CN109256309B - 一种s波段小型化超构材料扩展互作用振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种S波段小型化超构材料(Metamaterial)扩展互作用振荡器，属于真空微波电子器件技术领域。本发明包括输出装置和圆形谐振腔；圆形谐振腔包括金属腔体和其内填充的N个互补开口环谐振器(CSRR)单元，N为正整数；圆形谐振腔的一侧为电子注输入端，另一侧为电子注输出端；输出装置位于圆形谐振腔的中心位置，且其轴向与圆形谐振腔的径向平行。本发明将超构材料应用到扩展互作用振荡器的领域，在低频段实现器件的小型化的同时获得较高的电子效率，这在雷达、工业加热、医疗器械和大型科学装置等方面具有潜在的应用前景。

Description

一种S波段小型化超构材料扩展互作用振荡器
技术领域
本发明属于真空微波电子器件技术领域，具体涉及一种S波段小型化超构材料(Metamaterial)扩展互作用振荡器。
背景技术
由于超构材料具有异于常规材料的奇异电磁特性，包括负折射率、反向切伦科夫辐射、反向多普勒效应以及反常古斯--汉森位移特性等，使得超构材料成为当前材料和电磁波领域的研究热点。在微波频段，由于超构材料对电磁波的调控能力，使得超构材料在真空电子器件领域的应用也日益广泛，如基于超构材料的高效率微波源、高增益电阻壁放大器、高加速梯度的粒子加速器等。
基于超构材料的亚波长特性，工作在低频段的超构材料真空电子器件具有极为重要的小型化的优势(相较于常规的低频段真空电子器件)；同时由于超构材料结构上的强谐振特性，使得利用超构材料单元填充的谐振腔体具有较强的轴向电场，从而能够与电子注进行充分的互作用，实现电磁波信号的产生或者放大。因此，将超构材料谐振单元引入到电真空器件领域当中，充分利用超构材料的小型化和强谐振的特点，可以发展更高性能的微波电真空器件。
扩展互作用振荡器作为一种常规的微波源，在雷达、工业加热、医疗器械和大型科学装置等方面具有广泛的应用，如文献“Complementary split-ring resonator-baseddeflecting structure”(I.McGregor and K.M.Hock,Phys.Rev.ST Accel.Beams,16,pp.1-8，2013.)公开了一种利用超构材料的谐振单元------互补开口环谐振器(Complementary Split-Ring Resonator，简称CSRR)的粒子加速器，其仿真结果表明：在1GHz和2.3GHz处得到的分流电阻分别为1.28MΩ和5.32MΩ，其加速梯度可达到2.82MV/m～8.76MV/m。新型的真空电子器件逐渐向高功率、高效率、高增益、长使用寿命和高稳定性等方向发展；而对于低频段的器件来说，除了上述目标外，结构的小型化同样是真空电子器件的重要发展目标。将超构材料的谐振单元引入到电真空器件领域当中，可以突出小型化和高效率的优势，发展更高性能的超构材料微波源。
发明内容
本发明的目的是在低频段实现器件的小型化的同时获得较高的电子效率。本发明将超构材料谐振单元引入到扩展互作用振荡器当中，提供了一种S波段小型化超构材料扩展互作用振荡器。
本发明所采用的技术方案：
一种S波段小型化超构材料扩展互作用振荡器，包括输出装置和圆形谐振腔；圆形谐振腔包括金属腔体9和其内填充的N个CSRR单元，N为正整数；圆形谐振腔的一侧为电子注输入端7，另一侧为电子注输出端10；
CSRR单元包括金属外环1、金属内环3、内部漂移管4、金属桥5；金属外环1与金属腔体9连接；金属桥5连接金属外环1和金属内环3；金属外环1和金属内环3之间形成有耦合间隙2；金属内环3的内侧连接有内部漂移管4；内部漂移管4的中心为电子注通道6；
输出装置位于圆形谐振腔的中心位置，且其轴向与CSRR的金属桥5平行；其作用在于将更多的微波能量耦合到外部端口，从而使得该扩展互作用振荡器具有更高的电子效率；
输出装置包括同轴耦合环8和SMA同轴接头，同轴耦合环8与SMA同轴接头的金属内芯相连；
圆形谐振腔中靠近电子注输出端的三个相邻的CSRR单元之间的间距不同，且小于其他相邻的CSRR单元之间的间距；
圆形谐振腔中的CSRR单元依次呈180°中心旋转排列；
通过改变相邻CSRR单元之间的间距以及电子注电压和电流可以调节扩展互作用振荡器的目标功率和电子效率；
