CN105161390B - 新型超常材料高功率微波源 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种新型超常材料高功率微波源，属于真空电子技术、粒子物理和加速器领域。该发明包括：阴极、慢波结构、分别位于慢波结构两端的同轴波导耦合能量输出装置及收集极组件。本发明所涉及的慢波结构远小于同频率的矩形波导的尺寸，实现了器件的小型化，因而易于与半导体器件集成；所提出的同轴波导耦合能量输出装置在较宽的频带内具有良好的传输特性和较低的反射，保证了信号的高效耦合输出；另外，该新型微波辐射源具有高功率输出的优点，脉冲功率可达兆瓦量级。

Description

新型超常材料高功率微波源
技术领域
本发明属于真空电子技术、粒子物理和加速器领域，具体涉及一种新型带状注/多电子注超常材料(metamaterial)高功率微波源，该发明具有高功率、高效率、小型化、加工简单以及易于与半导体器件集成等诸多优点。
背景技术
在微波频段，相对于半导体器件，真空电子器件虽然具有高功率、高效率等显著的优点，但同时具有体积大、重量重、一致性差等缺点。因而随着半导体器件的快速发展，真空电子器件如行波管、返波管、速调管、磁控管等在通讯、雷达、制导、电子对抗、微波加热、加速器、受控热核聚变等领域面临着巨大的挑战。因此，真空电子器件急需向小型化方向发展、同时需要进一步提高功率，以应对来自半导体器件的挑战。相对于传统的真空电子器件，带状注超常材料高功率微波源同时具有带状电子注和超常材料的优点：其一，超常材料的谐振特性使得超常材料慢波结构具有很高的耦合阻抗，因而使得该类微波源具有高功率和高效率。其二，加载超常材料的方金属波导可以工作在空波导的截止频率之下，因此结构尺寸将大大减小，有利于实现小型化。其三，带状电子注可以以较小的尺寸传输大电流，有利于进一步提高真空电子器件的输出功率。其四，带状电子注还有利于扩大互作用区域，因而可以进一步提高真空电子器件的效率。带状注/多电子注超常材料高功率微波源由于同时具有超常材料和带状电子注的优点，在未来与半导体器件在更高频段(如毫米波和太赫兹频段)的竞争中具有明显的优势，因而引起了学者们越来越多的关注。
2005年，西班牙学者Esteban等提出了一种加载二维金属杆阵列(一种超常材料)的矩形波导，从原理上说明了该波导可以传播准TM波(J.Esteban,et al,IEEETrans.Microwave Theory Tech.,53(4),1506-1514,2005)。但由于该结构没有天然的电子注通道、其互作用效率低，因而不能应用于真空电子器件中。2014年，中国学者段兆云等提出了一种电互补的谐振单元结构(Complementary Electric Split Ring Resonator(CeSRR)，一种单负介电常数超常材料)，如图1所示，该结构不仅能传播准TM波、同时具有天然的带状电子注通道(Z.Y.Duan,et al,Phys.Plasmas,21(10),103301,2014)。另外，该结构具有很高的耦合阻抗(如图2所示，在750欧姆以上)，远大于S波段的螺旋线(大约100-200欧姆)和耦合腔(大约300-400欧姆)的耦合阻抗。但是该工作仅在理论上分析了超常材料慢波结构的高频特性，并没有进行注波互作用非线性效应的研究，同时没有涉及与之相关的能量输出装置、阴极、收集极等相关部件的具体研究，仅从理论上预言了其可作为一种高功率微波源。因此，该背景技术重点研究慢波结构，仅是高功率微波辐射源的一个组件。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的不足，同时利用带状电子注/多电子注的优点，创造性地提出了一种可实现的新型超常材料高功率微波源。该微波源具有高功率、高效率、小型化、加工简单以及易于与半导体器件集成等优点。
