CN108767393A - 一种径向分离式介质加载波导 - Google Patents

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李伟伟
何志刚
陆亚林
王琳
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/18—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type built-up from several layers to increase operating surface, i.e. alternately conductive and dielectric layers

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Abstract

本发明提供了一种径向分离式介质加载波导，包括同轴设置的空心介质管和空心金属管，所述空心介质管位于所述空心金属管的内部，且所述空心金属管的内径大于所述空心介质管的外径，与传统的介质加载波导相比，本发明中的介质加载波导的基模的辐射频率基本不变，但是，辐射的群速度大幅度增加，辐射脉冲长度大幅缩短，脉冲功率大幅度提高。

Description

一种径向分离式介质加载波导
技术领域
本发明涉及太赫兹波技术领域，更具体地说，涉及一种径向分离式介质加载波导。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～30THz之间的电磁波。由于太赫兹波在物理学、生命科学、材料科学、成像技术、通信技术以及国家安全等多个领域具有非常广阔的应用前景，因此，受到了国内外科学家的广泛关注。
介质加载波导是用于产生太赫兹波的优良器件。介质加载波导根据不同的材料和尺寸存在一系列的本征模式，当电子束穿过波导结构时，相应频率的模式将被激发出来(即切伦科夫尾场辐射)。传统的介质加载波导由一根圆柱型的空心介质管以及镀在其外表面的一层金属膜层构成。
虽然该介质加载波导具有结构简单紧凑以及电子束能量耦合效率高等优点，但是，该介质加载波导本征模式的群速度较小，导致辐射的脉冲长度较长、脉冲功率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种径向分离式介质加载波导，以解决传统的介质加载波导本征模式的群速度较小的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种径向分离式介质加载波导，包括同轴设置的空心介质管和空心金属管，所述空心介质管位于所述空心金属管的内部，且所述空心金属管的内径大于所述空心介质管的外径。
优选地，所述空心介质管和所述空心金属管通过位于所述介质加载波导一端或两端的支撑结构固定。
优选地，所述支撑结构包括多个螺钉，所述多个螺钉均匀分布在所述空心金属管的圆周上，且任一所述螺钉贯穿所述空心金属管并与所述空心介质管接触。
优选地，所述空心介质管和所述空心金属管都为圆柱形。
优选地，所述空心介质管的材料为熔融石英或三氧化二铝；
所述空心金属管的材料为金、银或铜。
优选地，所述空心金属管的内径与所述空心介质管的外径之差大于或等于0.25mm。
优选地，所述空心介质管的内径为0.4mm，所述空心介质管的外径为0.5mm，所述空心金属管的内径大于或等于0.75mm。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明所提供的径向分离式介质加载波导，包括同轴设置的空心介质管和空心金属管，所述空心介质管位于所述空心金属管的内部，且所述空心金属管的内径大于所述空心介质管的外径，与传统的介质加载波导相比，本发明中的介质加载波导的基模的辐射频率基本不变，但是，辐射的群速度大幅度增加，辐射脉冲长度大幅缩短，脉冲功率大幅度提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的径向分离式介质加载波导的横向剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的径向分离式介质加载波导的纵向剖面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的包括三个螺钉的支撑结构的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种径向分离式介质加载波导的基模辐射频率及相对群速度随空心金属管的内径大小的变化曲线图；
图5为本发明实施例提供的另一种径向分离式介质加载波导的基模辐射频率及相对群速度随空心金属管的内径大小的变化曲线图；
图6为本发明实施例提供的一种径向分离式介质加载波导的脉冲功率分布图；
图7为本发明实施例提供的另一种径向分离式介质加载波导的脉冲功率分布图。
具体实施方式
正如背景技术所述，虽然传统的介质加载波导具有结构简单紧凑以及电子束能量耦合效率高等优点，但是，该介质加载波导本征模式的群速度较小，导致辐射的脉冲长度较长、脉冲功率较低。
基于此，本发明提供了一种径向分离式介质加载波导，以克服现有技术存在的上述问题，包括同轴设置的空心介质管和空心金属管，所述空心介质管位于所述空心金属管的内部，且所述空心金属管的内径大于所述空心介质管的外径。
本发明提供的径向分离式介质加载波导，包括同轴设置的空心介质管和空心金属管，所述空心介质管位于所述空心金属管的内部，且所述空心金属管的内径大于所述空心介质管的外径，与传统的介质加载波导相比，本发明中的介质加载波导的基模的辐射频率基本不变，但是，辐射的群速度大幅度增加，辐射脉冲长度大幅缩短，脉冲功率大幅度提高。