通过调节耦合间隙的尺寸来调节谐振频率从而改变目标信号的频率。
本发明的有益效果在于：
基于CSRR单元的强谐振和小型化特点，本发明将超构材料应用到扩展互作用振荡器的领域，在低频段实现器件的小型化的同时获得较高的电子效率，这在常规的雷达、工业加热、医疗器械和大型科学装置等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述超构材料扩展互作用振荡器的结构示意图，其中(a)为CSRR单元的平面结构示意图，(b)为CSRR单元的纵向截面示意图，(c)为超构材料扩展互作用振荡器的整体结构示意图；
图2为实施例输出信号的峰值输出功率图；
图3为实施例输出信号的频谱图；
图4为实施例在不同的电子注电压下的输出信号的频谱图；
图5为实施例在不同的电子注电压下的峰值输出功率和电子效率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明：
本实施例提供了一种S波段小型化超构材料扩展互作用振荡器，其结构示意图如图1所示，其中(a)为CSRR单元的平面结构示意图，(b)为CSRR单元的纵向截面示意图，(c)为超构材料扩展互作用振荡器的整体结构示意图，包括输出装置和圆形谐振腔；圆形谐振腔包括金属腔体9和其内填充的N个CSRR单元，N为正整数；圆形谐振腔的一侧为电子注输入端7，另一侧为电子注输出端10；
CSRR单元包括金属外环1、金属内环3、内部漂移管4、金属桥5；金属外环1与金属腔体9连接；金属桥5连接金属外环1和金属内环3；金属外环1和金属内环3之间形成有耦合间隙2；金属内环3的内侧连接有内部漂移管4；内部漂移管4在圆形谐振腔轴向的长度大于金属内环3；内部漂移管4的中心为电子注通道6；
输出装置位于圆形谐振腔的中心位置，且其轴向与CSRR的金属桥5平行。圆形谐振腔中的CSRR单元依次呈180°中心旋转排列。输出装置包括同轴耦合环8和SMA同轴接头，同轴耦合环8与SMA同轴接头的金属内芯相连。
本实施例中，N＝6，金属腔体内直径25mm，金属腔体的外直径30mm，轴向长度为90mm(包括电子注输入端和输出端以及轴向周期排列的CSRR单元)；
CSRR单元的金属外环半径为12.5mm，耦合间隙宽2mm，金属内环的半径为10.5mm，中心的内部漂移管长度为9mm，电子注半径为2.5mm，CSRR单元的厚度和内部漂移管的厚度均为1mm；
从电子注输入端至电子注输出端，相邻的CSRR单元之间的间距分别为：16mm，16mm，16mm，15.5mm和15mm；
同轴耦合环距离圆形谐振腔的轴线高度为8.5mm，耦合环的半径为3mm，同轴耦合环与标准的SMA同轴接头的金属内芯相连，其金属内芯的半径为0.5mm，同轴头的外径为3.5mm；
电子注输入端的通道长度为6mm，电子注输出端的通道长度为5.5mm，整个金属腔体的尺寸为：直径30mm，纵向长度90mm；
在上述结构参数下，该五间隙超构材料扩展互作用振荡器的电子注电压为40kV，电子注电流为4A，用于聚焦电子注的磁感应强度为0.3T，得到输出信号的峰值功率为100kW，如图2所示；
将输出信号进行傅里叶变换得到信号频谱图，如图3所示，可以发现频谱非常纯，无杂波信号，频率为2.362GHz；
进一步地，当其他的电参数不改变的情况下，改变电子注电压得到电子调谐的频谱如图4所示，输出信号的电子效率和输出功率如图5所示。从图中可知该超构材料扩展互作用振荡器的电子效率为31.2％，电子调谐范围约为340MHz。
综上所述，本发明提出的超构材料扩展互作用振荡器具有结构简单、易加工、小型化和高效率的特点。该超构材料扩展互作用振荡器同时具有横向和纵向尺寸小的特点，作为低频段的微波源，该特点具有极为重要的应用价值。另外，根据不同的设计目标可以增加CSRR单元的个数，改变相邻CSRR之间的间距以及电子注电压和电流来实现不同的目标功率和电子效率；通过调节CSRR耦合槽的结构尺寸来调节谐振频率从而改变目标信号的频率；进一步地，输出端口可以设置成双端口输出，从而减小单端口输出可能出现的射频击穿的问题。该超构材料扩展互作用振荡器在雷达、工业加热、医疗和大型科学装置等方面具有潜在的应用前景，同时该发明也为利用超构材料发展其他频段高性能的真空电子器件提供新的设计思路。

