CN102522299A - 一种电磁带隙结构、电磁带隙高阻抗基板及平面行波管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁带隙结构。本发明的电磁带隙结构包括两组具有不同形状的金属封闭曲线，每组中的各金属封闭曲线形状相同、大小不同，两组金属封闭曲线由内向外依次交叠包围，同一组中相邻的两金属封闭曲线间距离等于该组中最内层金属封闭曲线距其所包围区域中心点的距离。本发明还公开了一种电磁带隙高阻抗基板及使用该基板的平面行波管。本发明的阻带带宽更大，阻带衰减更强，传输曲线边缘更陡直，可以更好的满足慢波结构对于微波频段的表面波抑制的要求，有效增强其耦合阻抗，增大其工作带宽；且制作工艺简单，不会增加现有平面结构的横向尺寸，有利于磁场设计。

Description

一种电磁带隙结构、电磁带隙高阻抗基板及平面行波管

技术领域

本发明涉及一种电磁带隙结构，属于物理电子学技术领域。

背景技术

慢波结构主要用在行波放大器、粒子加速器以及在电磁波与较低速度的波（如声波、静磁波等）相互作用的器件中，其作用在于使得互作用在较长距离与较长时间内持续进行。在该系统中，电磁波相速低于空间光速，使运动荷电子粒或低速波的能量有效地转换成电磁波的能量。

小型化、平面型行波管是减小行波管的制造成本、缩减体积和突破频率上限的主要途径。从构成行波管关键元部件与材料结构上开拓创新，可为快速研制小型化、平面型行波管探究一条可行之路。

平面行波管器件是将慢波结构加载在介质基板上进行波注互作用。但是介质基板的使用降低了慢波结构的耦合阻抗与工作带宽，并加大了损耗，从而使得平面结构的放大效果较差。电磁带隙结构可用于平面慢波结构基底，从而提高其耦合阻抗，减少损耗，增加其耦合效率，提高输出功率。电磁带隙结构（在光频领域称为光子带隙（Photonic Band Gap），在微波领域一般称为电磁带隙（Electromagnetic Band Gap，EBG））是一种人造周期结构，能够在电磁波波长量级上制作器件并限制其中电磁波运行方向。但现有的EBG结构，例如图1所示的EBG结构（图2为该结构的带隙图），必须在两个维度方向都进行周期排列，才能达到形成带隙的效果，这将会加大基板横向尺寸，增加基板面积，不利于制造小型化设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种电磁带隙结构，以及使用该电磁带隙结构的电磁带隙高阻抗基板，用于加载平面慢波结构，可提高其耦合阻抗，减少损耗，增加其耦合效率，提高输出功率，并且可仅在一维方向扩展，从而达到有效提高工作带宽并不增加平面慢波结构的横向尺寸的作用制作工艺简单。

本发明具体采用以下技术方案：

一种电磁带隙结构，包括两组具有不同形状的金属封闭曲线，每组中的各金属封闭曲线形状相同、大小不同，两组金属封闭曲线由内向外依次交叠包围，同一组中相邻的两金属封闭曲线间距离等于该组中最内层金属封闭曲线距其所包围区域中心点的距离。

优选地，所述两组金属封闭曲线的形状分别为方形和圆形。采用最简单的方形和圆形，可进一步简化制作工艺，降低成本。

进一步地，所述电磁带隙结构中的各金属封闭曲线通过至少一条金属带依次连接。从而达到改变电感的目的。如此，可在相同尺寸下，灵活调整结构的带隙中心频率与带隙范围。

一种电磁带隙高阻抗基板，用于加载平面慢波结构，所述电磁带隙高阻抗基板的背面设置有至少一个上述电磁带隙结构。

本发明中，可根据基板大小对所述电磁带隙结构，进行自由组合，例如，可以仅采用一个多重交叠的电磁带隙结构；也可采用多个相同或不同的电磁带隙结构在一维或者二维方向有序排列，各电磁带隙结构可以连接也可不连接；当然多个EBG结构也可无序排列。

根据本发明思路，还可得到一种平面行波管，包括基板和加载在该基板正面的平面慢波结构，所述基板为上述电磁带隙高阻抗基板。

本发明具有以下有益效果：

本发明的电磁带隙结构采用复合结构，实现了提高带宽的目的，对表面电磁波具有明显的抑制作用，与现有平面慢波技术结合，可有效的优化原有慢波结构的色散特性及耦合阻抗特性。

本发明的电磁带隙高阻抗基板可采用现有的电路刻蚀技术直接制作，工艺简单，成本低廉。

本发明的平面行波管与原有平面慢波系统相比，由于采用复合结构的电磁带隙高阻抗基板，在相同波段下，结构尺寸并无增加，且工作带宽明显增大，耦合阻抗也明显提高。

附图说明

图1是一种现有的电磁带隙结构示意图；

图2是现有电磁带隙结构的带隙图；

图3是本发明的一个电磁带隙结构的示意图，图中21、22、23分别为金属闭合曲线，31、32、33、34分别为连接金属闭合曲线21、22、23的金属带，11、12、13为空气或者介质；

