CN108335958A - 一种光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构，利用光子晶体结构的禁带特性，阻断电磁波在宽边开放曲折波导的开放宽边外较远区域的传播，相当于将传统的TE20模式传播的曲折波导的波导腔体空间减小，使得电场能量更加集中，从而实现在相同的输入功率下构建更大的电场的目的，即增加了慢波结构的耦合阻抗；而在宽边开放的曲折波导中的电场结构相当于传统曲折波导中电场的一部分，具有与传统曲折波导相似的色散特性，即光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构具有与TE20模工作的传统曲折波导具有相似的色散特性和带宽。

Description

一种光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构
技术领域
本发明属于微波电真空电子器件技术领域，更为具体地讲，涉及一种光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构。
背景技术
行波管作为一种应用领域广泛的微波功率放大器件，在军用和民用领域均具有种类非常丰富的产品。
目前常用的行波管种类有：螺旋线行波管、耦合腔行波管、曲折波导行波管等。其中，通常来说曲折波导行波管具有比较适中带宽与耦合阻抗，在常用的微波频段中具有非常广阔的发展前景。
现有曲折波导行波管中，如2014年12月24日授权公告的、公告号为CN102915898B、名称为“一种曲折波导慢波线”的慢波结构，电子注为单注，且从中心纵向传输，电场能量还不够集中，耦合阻抗有待提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构，以提高互作用区域的电场强度，进而使慢波结构具有更高的耦合阻抗。
为实现上述发明目的，本发明光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构，其特征在于，包括：
一宽边开放的曲折波导，所述宽边开放的曲折波导为曲折波导的两个宽边的金属边界去除，变为开放边界后的波导；宽边开放的曲折波导的两侧为平面(即波导宽边平面)；
两个处于禁带工作模式的光子晶体盖板，分别位于宽边开放的曲折波导的宽边两侧；所述的光子晶体盖板为一平面金属板上朝宽边开放的曲折波导方向沿横向、纵向(传输方向)周期部署直柱金属结构构成，所有的直柱金属结构高度相同，从而所有的直柱金属结构朝宽边开放的曲折波导方向的端面形成一个平面(光子晶体顶端平面)；
光子晶体顶端平面与其相对的波导宽边平面之间存在一个真空间隙，为电子注通道，这样在宽边开放的曲折波导的两侧分别形成一个电子注通道，两个电子注分别位于一个电子注通道中，两个电子注相互平行；
两个光子晶体盖板的光子晶体顶端平面相互平行，且均与两个电子注平面和两个波导宽边平面平行。
本发明的目的是这样实现的。
本发明光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构，利用光子晶体结构的禁带特性，阻断电磁波在宽边开放曲折波导的开放宽边外较远区域的传播，相当于将传统的TE20模式传播的曲折波导的波导腔体空间减小，使得电场能量更加集中，从而实现在相同的输入功率下构建更大的电场的目的，即增加了慢波结构的耦合阻抗；而在宽边开放的曲折波导中的电场结构相当于传统曲折波导中电场的一部分，具有与传统曲折波导相似的色散特性，即光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构具有与TE20模工作的传统曲折波导具有相似的色散特性和带宽。
同时，本发明还具有以下意义：
1、对光子晶体结构在微波电真空器件领域的应用具有探索性的意义，印证了光子晶体技术应用于微波电真空器件的可行性。
2、对曲折波导中场能量的向外引出做了前瞻性的尝试，提供了一种可行的引出波导中场能量的方式。
附图说明
图1是本发明中光子晶体盖板和宽边开放的曲折波导一种具体实施方式结构示意图；
图2是本发明光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构一种具体实施方式的中线纵向剖面图；
