CN108493568A - 基于超材料的l波段慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于超材料的L波段慢波结构。采用两相互正交排列的超材料谐振单元构成单个周期慢波结构，克服由于超材料慢波结构的非对称性导致电场在电子束区域分布不均匀的问题，使得基于超材料的新型L波段慢波结构能工作在相同尺寸空心金属波导截止频率以下，具有小型化的优势。

Description

基于超材料的L波段慢波结构

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种基于超材料的L波段慢波结构。

背景技术

高功率微波通常指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波，目前已经被广泛应用于定向能武器、雷达卫星、电子高能射频加速器、遥感及辐射测量等众多国防和工业领域。

高功率微波源是产生高功率微波辐射的核心部件，相对论返波振荡器是利用强流电子束与慢波结构中的电磁波相互作用产生自激振荡并放大，形成相干电磁辐射，具有高功率、高效率、适合重复频率工作等特点，受到研究人员的广泛关注。

L波段(1～2GHz)电磁波对天气、地形不敏感，具有较好的搜索性能，是远程搜索雷达的主要频率。目前，返波振荡器的相关研究多集中在S波段，C波段以及X波段，关于L波段的RBWO的公开报道很少，RBWO向L波段扩展的主要障碍是器件的小型化问题。若采用常规方法设计L波段RBWO，器件的尺寸较大，与之配套的导引磁场系统体积同样变得庞大，限制了L波段HPM的应用前景。

超材料，是指一类具有亚波长特性、并呈现出自然材料所不具备的奇异电磁特性的人工复合材料。超材料具有反向切伦科夫辐射等奇异电磁特性，对于高功率微波源中基于切伦科夫效应的返波管、行波管等来讲，具有重要的研究价值。文献【J.Esteban,C.Camacho-Penalosa,J.E.Page,et al.Simulation of negative permittivity andnegative permeability by means of evanescent waveguide modes-theory andexperiment[J].IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques,2005,53(b):1506-1514】中，波导加载超材料后，能传输相应尺寸的空心金属波导截止频率以下的准TM波，且由于超材料的谐振特性，产生了局域场的增强效应。文献【Yanshuai Wang,ZhaoyunDuan,Fei Wang et al.S-Band High-Efficiency Metamaterial MicrowaveSources.IEEE Transactions on Electron Devices,vol.63,no.9,pp.3747-3752,September 2016】中，利用超材料慢波结构构建的返波振荡器，在S波段模拟得到4.5MW电磁波，效率45％，该慢波结构径向尺寸仅为20mm。基于超材料的慢波结构具有小型化、高耦合阻抗的特点，使得基于超材料的L波段返波振荡器具有小型化、高效率的特点。

研究基于超材料的L波段返波振荡器慢波结构具有代表性的是新墨西大学设计的慢波结构【S.C.Yurt,S.Prasad,M.Fuks,et al.Designing of an O-Type BWO with ametamaterial slow-wave structure[C].IEEE International Vacuum ElectronicsConference,Monterey,2016】(以下称为现有技术1)。该结构分为两开口相反的开路谐振器a、b和波导c，使用这种超材料慢波结构构造的返波振荡器，在1.4Ghz处模拟产生250MW的功率输出，束波转换效率为15％。该超材料结构单元所加载的圆波导内半径为2.4cm，相同尺寸的空心金属圆波导TE11模式截至频率为3.7GHz，远高于该返波管的工作频率。这种超材料慢波结构具有小型化的优势，但电子束区域的场分布极不均匀，束波互作用效率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于超材料的L波段慢波结构，克服由于超材料慢波结构的非对称性导致电场在电子束区域分布不均匀的问题，使得基于超材料的新型L波段慢波结构能工作在相同尺寸空心金属波导截止频率以下，具有小型化的优势。

本发明的技术方案是：

一种基于超材料的L波段慢波结构，包括超材料谐振单元1、超材料谐振单元2、圆波导3，超材料谐振单元1与超材料谐振单元2相互正交排列，构成单个周期的慢波结构，多个慢波结构沿Z向周期排列，嵌入到圆波导3内部；

超材料谐振单元1为薄片结构，由两同心圆环薄片构成，厚度t一般取0.5mm～2mm。内圆环内半径r₁，外半径r₂，外圆环内半径r₃，外半径r₄，满足r₁<r₂<r₃<r₄，其中r₁大于电子束半径r_beam，r₄等于圆波导3内半径。内圆环外侧有两矩形开口，分别位于内圆环外侧两端，关于圆心旋转对称，开口宽度为d₂，底端中点距圆心距离为d₃，满足r₁<d₃<r₂。内外圆环通过矩形开口中间的条状物连接，条状物宽度为d₁，满足d₁<d₂。超材料谐振单元2结构参数与超材料谐振单元1完全一致，超材料谐振单元1和超材料谐振单元2间隔为d，相互正交排列，构成单个周期的慢波结构，慢波结构周期为p，满足p>d，n个慢波结构沿Z向周期排列，n一般取5～10，嵌入到圆波导3内部；