Claims (5)

1.一种S波段的小型化超构材料扩展互作用振荡器，其特征在于，该扩展互作用振荡器包括输出装置和圆形谐振腔；圆形谐振腔包括金属腔体(9)和其内填充的6个互补开口环谐振器CSRR单元；圆形谐振腔的一侧为电子注输入端(7)，另一侧为电子注输出端(10)；与电子注输入端最接近的CSRR单元与金属腔体紧密贴合，与电子注输出端最接近的CSRR单元与金属腔体紧密贴合；圆形谐振腔中靠近电子注输出端的三个相邻的CSRR单元之间的间距不同，且小于其他相邻的CSRR单元之间的间距；
CSRR单元包括金属外环(1)、金属内环(3)、内部漂移管(4)和一个金属桥(5)；金属外环(1)与金属腔体(9)连接；金属外环(1)和金属内环(3)由一个金属桥(5)连接；金属外环(1)和金属内环(3)之间形成有耦合间隙(2)；金属内环(3)的内侧连接有内部漂移管(4)；内部漂移管(4)在圆形谐振腔轴向的长度大于金属内环(3)；内部漂移管(4)的中心为电子注通道(6)；
输出装置位于圆形谐振腔的中心位置，且其轴向与CSRR的金属桥(5)平行。
2.根据权利要求1所述的S波段的 小型化超构材料扩展互作用振荡器，其特征在于，输出装置包括同轴耦合环(8)和SMA同轴接头，同轴耦合环(8)与SMA同轴接头的金属内芯相连。
3.根据权利要求1所述的S波段的 小型化超构材料扩展互作用振荡器，其特征在于，圆形谐振腔中的CSRR单元依次呈180°中心旋转排列。
4.根据权利要求1所述的S波段的 小型化超构材料扩展互作用振荡器，其特征在于，通过改变相邻CSRR单元之间的间距以及电子注电压和电流可以调节扩展互作用振荡器的目标功率和电子效率。
5.根据权利要求1所述的S波段的 小型化超构材料扩展互作用振荡器，其特征在于，通过调节耦合间隙的尺寸来调节谐振频率从而改变目标信号的频率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110718430B (zh) * 2019-09-27 2021-11-02 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种s波段三腔高功率微波器件
CN111741586A (zh) * 2020-06-15 2020-10-02 电子科技大学 一种基于扩展互作用自激振荡器(eio)的电子加速器
CN112187181B (zh) * 2020-09-28 2023-06-16 电子科技大学 一种基于史密斯帕塞尔辐射的扩展互作用振荡器设计方法
CN113363692B (zh) * 2021-06-25 2023-01-10 西南交通大学 一种超材料辐射源的信号输出装置
CN113838727B (zh) * 2021-09-16 2023-06-16 电子科技大学 一种基于单脊CeSRR单元的小型化大功率速调管

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5821693A (en) * 1994-08-03 1998-10-13 Eev Limited Electron beam tubes having a unitary envelope having stepped inner surface
CN104064422A (zh) * 2014-06-21 2014-09-24 电子科技大学 一种小型全金属慢波器件
CN106992106A (zh) * 2017-03-22 2017-07-28 电子科技大学 一种功率可调的返波振荡器
CN106997839A (zh) * 2017-03-22 2017-08-01 电子科技大学 一种基于超材料的慢波结构
CN107768216A (zh) * 2017-10-19 2018-03-06 电子科技大学 一种高效率级联返波振荡器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5821693A (en) * 1994-08-03 1998-10-13 Eev Limited Electron beam tubes having a unitary envelope having stepped inner surface
CN104064422A (zh) * 2014-06-21 2014-09-24 电子科技大学 一种小型全金属慢波器件
CN106992106A (zh) * 2017-03-22 2017-07-28 电子科技大学 一种功率可调的返波振荡器
CN106997839A (zh) * 2017-03-22 2017-08-01 电子科技大学 一种基于超材料的慢波结构
CN107768216A (zh) * 2017-10-19 2018-03-06 电子科技大学 一种高效率级联返波振荡器

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S波段左手材料振荡器;杨森;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20180815(第8期);第I135-189页 *
基于超材料的新型辐射源研究;王彦帅;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20180215(第2期);第B020-50页 *
基于超材料的新型高功率微波辐射源;聂焱;《中国优秀硕士学位论文全文数据 信息科技辑》;20180315(第3期);第I135-22页 *

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