一种非均匀周期相速跳变速调管

本发明涉及放大器，具体涉及是一种非均匀周期相速跳变速调管。

背景技术：

1、扩展互作用速调管一般由若干个互作用间隙、束通道和耦合腔构成，是两端短路的慢波器件。扩展互作用的梯形慢波结构主要有三种，即贯通耦合槽结构、交错耦合槽结构和双交错耦合槽结构，该拓扑结构对装配要求和技术加工要求较低，因此在设计和实现上较为灵活，更容易实现重量轻、结构紧凑、易于加工等工程需求。发展具有工程实用性的新型紧凑太赫兹真空电子器件源在医学成像、通信、高能粒子加速器、雷达等方面具有重要作用。

2、自上世纪八十年代以来，国内外多家机构对扩展互作用器件开展了一系列研究，如美国海军实验室、加拿大cpi公司。在扩展互作用速调管的研究基础上，“太赫兹频段扩展互作用振荡器研究”提出一种矩形重入耦合腔，对慢波结构的色散特性进行研究，采用等效电路的方法研究谐振腔的电磁特性，利用运动学理论、电子圆盘模型、matlab软件研究了器件的注-波互作用，此外还进行了模拟和实验研究。

3、中物院提出一种可调谐的四腔扩展互作用速调管，平均输出功率达400w，3db带宽接近200mhz。

4、“w波段带状注扩展互作用速调管放大器的理论研究与数值模拟”提出一种四个三间隙均匀谐振腔的结构，横向工作在tm110模式，纵向工作为2π模式，在94.47ghz处输出5773w功率，增益为37.6db，电子效率为8.46％，3db带宽140mhz。

5、公布号为cn117747382a的中国专利公开了一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其中的长间隙和短间隙采用相同间距的形式进行均匀周期排布，较难实现在有限的长度下达到比较高的效率，实现稳定的高功率的输出。

技术实现思路

1、本发明针对以上问题，提供一种非均匀周期相速跳变速调管。

2、采用的技术方案是，一种非均匀周期相速跳变速调管，包括输入波导、输出波导、耦合腔、电子束通道、第一间隙组和第二间隙组；

3、所述输入波导和输出波导分别设于耦合腔两端；

4、所述第一间隙组内设置有若干第一间隙，第二间隙组内设置有若干第二间隙，且第一间隙和第二间隙交错排列设置在耦合腔的下表面上，且第一间隙和第二间隙的轴向宽度相同，第一间隙和第二间隙的长度存在差异，且第一间隙和第二间隙之间的距离沿电子流动方向呈减小趋势；

5、所述电子束通道穿过第一间隙和第二间隙。

6、可选的，第一间隙组内的第一间隙长度均相等，所述第二间隙组内的第二间隙长度均相等。

7、可选的，第一间隙和第二间隙的轴向宽度取值范围为p/3～p/2，其中p为行波腔对应的输出腔周期长度。

8、可选的，p满足，p＝nve/f，其中n为模式系数，ve为电子速度，f表示速调管的中心工作频率。

9、可选的，电子束通道的直径大于第一间隙和第二间隙间的间隙宽度，且小于行波腔对应的输出腔周期长度。

10、可选的，所述第一间隙的数量设置为21，所述第二间隙的数量设置为22。

11、可选的，应用于行波腔工作模式，采用行波模式的基模tm11模式，通过矩形波导传输公式f＝c/2gx其中f为电磁波频率，c为真空中光速，gx为间隙的x方向尺寸，确定中心频率范围，联合电磁仿真解析的方法得出其中心频率和带宽，结果为f0；