所述超材料谐振单元1、超材料谐振单元2、圆波导3均为不锈钢材料。

本发明的工作原理是：超材料谐振单元结构参数的选取使得超材料慢波结构在设计频段具有等效的负介电常数和负磁导率，能传输相同尺寸空心圆波截至频率以下的TM模式电磁波，相对论电子束与超材料慢波结构决定的TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，电子束得到速度调制与密度调制。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

(1)采用超材料慢波结构，主要作用如下：

(a)慢波结构工作在同尺寸空心金属圆波导截至频率以下，横向具有小型化的优势；

(b)由于超材料的亚波长特性，慢波结构周期较短，轴向具有小型化的优势；

(c)超材料慢波结构间强烈的电磁耦合，对相对论电子束调制较强，使得器件具有更短的起振时间；

(2)采用两相互正交排列的超材料谐振单元构成单个周期慢波结构，克服了由于超材料谐振单元结构非对称性导致的场分布不均匀的问题，使得慢波结构的场分布更均匀，更有利于束波互作用的进行。

附图说明

图1为背景介绍中现有技术1公开的L波段超材料慢波结构的结构示意图；

图2为本发明提供的基于超材料的L波段慢波结构示意图；

图3为本发明提供的基于超材料的L波段慢波结构立体示意图；

图4为本发明提供的基于超材料的L波段慢波结构中，单个周期慢波结钩对TM₀₁模式电磁波的S参数曲线；

图5为本发明提供的基于超材料的L波段慢波结构中，超材料的等效介电常数与等效磁导率；

图6为本发明提供的基于超材料的L波段慢波结构中，超材料慢波结构的高频特性；

图7为本发明提供的基于超材料的L波段慢波结构中，TM₀₁模式电场沿着环形电子束区域的归一化场分布。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为背景介绍中现有技术1公开的L波段超材料慢波结构的结构示意图。该结构由超材料单元a、超材料单元b、圆波导c组成。超材料单元1为带扇形开口和扇形凸起的圆环，扇形开口与扇形凸起分别位于圆环两侧，张角均为α。圆环内半径为r_in，外半径为r_out，厚度为h，圆波导内半径为W_in，超材料单元1通过扇形凸起与圆波导相连接。超材料单元2结构参数与超材料单元1完全一致，超材料单元1与超材料单元2间隔h/2，相互反相排列嵌入空心圆波导，构成单个周期超材料慢波结构，慢波结构周期为d。该方案结构简单，采用这种超材料慢波结构构造的返波振荡器，在在1.4Ghz处模拟产生250MW的微波输出，工作在相同尺寸空心金属波导截止频率以下，具有小型化的优势，这对于研制L波段超材料慢波结构具有重要借鉴意义。但是该慢波结构场分布非常不均匀，不利于束波互作用的进行，该返波振荡器束波转换效率仅为15％，影响其应用范围的拓展。

图2为本发明提供的L波段超材料慢波结构的结构示意图，图3为本发明提供的L波段超材料慢波结构的立体示意图。本发明由超材料谐振单元1、超材料谐振单元2、圆波导3组成。超材料谐振单元1与超材料谐振单元2相互正交排列，构成单个周期的慢波结构，嵌入到圆波导3内部。

其中超材料谐振单元1为薄片结构，由两同心圆环薄片构成，厚度t一般取0.5mm～2mm。内圆环内半径r₁，外半径r₂，外圆环内半径r₃，外半径r₄，满足r₁<r₂<r₃<r₄，其中r₁大于电子束半径r_beam，r₄等于圆波导3内半径。内圆环外侧有两矩形开口，矩形开口大小一致，分别位于内圆环外侧两端，关于圆心180°旋转对称，开口宽度为d₂，底端中点距圆心距离为d₃，满足r₁<d₃<r₂。内外圆环通过矩形开口中间的条状物连接，组成超材料谐振单元1，条状物宽度为d₁，满足d₁<d₂；

超材料谐振单元2结构参数与超材料谐振单元1完全一致，超材料谐振单元1和超材料谐振单元2间隔为d，相互正交排列，构成单个周期的慢波结构，慢波结构周期为p，满足p>d，n个慢波结构沿Z向周期排列，n一般取5～10，嵌入到圆波导3内部；