本发明所采用的技术方案是：一种新型超常材料高功率微波源，包括：阴极、慢波结构、分别位于慢波结构两端的同轴波导耦合能量输出装置及收集极组件，其特征在于：
所述慢波结构包括方波导、固定于方波导内腔中央位置的超常材料。
所述同轴波导耦合能量输出装置包括耦合波导组件和同轴波导组件。
所述耦合波导组件包括矩形耦合波导、位于耦合波导一端的波导挡板及位于另一端固定连接耦合波导与方波导的波导连接法兰。
所述同轴波导组件包括同轴探针、同轴介质、介质固定筒和输出转接筒。
所述矩形耦合波导的一侧面中心位置开有一圆孔，圆孔外侧嵌入介质固定筒，介质固定筒另一端嵌入输出转接筒；所述介质固定筒内填充有同轴介质；所述同轴探针一端固定连接超常材料，另一端穿过同轴介质。
所述波导挡板开设有用于电子注通过的四棱锥的方孔；所述阴极位于方孔外侧。
所述收集极组件包括收集极、用于固定收集极与方波导的收集极固定筒。
所述超常材料两端各超出方波导四分之一个超常材料单元周期长度，以此实现信号的高效耦合输出。
所述波导挡板与耦合波导之间设有用于调节方孔位置的可调垫片。
所述同轴介质的材料为聚四氟乙烯。
所述同轴介质分为外径不同的两段，其中靠近耦合波导圆孔的一段同轴介质的外径大于另一段。
所述输出转接筒为一端带法兰的圆柱形筒，输出转接筒外接标准同轴接头，用于信号输出。
本发明的解决方案是在背景技术的基础之上，创造性地提出了一种新型超常材料高功率微波源，该微波源具有以下的优点：
1、本发明同时具有高功率、高效率、小型化、加工简单以及易于与半导体器件集成等诸多优点。
2、在较宽的频带内(2.85GHz-2.95GHz)具有良好的传输特性和较低的反射，保证了信号的高效耦合输出。
3、实现了器件的小型化，慢波结构的尺寸(14.5mm×14.5mm)远小于S波段的BJ-26矩形波导的尺寸(86.36mm×43.18mm)，易于与半导体器件集成。
4、具有高功率输出的优点，脉冲功率可达兆瓦量级。
5、该微波源既可以作为信号产生器又可以作为信号放大器。
附图说明
图1超常材料的单元结构图(X-Z剖视图)；
图2耦合阻抗随频率的变化图；
图3新型超常材料高功率微波源的结构图(X-Z剖视图)，该结构的中轴线与坐标轴Z轴重合，下同；
图4新型超常材料高功率微波源的结构图(Y-Z剖视图)；
图5同轴波导耦合能量输出装置的结构图(X-Z剖视图)；
图6传输系数随频率的变化图；
图7反射系数随频率的变化图；
图8脉冲输出功率随时间的变化图。
图中：慢波结构1包括：1-1.超常材料、1-2.方波导；同轴波导耦合能量输出装置2包括：2-1.波导连接法兰、2-2.耦合波导、2-3.波导挡板、2-4.同轴探针、2-5.介质固定筒、2-6.同轴介质a、2-7.同轴介质b、2-8.输出转接筒、2-9.可调垫片；阴极3；收集极组件4包括：4-1.收集极固定筒、4-2.收集极。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本实施方式以工作频率范围为2.85-2.95GHz的带状注超常材料高功率微波信号产生器为例：
超常材料1-1的材料为无氧铜，共有20个周期，长度为290mm，其每个周期的结构如图1所示，本实施方式中，a＝14.5mm，b＝13.5mm，h1＝4.25mm，h2＝4mm，g＝1mm，j＝1.5mm，d＝1mm，超常材料的厚度为1.2mm。方波导1-2材料为无氧铜，长度为282.75mm，其横截面为正方形，内部边长为14.5mm；超常材料两端各超出方波导四分之一个超常材料周期长度。
波导连接法兰2-1的材料为无氧铜，用于固定连接方波导与耦合波导。
耦合波导2-2的材料为无氧铜，其横截面为正方形，内部边长为60mm，耦合波导长度为50mm。