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种径向分离式介质加载波导，应用于产生太赫兹波。如图1和图2所示，该介质加载波导包括同轴设置的空心介质管1和空心金属管2，空心介质管1位于空心金属管2的内部，且空心金属管1的内径r3大于空心介质管2的外径r2。需要说明的是，空心介质管1和空心金属管2同轴设置是指二者的中心轴线(O线)重合。
本实施例中，空心介质管1和空心金属管2都为圆柱形空心管。空心介质管1和空心金属管2的长度相等，空心介质管1和空心金属管2通过位于介质加载波导即空心金属管2一端或两端的支撑结构固定。
可选地，如图3所示，该支撑结构包括多个螺钉3，多个螺钉3均匀分布在空心金属管2的圆周上，且任一螺钉3贯穿空心金属管2并与空心介质管1接触。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，螺钉3可以同时贯穿空心金属管2和空心介质管1。优选地，该支撑结构包括三个螺钉3，并且，任意两个相邻的螺钉3的夹角为60度。
本实施例中，空心介质管1的材料为熔融石英或三氧化二铝；空心金属管2的材料为金、银或铜。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，空心介质管1和空心金属管2还可以采用其他材料。
假设电子束为相对论电子束(β≈1)，电荷量为0.1nC，纵向分布为高斯型，脉冲长度即rms长度为0.1mm，圆柱形的空心介质管1的内径r1和外径r2分别为0.4mm0.5mm，长度为25mm，空心金属管2与空心介质管1同轴，且空心金属管2的长度与空心介质管1的长度相等一致。
当空心介质管1的材料分别为熔融石英(相对介电常数为3.8)和三氧化二铝(相对介电常数为9.8)时，只改变空心金属管2的内径r3，通过理论计算可以得到当电子束通过本实施例中的介质介质波导结构时，其激发出的波导基模的辐射频率及相对群速度随空心金属管2的内径r3的变化情况，如图4和图5所示，图4为空心介质管1的材料为熔融石英时，径向分离式介质加载波导的基模辐射频率及相对群速度随空心金属管的内径大小的变化曲线图，图5为空心介质管1的材料为三氧化二铝时，径向分离式介质加载波导的基模辐射频率及相对群速度随空心金属管的内径大小的变化曲线图。
可以看出，本实施例中的径向分离式介质加载波导结构与传统介质加载波导结构(r3＝r2)相比，基模的辐射频率基本不变，然而其辐射的群速度大幅度增加。
对于不同的内径r3，两种材料的介质加载波导输出的脉冲功率分布图分别如图6和图7所示，图6为空心介质管1的材料为熔融石英时，径向分离式介质加载波导的脉冲功率分布图，图7为空心介质管1的材料为三氧化二铝时，径向分离式介质加载波导的脉冲功率分布图，可以看出利用径向分离式介质加载波导得到的辐射脉冲长度大幅缩短，脉冲功率大幅度提高，甚至超过传统介质加载波导的10倍以上。
本实施例中，只要空心金属管2的内径r3大于空心介质管1的外径r2，即可增加介质加载波导辐射的群速度，缩短辐射脉冲长度，提高脉冲功率，但是，如图2和图3所示，当空心金属管2的内径r3与空心介质管1的外径r2之差从0增大到0.25mm时，群速度会随着r3和r2差值的增大而增大，直到r3和r2差值大于或等于0.25mm后，群速度不会再增加。
基于此，本实施例中的空心金属管2的内径r3与空心介质管1的外径r2之差优选大于或等于0.25mm。进一步地，当空心介质管1的内径r1为0.4mm、外径r2为0.5mm时，空心金属管2的内径r3大于或等于0.75mm。当然，本发明并不仅限于此，内径r3大小的选择，根据空心介质管1的材料以及内径r1的不同而不同。
本发明实施例提供的径向分离式介质加载波导，包括同轴设置的空心介质管和空心金属管，所述空心介质管位于所述空心金属管的内部，且所述空心金属管的内径大于所述空心介质管的外径，与传统的介质加载波导相比，本发明中的介质加载波导的基模的辐射频率基本不变，但是，辐射的群速度大幅度增加，辐射脉冲长度大幅缩短，脉冲功率大幅度提高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种径向分离式介质加载波导，其特征在于，包括同轴设置的空心介质管和空心金属管，所述空心介质管位于所述空心金属管的内部，且所述空心金属管的内径大于所述空心介质管的外径。
2.根据权利要求1所述的介质加载波导，其特征在于，所述空心介质管和所述空心金属管通过位于所述介质加载波导一端或两端的支撑结构固定。
3.根据权利要求2所述的介质加载波导，其特征在于，所述支撑结构包括多个螺钉，所述多个螺钉均匀分布在所述空心金属管的圆周上，且任一所述螺钉贯穿所述空心金属管并与所述空心介质管接触。
4.根据权利要求1所述的介质加载波导，其特征在于，所述空心介质管和所述空心金属管都为圆柱形。
5.根据权利要求1所述的介质加载波导，其特征在于，所述空心介质管的材料为熔融石英或三氧化二铝；
所述空心金属管的材料为金、银或铜。
6.根据权利要求1所述的介质加载波导，其特征在于，所述空心金属管的内径与所述空心介质管的外径之差大于或等于0.25mm。
7.根据权利要求6所述的介质加载波导，其特征在于，所述空心介质管的内径为0.4mm，所述空心介质管的外径为0.5mm，所述空心金属管的内径大于或等于0.75mm。
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