进一步地，所述超材料谐振单元1、超材料谐振单元2、圆波导3均为不锈钢材料。

本优选实施例实现了工作频率范围在1.55～1.65GHz，且工作模式为TM₀₁模式的L波段超材料慢波结构。相应的尺寸设计为：r₁＝27.5mm，r₂＝36mm，r₃＝43.2mm，r₄＝48mm，d＝5mm，d₁＝11mm，d₂＝6mm，d₃＝31.5mm，p＝44mm，谐振单元厚度t为1mm。仿真模拟中，慢波结构工作的中心频率为1.60GHz(对应微波波长λ＝19cm)，相同尺寸下，空心金属圆波导的截止频率为2.5GHz，所设计的超材料慢波结构能工作在相同尺寸空心圆金属波导截止频率以下，横向具有小型化的优势。在两相互正交的超材料谐振单元的共同作用下，TM₀₁模式电场在电子束区域场波动低于10％。由上述结果可知，本发明克服了传统L波段慢波结构尺寸较大的缺点，实现了结构的小型化，同时克服了由于超材料结构的非对称性导致的场分布不均匀的问题，有利于束波互作用的有效进行，对于设计该类型器件具有重要的借鉴意义。

参见图4，可知在基于超材料的L波段慢波结构中，慢波结构能传输1.55-1.65GHz的TM₀₁模式电磁波，相同尺寸下，空心金属波导TM₀₁模式的截止频率为2.5GHz，所设计的超材料慢波结构能工作在相同尺寸空心金属波导截止频率以下，具有横向小型化的优势。

参见图5，可知在基于超材料的L波段慢波结构中，对于TM₀₁模式得电磁波，在1.465-1.654GHz频段内呈现负的介电常数，在频率2.40GHz以下呈现负的磁导率，双负频段区为1.465-1.654GHz。

参见图6，可知在基于超材料的L波段慢波结构中，超材料慢波结构具有异常色散，零次空间谐波具有返波特性。光线与色散曲线交于第一布里渊区，超材料慢波结构具有较大的电压工作范围和较高的耦合阻抗。

参见图7，可知在基于超材料的L波段慢波结构中，超材料慢波结构TM₀₁模式电场在不同平面的电子束区域场波动均低于10％，场分布均匀性较好，克服了由于超材料结构的非对称性导致的场分布不均匀的问题，有利于束波互作用的有效进行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (7)

1.基于超材料的L波段慢波结构，采用两相互正交排列的超材料谐振单元构成单个周期慢波结构，其特征在于，包括超材料谐振单元(1)、超材料谐振单元(2)、圆波导(3)，超材料谐振单元(1)与超材料谐振单元(2)相互正交排列，构成单个周期的慢波结构，多个慢波结构沿Z向周期排列，嵌入到圆波导(3)内部；

所述超材料谐振单元(1)和超材料谐振单元(2)间隔为d，相互正交排列，

所述超材料谐振单元(2)结构参数与超材料谐振单元(1)完全一致。

2.根据权利要求1所述的基于超材料的L波段慢波结构，其特征在于，

所述超材料谐振单元(1)为薄片结构，由两同心圆环薄片构成，厚度t为0.5mm～2mm。

3.根据权利要求1或2所述的基于超材料的L波段慢波结构，其特征在于，

所述超材料谐振单元(1)内圆环内半径r₁，外半径r₂，外圆环内半径r₃，外半径r₄，满足r₁<r₂<r₃<r₄，其中r₁大于电子束半径r_beam，r₄等于圆波导3内半径。

4.根据权利要求3所述的基于超材料的L波段慢波结构，其特征在于，

所述超材料谐振单元(1)内圆环外侧有两矩形开口，分别位于内圆环外侧两端，关于圆心旋转对称，开口宽度为d₂，底端中点距圆心距离为d₃，满足r₁<d₃<r₂。

5.根据权利要求4所述的基于超材料的L波段慢波结构，其特征在于，

所述超材料谐振单元(1)内外圆环通过矩形开口中间的条状物连接，条状物宽度为d₁，满足d₁<d₂。

6.根据权利要求1所述的基于超材料的L波段慢波结构，其特征在于，

所述慢波结构周期为p，满足p>d，n个慢波结构沿Z向周期排列，n取5～10，嵌入到圆波导3内部。

7.根据权利要求1-6所述的基于超材料的L波段慢波结构，其特征在于，

所述超材料谐振单元(1)、超材料谐振单元(2)、圆波导(3)均为不锈钢材料。