CN103035460A

CN103035460A - 一种共面电磁带隙曲折线微波慢波结构

Info

Publication number: CN103035460A
Application number: CN2012105925936A
Authority: CN
Inventors: 柏宁丰; 谷磊磊; 孙小菡; 袁慧宇
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明公开了一种共面电磁带隙曲折线微波慢波结构，包括：介质基板，在介质基板上设有电磁带隙结构，所述电磁带隙结构是由呈周期排列的金属贴片构成的两维电磁带隙结构，通过平面曲折线结构连接金属贴片，且连接两金属贴片之间的平面曲折线应具有对称性。该结构利用电磁带隙在导带内导波，在禁带内禁波的特性，降低了基模的传输损耗，提高了慢波结构的耦合阻抗；可有效抑制返波振荡，提高了基模的耦合效率。同时，该结构可采用现有的微电路刻蚀技术直接在基板材料上制作相应结构，工艺简单。由于采用该结构，可有效抑制返波振荡，因此避免了采用集中衰减器带来的工艺复杂、降低基模耦合效率的缺点。

Description

一种共面电磁带隙曲折线微波慢波结构

技术领域

本发明涉及一种共面电磁带隙曲折线微波慢波结构，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。由于慢波结构为周期性结构，其电磁场也为周期电磁场，可分解为无数空间谐波。其中除了前向波（相速与群速相同），还有返向空间谐波（群速愈相速相反）。返向空间谐波的存在，降低了慢波结构放大微波信号的能力。为减小返向空间谐波对慢波结构放大微波信号性能的影响﹐需在慢波电路的一定位置上设置集中衰减器。集中衰减器由损耗涂层或损耗陶瓷片构成。在集中衰减器处﹐返向空间谐波被吸收﹐可达到消除反馈抑制振荡的目的。合理设计的集中衰减器，对工作模式的吸收远小于返向空间谐波。但对工作模式的吸收，将会降低放大效果。因此，衰减器的使用虽然很好的抑制了返向谐波的产生，但对微波工作波段传输也有一定的损耗。同时，衰减器是在基板材料与慢波电路之间的特定位置处，利用镀膜工艺建立涂层或者插入损耗陶瓷片，这就增加了工艺复杂性，不利于提高慢波结构的可靠性。

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。电磁带隙结构具有明显的通带与禁带，可以进行有效的选频设计。同时，利用微电子工艺，可以直接在基板材料上，通过刻蚀工艺形成电磁带隙结构。因此，将电磁带隙结构应用在慢波电路结构中，是实现小型化、平面化慢波电路的重要选项。

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，提供一种共面电磁带隙曲折线微波慢波结构，不仅制作工艺简单，还能有效的提高慢波结构的耦合阻抗，抑制返波振荡，增加耦合效率。

本发明具体采用以下技术方案：

一种共面电磁带隙曲折线微波慢波结构，包括：介质基板，在介质基板上设有电磁带隙结构，所述电磁带隙结构是由呈周期排列的金属贴片构成的两维电磁带隙结构，通过平面曲折线结构连接电磁带隙结构的格点，且连接两格点之间的平面曲折线应具有对称性。

本发明具有以下有益效果：

本发明结构通过曲折线连接电磁带隙结构，引入了电磁带隙结构的选频特性，提升了慢波结构的性能。曲折线连接电磁带隙格点，改变了电磁带隙结构的电容和电感特性，从而可以增大带隙。该结构利用电磁带隙在导带内导波，在禁带内禁波的特性，降低了基模的传输损耗，提高了慢波结构的耦合阻抗；设计电磁带隙结构的禁带包含返波振荡频率，可有效抑制返波振荡，避免电磁波能量的分散，提高了基模的耦合效率。同时，该结构可采用现有的微电路刻蚀技术直接在基板材料上制作相应结构，工艺简单。由于采用该结构，可有效抑制返波振荡，因此避免了采用集中衰减器带来的工艺复杂、降低基模耦合效率的缺点。