图4是本发明的一个电磁带隙结构的带隙图；

图5是基板上表面加载的曲折线慢波结构；

图6是本发明的电磁带隙结构在基板背面一维排列示意图；

图7是本发明的电磁带隙结构在基板背面通过大小变化组合排列示意图；

图8本发明的平面行波管对耦合阻抗影响的计算图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的电磁带隙结构中两组金属封闭曲线的形状并无特定要求，只要两组之间形状不同即可。下面以分别为方形和圆形的两组金属封闭曲线所构成的电磁带隙结构为例来进行说明，采用此种结构，在制作时更为简单。

如图3所示，本实施例中的电磁带隙结构包括两组不同形状的金属封闭曲线，其中一组为方形的21、23，21和23的形状相同、尺寸不同；另一组为圆形的22；两组金属封闭曲线由内向外依次交叠包围；金属封闭曲线21、22、23通过金属带31、32、33、34相互连接；图中空白部分11、12、13为空气或者介质。从中心点出发，到金属封闭曲线21的距离为a，到金属封闭曲线23的距离为2a；金属封闭曲线22距离中心点的距离介于a-2a之间，其具体放置的位置，将会影响结构的带隙频率中心点与带隙范围。该电磁带隙结构还可以向内或向外扩展，连接各金属封闭曲线的金属带也可仅使用31、32、33、34中的一条或者另外设置。

根据光子晶体的理论，一维光子晶体的介质折射率在某一方向呈周期性高低分布时，在该方向上具有带隙特性。在微波领域，金属和空气的交替排列可看作这样一种这折射率周期性高低分布。高阻抗电磁表面EBG结构的周期大小远远小于工作波长，因此适合用集总电路元件（电容、电感）组成的等效LC并联谐振电路来描述其电磁特性。对于本专利描述的贴片型结构，电容C由两导体边缘的间隙形成；其电感L由连接导体之间的导线流过的多余磁通量决定。该结构的带宽由公式（1）给出：

                                           （1）

具体到本发明的电磁带隙结构，通过在第一组金属曲线内插入第二组金属曲线，改变了结构的电容和电感特性，从而可以增大带隙、更好的抑制表面波传播。将这样的结构用在基板背面，可以增强正面慢波结构的传输特性与耦合特性，更好的使其与电子注发生能量交换。

图4显示了上述电磁带隙结构的带隙图，图中横坐标为从0到360度的相移，纵坐标为频率，5条曲线从低到高分别代表模式1到模式5的色散曲线，两条虚线为以介质材料（介电常数10.2）中光速为基础的光线。模式1和模式2之间即为传输带隙，此处为不完全传输带隙，即某些范围的相移内该频率范围的波无法传播。从图中可见其带隙中心频率为18.75GHz，带隙范围为12.5GHz-25GHz，具有60%的带宽。而一般传统EBG所能提供的带宽仅为30-40%。

利用带有上述电磁带隙结构的基板可以得到本发明的平面行波管，图5显示了该平面行波管的正面，其表面加载有曲折线慢波结构，当然也可加载各种现有的其他慢波结构；图6和图7分别显示了该平面行波管背面两种不同的电磁带隙结构排列，正面和背面之间即为介质材料。图6显示了多个相同的电磁带隙结构进行一维有序排列的情况，图7显示了多个大小不同的电磁带隙结构进行一维有序排列的情况。本发明也可在图6或图7的一维有序排列基础上，在不同方向增加电磁带隙结构进行有序排列，从而构成二维有序排列；还可以直接采用无序排列。

为了验证本发明的效果，进行了以下实验：

采用介电常数为10.2的陶瓷介质基板，表面覆铜。在背面制作如图6所示的电磁带隙结构，在正面制作如图5所示的曲折线慢波结构，从而构成平面行波管。通过CST软件仿真，可计算出其耦合阻抗，与未在背面制作EBG的结构相比，其耦合阻抗得到了明显提升，如图8所示。其在中心频率为6GHz，工作带宽为5.5GHz-6.5GHz的范围内，耦合阻抗提升了1倍多。这充分说明了本发明可以用来提升慢波结构的耦合效率。

Claims (6)

1.一种电磁带隙结构，其特征在于，该电磁带隙结构包括两组具有不同形状的金属封闭曲线，每组中的各金属封闭曲线形状相同、大小不同，两组金属封闭曲线由内向外依次交叠包围，同一组中相邻的两金属封闭曲线间距离等于该组中最内层金属封闭曲线距其所包围区域中心点的距离。

2.如权利要求1所述电磁带隙结构，其特征在于，所述两组金属封闭曲线的形状分别为方形和圆形。

3.如权利要求1所述电磁带隙结构，其特征在于，所述电磁带隙结构中的各金属封闭曲线通过至少一条金属带依次连接。

4.一种电磁带隙高阻抗基板，用于加载平面慢波结构，其特征在于，所述电磁带隙高阻抗基板的背面设置有至少一个如权利要求1-3任一项所述电磁带隙结构。

5.如权利要求4所述电磁带隙高阻抗基板，其特征在于，所述电磁带隙结构为多个，且沿一维方向有序排列。

6.一种平面行波管，包括基板和加载在该基板正面的平面慢波结构，其特征在于，所述基板为权利要求4所述电磁带隙高阻抗基板。

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