新型高效轴向提取相对论磁控管研究

The relativistic magnetron (RM） is a compact and lightweight high power microwave(HPM) source which has applications in various fields such as pulsed radar, plasma heating, and particle acceleration. This tube has become one of the most attractive lightweight HPM sources which make this tube of the hotspot in high power microwave community. A compact RM with novel compact axial output configuration is proposed based on the investigation of mode coupling principle for RM. This novel configuration is expected to reduce the magnetic excitation volume of RM significantly which means it can bring a more compact magnetic field-producing system. Thus, it can improve the compactness and practicality of RM.

相对论磁控管因具有高效、紧凑等优点而在脉冲雷达、等离子加热及粒子加速器等技术领域拥有广泛的应用前景.它作为最吸引研究者关注的轻小型化高功率微波源之一成为了高功率微波技术研究领域的一大热点。本项目拟在相对论磁控管工作模式耦合特性及轴向耦合输出机理分析的基础上，开展新型高效轴向输出相对论磁控管研究。通过项目研究，在保持相对论磁控管高转换效率的基础上大幅缩小器件励磁空间，降低引导磁体体积重量，促进相对论磁控管向轻小型化、实用化发展。

项目根据相对论磁控管电磁场场分布特点开展耦合输出机理分析，首次提出了基于多天线输出结构的新型高效磁耦合技术。基于六腔相对论磁控管阳极建立了多天线输出相对论磁控管数值模拟模型并开展了多天线输出相对论磁控管高频分析，结果表明其可以在不显著增加输出波导横向尺寸的情况下，实现效率超过90%的低阶波导模式耦合输出。完成了L波段多天线输出相对论磁控管粒子模拟仿真研究，结果表明其在不超过0.4T的引导磁场下可以得到47%的转换效率，在L波段能够得到模拟输出功率1.8GW。开展了多天线输出相对论磁控管实验研究，实验获得功率超过1.2GW、效率约25%的结果。以上数值模拟及实验研究结果均表明，本项目提出的多天线输出相对论磁控管能够将谐振腔内产生的超过GW的高功率微波以便于利用的低阶圆波导模式（TM01模或TE11模）高效提取出来，其输出结构横向尺寸由之前报道的轴向提取相对论磁控管的大于一个波长缩小到0.84波长，励磁区域横截面积降低到原来的2/3以下，大幅降低了引导磁体体积和重量，有力的促进了相对论磁控管器件的进一步轻小型化。