CN106997839B - 一种基于超材料的慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料的慢波结构，通过在矩形波导的腔体中间纵向插入一段周期性互补开口谐振环结构，这种互补开口环谐振结构一半部分产生的电流密度方向与对称的另一半部分相反，从而产生的感应磁场相互抵消，减少磁场响应，在开口缝隙处即两半部分的横向枝节间有较强的电场共振响应，表现出负的介电常数ε和负的磁导率μ的超材料电磁特性，并在该周期性互补开口谐振环结构的上表面和下表面会形成纵向的谐振场强，有利于带状电子注的带电粒子和电磁波的相互作用。与传统的慢波结构相比，本发明拥有更高的耦合阻抗，可得到较高的功率输出和互作用效率即电子效率。

Description

一种基于超材料的慢波结构
技术领域
本发明属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及返波管放大器件中的一种基于超材料的慢波结构。
背景技术
微波电真空器件指的是在真空环境下，利用带电粒子在电极间的运动实现微波信号的振荡或放大的一种器件。这种器件最大的一个特点就是能够产生很高的功率输出，这就使得微波电真空器件能够在电子对抗、卫星通信等领域有着重要的作用。
固态器件的高速发展以及航天、军事领域的迫切需求，给微波电真空器件带来了挑战和机遇。新一代微波电真空器件不仅要求具有高功率、高性能，还要求具有高可靠性、能够批量生产和制造成本低等特点，能够满足新的应用需求和挑战。
返波管(Backward Wave Oscillator，简称BWO)也称返波振荡器，是众多微波电真空器件中应用较为广泛的一种器件，返波管的工作机制是利用返向空间谐波与电子注发生同步互作用从而产生自激振荡。作为一种典型的微波电真空管，返波管具有宽带调谐、谱线窄、功率大、效率高等特点，被广泛应用于雷达及电子干扰等领域，也可作为高功率微波放大器的推动源。慢波结构是返波管中微波信号与电子注进行能量交换的器件。
超材料又称超构材料、异向介质、超常材料和左手材料等，指的是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。这种人工复合结构或复合材料能够在一定的频段下表现出负的磁导率或负的介电常数。超材料独特的电磁特性在发展高功率微波电真空器件等方面也有着巨大的应用潜力，近些年来，美国空军实验室和麻省理工学院(MIT)等科研机构也报道了超材料在电真空领域的理论和实验等研究成果，这些成果表明超材料在微波电真空器件上的应用将是一种新的研究方向并有着广泛的应用前景。
基于超材料的慢波结构是利用超材料的周期结构而产生慢波特性，从而进行能量交换的一种器件。该类器件不仅具有高功率、高效率等特点，与传统的慢波结构相比还有体积小，二维平面结构更有利于加工和装配，生产成本低，有利于实现小型化、集成化和批量生产等优点，因此基于超材料的慢波结构是一种潜力巨大的新型慢波结构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于超材料的慢波结构，以提高慢波结构的输出功率和电子效率，
为实现上述发明目的，本发明基于超材料的慢波结构，包括：
一矩形波导；
其特征在于，还包括：
一段周期性互补开口谐振环结构；每个互补开口环谐振结构的外围是一个金属矩形框，在金属矩形框架的一条长边(宽边)中点位置向内侧延伸一段金属条，金属条的终端分别向金属矩形框的两条窄边方向再延伸，形成一段长度的横向枝节；同样，在矩形框架的另外一条长边中心位置向内侧再对称形成一段金属条和横向枝节；多个互补开口环谐振结构的金属矩形框置于矩形波导两个长边之间上下中间位置，水平纵向(沿矩形波导传输方向)依次插入矩形波导的腔体中，每个互补开口环谐振结构的长边纵向对其，且与矩形波导长边一致，这样一段周期性互补开口谐振环结构；
周期性互补开口谐振环结构的上下表面与矩形波导的上下长边形成电子通道，带状电子注从周期性互补开口谐振环结构的上表面、下表面或者上下表面通过，并与周期性互补开口谐振环结构上传输的电磁波进行能量交换。
本发明的目的是这样实现的。
本发明基于超材料的慢波结构，通过在矩形波导的腔体中间纵向插入一段周期性互补开口谐振环结构，这种互补开口环谐振结构一半部分产生的电流密度方向与对称的另一半部分相反，从而产生的感应磁场相互抵消，减少磁场响应，从而在开口缝隙处即两半部分的横向枝节间有较强的电场共振响应，表现出负的介电常数ε和负的磁导率μ的超材料电磁特性，在该周期性互补开口谐振环结构的上表面和下表面会形成纵向的谐振场强，有利于带状电子注的带电粒子和电磁波的相互作用。与传统的慢波结构相比，本发明拥有更高的耦合阻抗，可得到较高的功率输出和互作用效率(电子效率)；再者，本发明为二维平面结构，在慢波结构的上表面和下表面还可以同时发射带状电子注，不仅能够进一步提高输出功率和电子效率，还能够进行单注、双注切换工作实现功率可调。
