种新型的tem模式衍射输出相对论磁控管，不仅采用全腔耦合微波，而且在模式转换结构采用了渐变的腔体结构确保足够的功率容量，解决了目前基模衍射输出相对论磁控管不能同时兼顾耦合效率和功率容量的问题。

17、第三，本发明解决的现有技术的技术问题以及获得的显著的技术进步可以表述如下：

18、解决的现有技术问题：

19、1)输出效率问题：传统的相对论磁控管在微波信号的输出过程中，往往存在输出效率不高的问题，导致能量浪费和设备性能受限。

20、2)模式转换难题：在微波信号的传输和应用中，通常需要将信号从一种模式转换为另一种模式。然而，传统的模式转换器往往结构复杂，转换效率低，且容易引入额外的损耗。

21、3)耦合结构的不完善：传统的耦合结构在微波信号的传输过程中存在耦合不均匀、能量泄露等问题，影响信号的质量和稳定性。

22、获得的显著的技术进步：

23、1)提高输出效率：本发明通过采用衍射输出的方式，结合渐变耦合结构和tem模式转换器，实现了微波信号的高效输出。这种设计有效减少了能量损失，提高了设备的整体效率。

24、2)优化模式转换：本发明中的tem模式转换器能够将微波信号从一种模式高效地转换为tem模式，转换过程简单、稳定，且转换效率高。这为微波信号的后续传输和应用提供了便利。

25、3)改善耦合结构：本发明中的渐变耦合结构通过逐渐变化的脊设计，实现了微波信号的均匀耦合和稳定传输。这种设计有效减少了能量泄露和信号失真，提高了信号的质量和稳定性。

26、4)结构创新：本发明的整体结构设计独特，结合了谐振系统、渐变耦合结构和tem模式转换器等多个组件，形成了一个高效、稳定的微波信号产生、传输和转换系统。这种创新的结构设计不仅提高了设备的性能，也为微波电子学领域提供了新的解决方案。

27、综上所述，本发明通过解决现有技术中的输出效率、模式转换和耦合结构等问题，实现了显著的技术进步和创新。这种新型的tem模式衍射输出相对论磁控管在微波电子学领域具有广泛的应用前景和市场潜力。