[發明專利]一種具有全向輻射能力的相對論磁控管輸出結構

有效

• 申請號: 202010325721.5
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111524770B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 李浩;羅鳴;汪海洋;胡標;李天明;何超雄
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01J23/48
• 分類號: H01J23/48;H01J25/55
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 鄧黎

本發明公開了一種具有全向輻射能力的相對論磁控管輸出結構，屬于微波技術領域。該結構包括依次連接的第一過渡段、帶脊同軸波導、第二過渡段、輻射結構，通過第一過渡段、帶脊同軸波導、第二過渡段將相對論磁控管過渡到輻射結構。輻射結構通過切割波導壁上的角向電流激勵縫隙單元，縫隙單元與軸線呈一定夾角，從而實現電磁波的輻射。本發明解決了基于相對論磁控管的高功率微波輻射系統結構復雜、輸出功率低、磁場線圈龐大、存在模式跳變風險等問題。

技術領域

本發明屬于微波技術領域，涉及一種緊湊的相對論磁控管能量輸出結構。

背景技術

近年來，得益于飛行器控制與導航制導等技術的快速發展，無人機技術不斷升級。無人機具有高度敏捷性、高度殺傷力、低廉的成本等優勢受到各國軍方極力追捧。由于無人機敏捷性的提高與進一步的微型化，使用傳統武器難以對其進行有效攻擊。高功率微波武器得益于其較寬的波束與光速傳播，可以增大攻擊范圍，縮減攻擊時間。傳統的反無人機高功率微波系統通常需要先使用雷達對目標進行定位，再使用伺服系統將天線輻射方向對準目標，同時進行高功率微波發射。無人機通過貼近地面飛行或者微型化以避免雷達的探測，以機群攻擊的方式增大防御難度，這對要地安全造成了巨大威脅。

本發明所提出的具有全向輻射能力的磁控管衍射輸出結構可以解決無人機難以防御的問題，通過在被保護區域中心部署具有全向輻射能力的高功率微波系統，形成一個禁空區域，在該區域內，通過前門耦合或后門耦合進入的高功率微波可以擾亂甚至破壞無人機導航系統和控制系統，使其喪失作戰能力。

傳統相對論磁控管的能量輸出方式為徑向提取。徑向提取法通過縫隙將腔體內的電磁波耦合至輸出波導，該提取方式可輸出MW級別的功率。由于該能量輸出方式其具有較長的研究歷史，其技術相對成熟，有較高的效率和輸出功率。但是該輸出結構還可以進行諸多改進，連接于腔體的徑向輸出波導占據了原工作磁場的位置，所以需要在輸出波導兩側放置較大的Helmholtz線圈以產生KGs量級的軸向均勻磁場。線圈的增大導致相對論磁控管重量與成本的增加；在輸出功率較大的情況下，耦合縫隙也存在擊穿風險。同時，單腔徑向提取破壞了相對論磁控管內部場的對稱性，由此所引發模式跳變風險也不利于相對論磁控管工作狀態的穩定。近年來，軸向全腔提取與衍射輸出的提出進一步提升了相對論磁控管的輸出功率。軸向全腔提取最早由美國空軍的Greenwood A D提出，通過在相對論磁控管多個腔體上開縫隙，將電磁波耦合至軸向的扇形波導，再通過模式變換將輸出的電磁波轉換為所需的模式進行輻射。國防科技大學的史迪夫等人使用軸向全腔提取技術，在335KV，0.4T的環境下，獲得436MW的輸出功率，效率為25.3％；中國工程物理研究院的王冬等學者在600KV，6.3KA的環境下，使用軸向全腔提取技術獲得1.89GW的功率輸出，效率為50％。衍射輸出最早由V.E.Nechaev等人提出，相對論磁控管軸向連接漸變結構，將電磁波直接輸出至圓波導。該輸出方式的輸出功率達GW級，且工作模式穩定，不易發生模式跳變。日本長岡工業大學的M.Daimon等學者將該輸出結構的效率從3％提高至37％，并在400KV，7.1KA的環境下，使相對論磁控管達到1.05GW的輸出功率；新墨西哥大學的Edl Schamiloglu等學者通過改進衍射輸出結構，將衍射輸出的電子效率提升至90％。

國內外關于具有輻射能力的相對論磁控管輸出結構的研究比較少，主要包括兩種方式。其一是新墨西哥大學Mikhail I.Fuks教授等人，他們的研究重點是利用衍射輸出結構提高磁控管的工作效率和功率指標，在輻射方面則直接使用衍射輸出圓波導輻射電磁波，其輻射方向圖既有空心波束，也有筆狀波束。其二是國內學者提出通過模式轉換結構首先完成提取模式到波導基模的轉換，而后外接喇叭天線進行輻射。該輸出方式輻射的筆狀波束具有較強的定向輻射能力，這是現階段的高功率微波系統使用的主要技術方案。

上述衍射輸出系統的輻射方向均為筆形或類筆形波束，在定向輻射方面具有較好的應用前景，但不能較好地滿足要地防護等需要全向輻射能力的應用需求，所以，對具有全向輻射能力的高功率微波系統進行研究具有重要意義。

發明內容