图3是图2剖面的局部图；
图4是图2中光子晶体结构单周期结构示意图；
图5是图1所示光子晶体盖板的结构示意图；
图6是图1所示宽边开放的曲折波导结构示意图；
图7是图2所示光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构中线纵向剖面的平面结构示意图；
图8是本发明光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构一具体实施方式下的传输特性；
图9是本发明光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构一具体实施方式下的的电场分布图。
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。
光子晶体因其独特的电磁特性，吸引了世界各地的学者的注意，光子晶体技术已经被应用于微波电路滤波器、无阈值激光器和高性能超棱镜等领域。
本发明将光子晶体技术应用于微波电真空电子器件领域，利用光子晶体的禁带特性，电磁波在宽边开放曲折波导的开放宽边外较远区域的传播，从而实现慢波结构中电场能量的高度集中。相对于传统的曲折波导结构，光子晶体加载的曲折波导结构具有更高的耦合阻抗，提高了曲折波导的慢波结构在行波管中的竞争力。另一方面，传统曲折波导中的场能量集中于波导腔体中，而光子晶体技术的引入可以将曲折波导宽边变为开放结构，在曲折波导开放的宽边与光子晶体顶端平面之间形成了表面波，这对于波导能量的引出具有开创性的意义。同时，本发明将双电子注引入上述结构，可以减小聚焦磁场的压力，同时，可以提高慢波结构的整体效率。
图1是本发明中光子晶体盖板和宽边开放的曲折波导一种具体实施方式结构示意图。
图1中上面是光子晶体盖板1，下面是宽边开放的曲折波导2，在本实施例中，宽边开放的曲折波导2为U型。
在本实施例中，如图1所示，所述的光子晶体盖板1为一平面金属板101上朝宽边开放的曲折波导方向沿宽边方向、传输方向周期部署直柱金属结构102构成，所有的直柱金属结构高度相同，从而所有的直柱金属结构102朝宽边开放的曲折波导方向的端面形成一个平面(光子晶体顶端平面)。
具体而言，光子晶体盖板1具有以下特点：
1、一种二维光子晶体结构，其获取方式可以看作二维图案平面的拉伸；
2、二维光子晶体结构具有周期性，二维光子晶体的周期性体现在二维图案的周期性。
3、单个周期的光子晶体在形状上呈现为底面为简单二维图形的直柱金属结构，在与直柱底面平行且二者相互垂直的两个方向上留出一定的空隙后再次部署另一个上述的直柱金属结构，其二维图案的特征为，一系列的相同的简单二维图案，这些图案包括但不仅限于圆形、矩形和椭圆形，且这些图案在上述的两个相互垂直的方向上呈周期分布。
4、由于实际器件尺寸的限制，二维光子晶体的二维图案不能具有无限的周期数，而是在平面的两个正交方向上具有有限的周期个数。
在本实施例中，如图1所示，所述的宽边开放的曲折波导2为传统曲折波导的两个宽边的金属边界去除，变为开放边界后的波导。宽边开放的曲折波导的两侧为平面即波导宽边平面201、202。
所述的宽边开放的曲折波导可以是U型、V型或其他形状的曲折波导。
将宽边开放的曲折波导1的开放宽边两侧(图1所示的上下两侧)分别放上一个光子晶体盖板2，就构成一个光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构。如图2所示，其反应了光子晶体盖板2和宽边开放的曲折波导1的位置关系。
在本实施例中，如图3所示，所述的两个光子晶体盖板1与宽边开放的曲折波导2具有的位置特征为：上下两个光子晶体盖板的光子晶体顶端平面1021、1022与其相对的波导宽边平面201、202之间存在一个真空间隙，为电子注通道4，两个电子枪3分别位于上下两个电子注通道4的左端，产生的带状电子注在电子注通道4中从左向右传输。具体为：
1、双注即为两个带状电子注，电子注中电子的空间位置近似构成一个平面，两个电子注分别构成两个不同的平面，以下称为电子注平面，两个电子注平面平行。