附图说明

图1是本发明共面电磁带隙曲折线结构单元示意图；

图2是本发明单元结构的侧视图；

图3是矩形金属贴片斜45度晶格电磁带隙结构及矩形曲折线组成的两单元示意图

图4是六角晶格电磁带隙结构的带隙图；

图5是慢波结构的色散比较图，比较分析了电磁带隙结构、曲折线结构、共面电磁带隙曲折线结构的色散；

图6是慢波结构的耦合阻抗比较图，比较分析了电磁带隙结构、曲折线结构、共面电磁带隙曲折线结构的耦合阻抗；

图7是输入信号的频谱图；

图8是信号经过曲折线结构后的频谱图；

图9是信号经过本发明结构后的频谱图；

图10是圆形金属贴片正方形晶格电磁带隙结构及弧形曲折线组成的两单元示意图

具体实施方式

一种共面电磁带隙曲折线微波慢波结构，包括：介质基板1，在介质基板1上设有电磁带隙结构，所述电磁带隙结构是由呈周期排列的金属贴片31构成的两维电磁带隙结构，通过平面曲折线结构2连接金属贴片。在本实施例中，所述平面曲折线结构2是U形曲折线、S形曲折线；所述金属贴片31为矩形金属块或圆形金属块；所述由金属贴片31组成的电磁带隙结构是正方形晶格或六边形晶格或斜45度晶格。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的平面慢波结构由曲折线和电磁带隙结构组成，曲折线可以是U形曲折线或S形曲折线；电磁带隙结构可以是正方形晶格或六边形晶格或斜45度晶格；电磁带隙结构的格点可以是矩形金属块或圆形金属块；电磁带隙格点部分或全部由曲折线相连。下面以U形曲折线和斜45度晶格电磁带隙结构矩形金属块加以说明。

如图1和图2所示，本实施例中的共面电磁带隙曲折线结构的一个最基本单元包括介质基板1、U形曲折线2、一个完整的电磁带隙格点31及两个半电磁带隙格点32。为保证单元具有周期性，因此处于边界处的电磁带隙格点32为半个格点。一个完全的慢波结构，由这样的一个基本单元在一维方向上复制。

U形曲折线2、一个完整的电磁带隙格点31及两个半电磁带隙格点32均贴附于介质基板之上。图2给出了图1的侧视图。

图3给出了由2个基本单元组成的慢波结构示意图。图中虚线框表示一个基本单元，基本单元I和基本单元II组成了2个周期的慢波结构。基本单元I和基本单元II连接处的两个半格点32组成了一个完成格点31。

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12.5GHz，带隙范围为10GHz-15GHz。

利用带有上述共面电磁带隙曲折线结构构成慢波电路，图5给出了慢波结构的色散比较图，比较分析了电磁带隙结构、曲折线结构、共面电磁带隙曲折线结构的色散特性。可见单纯的电磁带隙结构色散特性较差，相速较高，不利于与电子注的互作用。采用本发明的结构，其色散特性与曲折线色散特性相近，变化较小。图6给出了慢波结构的耦合阻抗比较图，比较分析了电磁带隙结构、曲折线结构、共面电磁带隙曲折线结构的耦合阻抗。可见采用本发明结构的耦合阻抗比传统曲折线结构有了显著提高。

图7给出了输入4GHz小信号的频谱；图8和图9分别显示了输入4GHz小信号后，经过60个周期的曲折线微波慢波结构与本发明所示慢波结构，与电子注进行互交换后信号得频谱。可见，经过传统曲折线结构信号存在明显的返波振荡（8GHz处出现了返波信号），而由于本发明结构设计得电磁带隙禁带包括返波频率在内，所以抑制了返波振荡，其频谱只有输入信号频谱，且功率有了明显放大。

图10给出了本发明的另一种结构示意图，由2个基本单元组成。晶格为正方晶格，曲折线为S形曲折线，格点为圆形金属块。

Claims

1.一种共面电磁带隙曲折线微波慢波结构，包括：介质基板（1），在介质基板（1）上设有电磁带隙结构，所述电磁带隙结构是由呈周期排列的金属贴片（31）构成的两维电磁带隙结构，通过平面曲折线结构（2）连接金属贴片。

2.如权利要求1所述微波慢波结构，其特征在于，所述平面曲折线结构是U形曲折线或S形曲折线。

3.如权利要求1所述微波慢波结构，其特征在于，所述由周期排列的金属贴片（31）组成的电磁带隙结构是正方晶格或六边形晶格或斜45度晶格。

4.如权利要求1所述微波慢波结构，其特征在于，所述由金属贴片（31）可以是矩形金属贴片或圆形金属贴片。