12、通过电子的运动方程，可以得到电子经过间隙时运动方程为：

13、

14、其中d为第一间隙和第二间隙的间隙宽度，漂移段的距离设为l，周期长度p＝d+l，相位为φi，对上式进行积分处理可以得到电子的速度和位移方程分别是：

15、

16、同时带入间隙电压比和间隙渡越角将上面两个式子进行化简，其中得到电子的速度和相位方程分别是：

17、ui+1＝ui-εiui(cosφi+1-cosφi)；

18、θdi＝(1+εicosφi)(φi+1-φi)-εi(sinφi+1-sinφi)；

19、当电子经过漂移段时，可以得到电子的速度和相位分别是：

20、ui+1＝ui；

21、

22、结合上式，电子的速度和相位为：

23、

24、其中电子速度方程为开普勒方程的解，jn为勒让德函数，ξi为相位开普勒方程所确定的相位量，z为轴向坐标，t为时间，e为电子带电量，m为电子质量，v为间隙电压，di为第i个间隙的z向宽度，φ为电子相位，δ为电子初相位，ω为角速度，进而通过能量守恒，电子的理论转换效率表示为：

25、

26、本发明的有益效果为；

27、1、提出了一种非均匀周期相速跳变速调管，工作在行波状态下以获得更宽的频带，应用相速再同步技术，采用非均匀结构，使得电子速度和高频信号速度同步，得到比较大的功率输出，提高电子效率；

28、2、采用交错排列的第一间隙和第二间隙，间隙之间的距离沿电子流动方向逐渐减小，也就是漂移段的距离减少使得电子速度和高频信号的速度同步；

29、3、采用行波的工作方式，在有限的长度下达到比较高的效率，实现稳定的高功率的输出。就工作参数而言，能够在w波段工作，在17600v，1a条件下输出kw级功率；

30、4、与传统扩展互作用速调管相比，在一定工作长度下，由于非均匀周期的相速再同步，极大地提高了速调管的输出功率和效率，使得整个一种非均匀周期相速跳变速调管达到比较高的效率。

技术特征：

1.一种非均匀周期相速跳变速调管，其特征在于，包括输入波导(1)、输出波导(2)、耦合腔(3)、电子束通道(4)、第一间隙组和第二间隙组；

2.根据权利要求1所述的一种非均匀周期相速跳变速调管，其特征在于，所述第一间隙组内的第一间隙(5)长度均相等，所述第二间隙组内的第二间隙(6)长度均相等。

3.根据权利要求1所述的一种非均匀周期相速跳变速调管，其特征在于，所述第一间隙(5)和第二间隙(6)的轴向宽度取值范围为p/3～p/2，其中p为行波腔对应的输出腔周期长度。

4.根据权利要求3所述的一种非均匀周期相速跳变速调管，其特征在于，所述p满足，p＝nve/f，其中n为模式系数，ve为电子速度，f表示速调管的中心工作频率。

5.根据权利要求4所述的一种非均匀周期相速跳变速调管，其特征在于，所述电子束通道(4)的直径大于第一间隙(5)和第二间隙(6)间的间隙宽度，且小于行波腔对应的输出腔周期长度。

6.根据权利要求1所述的一种非均匀周期相速跳变速调管，其特征在于，所述第一间隙(5)的数量设置为21，所述第二间隙(6)的数量设置为22。

7.根据权利要求1所述的一种非均匀周期相速跳变速调管，其特征在于，应用于行波腔工作模式，采用行波模式的基模tm11模式，通过矩形波导传输公式f＝c/2gx，其中f为电磁波频率，c为真空中光速，gx为间隙的x方向尺寸，确定中心频率范围，联合电磁仿真解析的方法得出其中心频率和带宽，结果为f0；

技术总结本发明涉及放大器技术领域，具体涉及一种非均匀周期相速跳变速调管，包括输入波导、输出波导、耦合腔、电子束通道、第一间隙组和第二间隙组；输入波导和输出波导分别设于耦合腔两端；第一间隙组内设置有若干第一间隙，第二间隙组内设置有若干第二间隙，且第一间隙和第二间隙交错排列设置在耦合腔的下表面上，且第一间隙和第二间隙的轴向宽度相同，第一间隙和第二间隙的长度存在差异，且第一间隙和第二间隙之间的距离沿电子流动方向呈减小趋势，电子束通道穿过第一间隙和第二间隙，这样工作在行波状态下以获得更宽的频带，应用相速再同步技术，采用非均匀结构，使得电子速度和高频信号速度同步，得到比较大的功率输出，提高电子效率。技术研发人员：徐彻,毛程,卢佳妮,唐先锋受保护的技术使用者：西南交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14