附图说明
图1是本发明基于超材料的慢波结构一种具体实施方式的结构示意图；
图2是图1所示基于超材料的慢波结构一个周期的结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为慢波结构中的互补开口谐振环结构的纵向截面图，(c)为互补开口谐振环结构的横向截面图；
图3是本发明基于超材料的慢波结构单电子注通过结构示意图；
图4是本发明基于超材料的慢波结构双电子注通过结构示意图；
图5是图1所示周期性互补开口谐振环结构和探针馈电连接结构示意图；
图6是本发明基于超材料的慢波结构形成的布里渊曲线图；
图7是本发明基于超材料的慢波结构形成的耦合阻抗曲线图；
图8是本发明基于超材料的慢波结构形成的归一化色散曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明基于超材料的慢波结构一种具体实施方式的结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明基于超材料的慢波结构，包括矩形波导1以及一段周期性互补开口谐振环结构2；周期性互补开口谐振环结构2由多个互补开口环谐振结构的金属矩形框201置于矩形波导1两个长边101之间上下中间位置，在本实施例中，矩形波导1两个窄边102的中心点位置，水平纵向(沿矩形波导1传输方向)依次插入矩形波导1的腔体中形成，每个互补开口环谐振结构的长边即金属矩形框201的长边纵向对其，且与矩形波导1长边一致。
周期性互补开口谐振环结构2的上下表面与矩形波导1的上下长边101形成电子注通道，带状电子注从周期性互补开口谐振环结构2的上表面、下表面或者上下表面通过，并与周期性互补开口谐振环结构2上传输的电磁波进行能量交换。
如图1所示，矩形波导1和周期性互补开口谐振环结构2材料均为无氧铜。本发明基于超材料的慢波结构，有天然的电子注通道，并且内部空间开放，全金属结构利于散热，采用带状电子注与电磁波进行互作用，具有较高的输出功率和电子效率，并且可以单注、双注工作，结构简单、易于加工，生产成本低，可实现小型化、集成化和批量生产，是一种具有较大潜力的适用于返波振荡器的慢波结构。
图2是图1所示基于超材料的慢波结构一个周期的结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为慢波结构中的互补开口谐振环结构的纵向截面图，(c)为互补开口谐振环结构的横向截面图。
在本实施例中，如图2(a)、(b)所示，一个周期的互补开口环谐振结构的外围是一个金属矩形框201，在金属矩形框架的一条长边即左边的长边中点位置向内侧即右侧延伸一段金属条202，金属条202的终端分别向金属矩形框201的两条窄边即上下两条边方向再延伸，形成一段长度的横向枝节203；同样，在矩形框架的另外一条长边即即右边的长边中点位置向内侧即左侧再对称形成一段金属条和横向枝节。
如图2(a)、(b)所示，互补开口环谐振结构中两个左右两个枝节203形成一对互补开口谐振环，这种互补开口环谐振结构对称的左边一半部分产生的电流密度方向与另一半部分相反，从而产生的感应磁场相互抵消，减少磁场响应，在开口缝隙处有较强的电场共振响应，表现出负的介电常数ε和负的磁导率μ的超材料电磁特性，在该周期性互补开口谐振环结构的上表面和下表面会形成纵向的谐振场强，有利于带状电子注的带电粒子和电磁波的相互作用。
如图2(b)、(c)所示，定义一个周期的互补开口环谐振结构尺寸如下：互补开口谐振环结构厚度为t，内部长宽尺寸为W1*L2，外部长宽尺寸为W4*L1，开口间隙即两半部分的横向枝节间的距离为d2，横向枝节长度为W2，宽度为d1，金属条宽度为W3，矩形波导1外壳的高度为c。
在本实施例中，如图2(b)、(c)所示，一个周期的互补开口环谐振结构中，金属矩形框201的窄边L1和传输的电磁波工作波长λ的关系满足：L1<0.25λ，横向枝节203的长度W2和金属矩形框201的长边W1满足：2W2<W1，横向枝节203的宽度d1、两半部分的横向枝节间形成的开口缝隙的宽度d2以及金属矩形框201的窄边内部长度L2满足：(d2+2*d1)<L2。
在本实施中，设计了一种工作在C波段的基于超材料的慢波结构，其它频段的基于超材料的慢波结构可在本实施结构上进行缩放可得。在本实施例中，具体实施方案的结构尺寸如下：L1＝6.8mm、L2＝5.8mm、W1＝20mm、W4＝21mm，d2＝1.8mm、W2＝8.6mm、d1＝1.2mm、w3＝1.2mm、t＝1.0mm、c＝20mm。
如图1所示，多个互补开口环谐振结构的金属矩形框201置于矩形波导1两个长边101之间上下中间位置，水平纵向(沿矩形波导传输方向)依次插入矩形波导1的腔体中，每个互补开口环谐振结构的长边即金属矩形框201的长边纵向对其，且与矩形波导1长边101一致，这样一段周期性互补开口谐振环结构2。
