CN110233091A - 左手材料扩展互作用速调管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种左手材料扩展互作用速调管，属于微波真空电子器件领域。该速调管包括输入腔、中间腔、输出腔、以及两段漂移管；所述输入腔、中间腔、输出腔为内部设置有一组互补电开口谐振器单元的圆柱形谐振腔。本发明采用互补电开口谐振器单元结构保证了速调管工作在特定的频段，且圆形电子注通道外侧设置有内部漂移管用来减小高频间隙，同时具有扩展带宽和增强轴向电场的作用。本发明速调管在高增益、小型化和高效率方面具有极为明显的优势，因此可在雷达，工业加热和卫星通信方面具有广泛的应用前景。

Description

左手材料扩展互作用速调管

技术领域

本发明属于微波真空电子器件领域，具体内容涉及左手材料、扩展互作用速调管(EIK)放大器和扩展互作用振荡器(EIO)等领域。

背景技术

超材料是一种人工合成的亚波长结构，具有天然材料所不具备的超常物理性质，且这些特性取决于材料的人工单元结构的形状、几何尺寸和不同单元结构的排列方式，而非材料本身的性质。广义的超材料包括负介电常数材料、负磁导率材料、左手材料(又称为双负材料或负折射率材料)、近零折射率材料、超高折射率材料等，而本发明中所涉及的超材料特指左手材料。由于左手材料具有不同于常规材料的奇异特性，如负折射率、反向切伦科夫辐射和反向多普勒效应等，从而使得左手材料成为当前人工电磁材料、微波、光学和声学等领域的研究热点之一。左手材料的亚波长结构特性，使得基于左手材料的真空电子器件可以实现小型化；同时，由于左手材料的强谐振特性，使得由左手材料构成的慢波结构具有极高的轴向电场，从而使得左手材料慢波结构的耦合阻抗远大于常规的慢波结构的耦合阻抗。这些新奇的电磁特性，使得左手材料在真空电子器件领域具有广泛的应用前景。论文“All-metal metamaterial slow-wave structure for high-power sources with highefficiency”(Y.Wang,Z.Duan,X.Tang,et al.,Appl.Phys.Lett.,107(15),pp.153502:1-5，2015.)中首次提出了基于互补电开口谐振器(Complementary electric SplitRingResonator,CeSRR)的左手材料，该左手材料具有强谐振和小型化的特点。通过仿真研究发现该左手材料的基模具有较强的轴向电场，并预测这种左手材料适用于真空电子器件。例如，利用填充CeSRR设计的S波段返波振荡器，它具有远大于常规返波管的电子效率(约为45％)，具有高于常规返波振荡器的输出功率(约为4.5MW)，并且具有小型化的优点(Y.Wang,Z.Duan,F.Wang,et al.,“S-Band high-efficiency metamaterial microwavesources”,IEEE Trans.Electron Dev.,63,pp.3747-3752，2016.)。

左手材料作为一种新型的电磁媒质，当带电粒子从真空进入到左手材料中，原来所建立的空间电荷场必定发生改变，在真空和左手材料的分界面上会产生一种新型的渡越辐射。俄罗斯圣彼得堡大学的研究小组针对这种新型的渡越辐射展开了理论研究，从理论上得到辐射场分量的表达式，其研究表明这种辐射具有大于常规渡越辐射的辐射强度(S.N.Galyamin,A.V.Tyukhtin,A.Kanareykin,et al.,“Reversed Cherenkov-transitionradiation by a charge crossing a left-handed medium boundary”,Phys.Rev.Lett.,103(19),pp.194802:1-4，2009.)，但是该论文仅从理论上预言了带电粒子穿过常规材料和左手材料介质的分界面上的新型渡越辐射以及左手材料中的反向切伦科夫辐射，并指出这种特性在粒子检测、加速器和左手材料参数表征上的潜在应用，相关的实验工作还没有见诸报道。在真空电子器件领域，这一全新的基于左手材料的渡越辐射机理将有利于发展新型的左手材料EIK和EIO。

综上所述，基于常规S波段速调管的发展现状，我们首次提出了基于左手材料的渡越辐射机理的S波段小型化高效率EIK。当然，这种方法同样适用于研究基于左手材料的小型化高效率EIO。基于该辐射机理，根据缩尺原理，可以通过减小尺寸发展新型的毫米波甚至太赫兹波段的左手材料EIK和EIO。在微波频段，左手材料EIK在解决高功率、高效率和小型化上具有极大的应用前景，尤其是在工业加热，医用加速器和大型科学装置等诸多领域具有重要的应用价值；在毫米波、亚毫米波和太赫兹波段，左手材料EIK和EIO在卫星通信、云卫星和星载雷达等方面具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明基于左手材料中的渡越辐射机理，提出了一种S波段的小型化、高增益、高效率的三腔EIK，并在此基础上讨论了输入腔与中间腔之间加衰减材料对EIK性能的影响。