2、宽边开放的曲折波导2的两侧开放宽边分别在两个平行的平面上，以下称为波导宽边平面201、202，两个波导宽边平面201、202均与电子注平面平行。
3、光子晶体中单周期柱状结构的两个底边分别在两个平行的平面上，其中靠近波导宽边平面的平面以下称为光子晶体顶端平面1021、1022，两个光子晶体盖板的光子晶体顶端平面1021、1022相互平行，且均与电子注平面和波导宽边平面201、202平行。
4、在光子晶体顶端平面1021、1022与波导宽边平面201、202之间存在一个真空间隙，为电子注通道。
5、上述的所有的体与面的位置特征为，上述结构在与电子注平面垂直的方向上具有层次性，且层次依次为：光子晶体盖板-光子晶体顶端平面-电子注通道-波导宽边平面-宽边开放的曲折波导-波导宽边平面-电子注通道-光子晶体顶端平面-光子晶体盖板。本发明的结构在与电子注平面垂直的方向上具有对称性。
图4是图2中光子晶体结构单周期结构示意图。本实施例中，光子晶体结构即直柱金属结构为地面为正方形的直四棱柱。
图5是图1所示光子晶体盖板结构结构示意图。
在本实施例中，如图5所示，cax是电子枪的长度，a0为光子晶体结构在注波互作用方向(纵向即传输方向)上的周期长度，需要说明的是，本实施例中，光子晶体结构在其平面图案上的另一个方向上的周期长度也是a0，a为光子晶体单周期柱状结构的底面边长，pxn为注波互作用方向上的光子晶体周期数，pyn为光子晶体在其平面图案上的另一个方向上的周期数，port_w是输入输出端口的宽度，同时也是曲折波导中的波导窄边长度；
图6是图1所示宽边开放的曲折波导结构示意图。
在本实施例中，如图6所示，p是曲折波导的单周期长度，l是曲折波导中直线段部分的长度，pn是曲折波导的周期数。
图7是图2所示光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构中线纵向剖面的平面结构示意图。
在本实施例中，如图7所示，d为光子晶体单周期柱状结构的柱高，g为电子注通道高度，cat为本实施例中仿真所使用的电子枪模型厚度，wg_a为本实施例中宽边开放的曲折波导的宽边长度；
图8是本发明光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构一具体实施方式下的传输特性
在本实施例中，如图8所示，本发明光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构在200-230GHz的频带范围内，S11小于-20dB，传输性能良好。
图9是本发明光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构一具体实施方式下的的电场分布图。
在本实施例中，如图9所示，可以看出在互作用区域即电子注通道区域，电场强度最大，这样增加了慢波结构的耦合阻抗。
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)

1.一种光子晶体加载的曲折波导双注慢波结构，其特征在于，包括：
一宽边开放的曲折波导，所述宽边开放的曲折波导为曲折波导的两个宽边的金属边界去除，变为开放边界后的波导；宽边开放的曲折波导的两侧为平面(即波导宽边平面)；
两个处于禁带工作模式的光子晶体盖板，分别位于宽边开放的曲折波导的宽边两侧；所述的光子晶体盖板为一平面金属板上朝宽边开放的曲折波导方向沿横向、纵向(传输方向)周期部署直柱金属结构构成，所有的直柱金属结构高度相同，从而所有的直柱金属结构朝宽边开放的曲折波导方向的端面形成一个平面(光子晶体顶端平面)；
光子晶体顶端平面与其相对的波导宽边平面之间存在一个真空间隙，为电子注通道，这样在宽边开放的曲折波导的两侧分别形成一个电子注通道，两个电子注分别位于一个电子注通道中，两个电子注相互平行；
两个光子晶体盖板的光子晶体顶端平面相互平行，且均与两个电子注平面和两个波导宽边平面平行。
2.根据权利要求1所述的曲折波导双注慢波结构，其特征在于，所述宽边开放的曲折波导为宽边开放的U型曲折波导，所述光子晶体结构为底面为正方形的直四棱柱。
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