图3是本发明基于超材料的慢波结构单电子注通过结构示意图。
在本实施例中，如图3所示，带状电子注3可以在周期性互补开口谐振环结构2的上表面或下表面通过，并与周期性互补开口谐振环结构2上传输的电磁波进行能量交换，这种结构使得能量交换的空间区域比较开放，有利于解决散热和电子积累等问题，能够保证微波电真空器件工作寿命和工作稳定性。
图4是本发明基于超材料的慢波结构双电子注通过结构示意图。
由于本发明基于超材料的慢波结构上下完全对称，在周期性互补开口谐振环结构2上下表面都能产生对称的纵向场，有天然对称的电子注通道，因此可以在周期性互补开口谐振环结构2的上下表面各加一个带状电子注，这样能够充分利用纵向场分量与电子注进行能量交换，进一步提高微波电真空器件的输出功率和电子效率。另外，这种本发明基于超材料的慢波结构可以进行单注、双注切换工作，实现功率或频率可调。
图5是图1所示周期性互补开口谐振环结构和探针连接结构示意图。
在本实施中，如图5所示，利用探针将电磁波信号馈入本发明基于超材料的慢波结构中即周期性互补开口谐振环结构一端，电磁波信号在该结构中传播产生负色散的电磁慢波形成自激振荡，并与电子注进行能量交换得到信号的放大，放大的信号又向着相反的方向传播并在靠近电子枪的一端输出。
通过仿真软件首先对基于超材料的慢波结构进行优化仿真，得到一个最优的高频结构；其次利用软件对能量耦合结构进行设计，这里采用探针的方式进行能量耦合，探针直接和周期性互补开口谐振环结构一端进行接连，另一端伸入标准输出波导内部进行能量耦合；最后利用PIC粒子模拟软件分别对单个和两个带状电子注进行注波互作用的模拟仿真，得出最终的电气参数和整管结构。
在本实施例中，如图6所示，在本实施例结构尺寸下得到相移和频率f(或者自由空间波数k与相位常数β)的关系曲线，也就是通常所说的布里渊曲线图。曲线上任一点的纵坐标与横坐标之比为相速与光速之比vp/c，可以看出是快波和慢波，其中0～π为零次空间谐波(基波)，对应的π～2π为-1次谐波，2π～3π为+1次谐波，3π～4π为-2次谐波基波为返波，并且0～π为返波，π～2π为前向波。图中分别同时给出一条光速线和31.5kV工作电压线，光速线左端的区域为快波，右端的区域为慢波。因此可以看出大部分落在慢波区域，31.5KV工作电压线与返波区有交集，可用来设计一种新型的返波振荡器。
在本实施例中，如图7所示，在本实施例结构尺寸下得到的归一化色散曲线图。横坐标为频率f，纵坐标为相速vp与光速c之比vp/c，从图中可以直接看出各个频点所对应的归一化相速vp/c的大小，本实验的实施例方案中在4.5～5.5GHz的带宽内相速vp为0.24c～0.96c，在中心频点5GHz的相速为0.5289c。
在本实施例中，如图8所示，在本实施例结构尺寸下下得到的耦合阻抗曲线图，耦合阻抗是反应带电粒子和高频场相互作用的有效程度的一个物理量，耦合阻抗越大表示注波互作用的程度越强，在4.5～5.5GHz的带宽内能产生415～660欧姆的耦合阻抗，在中心频点5GHz处的耦合阻抗大小为463欧姆。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于超材料的慢波结构，包括：
一矩形波导；
其特征在于，还包括：
一段周期性互补开口谐振环结构；每个互补开口环谐振结构的外围是一个金属矩形框，在金属矩形框的一条长边中点位置向内侧延伸一段金属条，金属条的终端分别向金属矩形框的两条窄边方向再延伸，形成一段长度的横向枝节；同样，在金属矩形框的另外一条长边中心位置向内侧再对称形成一段金属条和横向枝节；多个互补开口环谐振结构的金属矩形框置于矩形波导两个长边之间上下中间位置，水平纵向即沿矩形波导传输方向依次插入矩形波导的腔体中，每个互补开口环谐振结构的长边纵向对齐，且与矩形波导长边方向一致，这样形成所述的一段周期性互补开口谐振环结构；
周期性互补开口谐振环结构的上下表面与矩形波导的上下长边形成电子通道，带状电子注从周期性互补开口谐振环结构的上表面、下表面或者上下表面通过，并与周期性互补开口谐振环结构上传输的电磁波进行能量交换。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的慢波结构，其特征在于，所述的金属矩形框的窄边L1和传输的电磁波工作波长λ的关系满足：L1<0.25λ，横向枝节的长度W2和金属矩形框的长边W1满足：2W2<W1，横向枝节的宽度d1、两半部分的横向枝节间形成的开口缝隙的宽度d2以及金属矩形框的窄边内部长度L2满足：(d2+2*d1)<L2。
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