波导挡板2-3的材料为无氧铜，中央开设有用于电子注通过的四棱锥方孔，本实施方式中使用带状电子注。
同轴探针2-4的材料为无氧铜，直径为1.2mm，同轴探针分为圆弧段和直线段。其中，圆弧段为外半径R＝23.8mm的四分之一圆弧，直线段长度为40.3mm；直线段同轴探针穿过同轴介质且末端有长度为6mm、内径为0.8mm的圆柱形中空部分。
介质固定筒2-5的材料为无氧铜，内部填充有两段外径不同的同轴介质；介质固定筒一端嵌入耦合波导侧面的圆孔，起固定同轴介质的作用；介质固定筒的台阶距离耦合波导2-2的内表面的距离L＝7mm。同轴介质a 2-6与同轴介质b 2-7的材料为聚四氟乙烯，两种同轴介质的内径相同为1.2mm，同轴介质a的外径为5.4mm，长度为18mm，同轴介质b的外径为4.4mm，长度为8.5mm，两段同轴介质可做成一个整体。
输出转接筒2-8的材料为不锈钢，长度为14.5mm，一端嵌入介质固定筒，一端带连接法兰，用于连接外部设备，用于信号输出。
可调垫片2-9的材料为无氧铜，用于调节方孔和超常材料的相对偏移，本实施方式中，阴极和超常材料的相对偏移为2.1mm。
阴极3的材料为不锈钢，其发射面的尺寸为12mm×2mm。
收集极固定筒4-1的材料为无氧铜，收集极4-2的材料为石墨，石墨X-Y横截面为正方形，边长为15mm，Z向厚度为10mm。
本实施方式经过仿真模拟，即用同轴波导耦合能量输出装置替换收集极组件，模拟两个端口的散射参数，在2.85GHz-2.95GHz的频率范围内，得到S21约为-2dB和S11约为-10dB，这充分表明该带状注超常材料高功率微波信号产生器具有良好的传输特性(图6)以及具有较小的反射特性(图7)。此外，经过非线性注波互作用模拟，即在带状电子注电压为220kV、注电流为2.75kA的条件下，得到该微波信号产生器的脉冲功率约为8MW(图8)。

Claims (8)

1.一种新型超常材料高功率微波源，包括：阴极、慢波结构、分别位于慢波结构两端的同轴波导耦合能量输出装置及收集极组件，其特征在于：
所述慢波结构包括方波导、固定于方波导内腔中央位置的单负介电常数超常材料；
所述同轴波导耦合能量输出装置包括耦合波导组件和同轴波导组件；
所述耦合波导组件包括矩形耦合波导、位于耦合波导一端的波导挡板及位于另一端固定连接耦合波导与方波导的波导连接法兰；
所述同轴波导组件包括同轴探针、同轴介质、介质固定筒和输出转接筒；
所述矩形耦合波导的一侧面中心位置开有一圆孔，圆孔外侧嵌入介质固定筒，介质固定筒另一端嵌入输出转接筒；所述介质固定筒内填充有同轴介质；所述同轴探针一端固定连接超常材料，另一端穿过同轴介质；
所述波导挡板开设有用于电子注通过的四棱锥的方孔；所述阴极位于方孔外侧。
2.如权利要求1所述的一种新型超常材料高功率微波源，其特征在于：所述收集极组件包括收集极、用于固定收集极与方波导的收集极固定筒。
3.如权利要求1所述的一种新型超常材料高功率微波源，其特征在于：所述超常材料两端各超出方波导四分之一个超常材料单元周期长度。
4.如权利要求1所述的一种新型超常材料高功率微波源，其特征在于：所述波导挡板与耦合波导之间设有用于调节方孔位置的可调垫片。
5.如权利要求1所述的一种新型超常材料高功率微波源，其特征在于：所述同轴介质的材料为聚四氟乙烯。
6.如权利要求1所述的一种新型超常材料高功率微波源，其特征在于：所述同轴介质分为外径不同的两段，其中靠近耦合波导圆孔的一段同轴介质的外径大于另一段。
7.如权利要求1所述的一种新型超常材料高功率微波源，其特征在于：所述输出转接筒为一端带法兰的圆柱形筒。
8.如权利要求1所述的一种新型超常材料高功率微波源，其特征在于：所述的电子注为带状电子注或者为多电子注。
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