本发明所采用的技术方案：

一种左手材料扩展互作用速调管，包括输入腔、中间腔、输出腔、以及两段漂移管；所述输入腔、中间腔、输出腔均为内部设置有一组互补电开口谐振器单元的圆柱形谐振腔；所述输入腔一侧为电子注输入端，另一端通过第一段漂移管连接中间腔，所述输入腔还设置有一个T型同轴输入结构；所述输出腔一侧为电子输出端用于连接收集极，另一侧通过第二段漂移管连接中间腔，所述输出腔还设置有一个T型同轴输出结构。

进一步地，所述第一段漂移管外侧设置有一层厚度均匀的衰减器，用来减小被调制的电子注的杂频信号分量。

进一步地，所述输入腔、中间腔和输出腔的每组相邻的互补电开口谐振器单元之间的周期长度相同。

进一步地，所述两段漂移管为内径与电子注通道半径相同的圆波导结构。

进一步地，所述输入腔、中间腔、输出腔中，互补电开口谐振器单元周期长度依次递减。

进一步地，所述输入腔、中间腔、输出腔中均含有四个互补电开口谐振器单元。

进一步地，所述互补电开口谐振器单元包括金属外环、耦合间隙、金属内环、以及连接金属内外环的两段金属桥，所述金属桥与金属内环连接处设置有凹槽结构，所述金属内环中心为电子注通道，并且电子注通道外侧设置有一段内部漂移管。

本发明左手材料EIK的谐振腔体均由圆柱形谐振腔填充CeSRR阵列结构组成，CeSRR单元结构保证了输入腔、中间腔和输出腔工作在特定的频段，且阵列的圆形电子注通道外侧设置有内部漂移管用来减小高频间隙(即相邻CeSRR之间的距离)，同时具有扩展带宽和增强轴向电场的作用。采用T型同轴输入结构输入信号可以方便地调节输入腔的外部品质因数，同时减小由于S波段导致的波导的大体积，在横向上实现器件的小型化。利用粒子模拟软件优化两段漂移管，使得输出腔的电子注群聚达到最优，从而使电子效率最大。输出腔中CeSRR单元的周期长度小于输入腔的周期长度，从而能更好的提取出微波能量，达到进一步提高电子效率的目的。输出腔的高频间隙为非等间距，且小于输入腔的高频间隙的长度，这种方法对于提高电子效率和拓展带宽均有很好的优势。输出结构与输入结构的同轴参数相同，均为标准的SMA同轴接头，而输出结构的T型头的长度和高度的选择同样是从效率、带宽和工作频率等方面考虑的，所用材料为无氧铜(在具体实施过程中可根据实际情况选择其它良导体如铝、金、不锈钢等)。

本发明的左手材料EIK工作在S波段(具体的工作频率可调节左手材料结构尺寸来加以改变)，其工作频率为2.457GHz。当电子注电压和电流分别为33.5kV和4A、轴向均匀磁场为0.15T、输入信号功率为0.72W时，得到放大信号的峰值输出功率102.3kW(平均功率51.15kW)，增益48.5dB和电子效率39％。

由此可知，本发明的左手材料EIK在高增益、小型化和高效率方面具有极为明显的优势，因此可在雷达，工业加热和卫星通信方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是左手材料EIK的结构示意图；其中，图1(a)为互补电开口谐振器(CeSRR)的主视图，图1(b)为CeSRR的左视图，图1(c)为EIK输入腔结构示意图，图1(d)为左手材料EIK整体结构示意图。

图2是EIK放大信号的峰值输出功率图；

图3是EIK输出信号的频谱图；

图4是EIK在不同的输入功率下的输出信号的增益和电子效率图；

图5是EIK在不同频率的输入信号下的峰值输出功率图；

图6是在不同的轴向均匀磁场下对应的峰值输出功率图。

附图标号说明：

1：金属外环，2：耦合间隙，3：电子注通道，4：金属桥，5：凹槽，6：内部漂移管，7：金属内环，8：T型同轴输入结构，9：电子注输入端，10：圆柱谐振腔外壁，11：衰减器，12：第一段漂移管，13：第二段漂移管，14：T型同轴输出结构，15：电子注输出端；A、B、C分别为输入腔、中间腔和输出腔。

具体实施方式

结合附图及具体实施例，对本发明做进一步介绍：

图1为本发明实施例的结构示意图，该左手材料EIK的尺寸为：圆柱形谐振腔内直径均为36mm，电子注通道半径为4mm，腔体壁厚为2mm。输入腔A的长度为68.5mm，相邻的互补电开口谐振器周期长度为20mm，其内部漂移管的长度均为8.5mm，T型头长度11mm，T型头距离中心轴线高度10mm，同轴输入结构的内径和外径分别为0.5mm和3.5mm。中间腔B的长度为66.8mm，中间腔相邻的互补电开口谐振器周期长度为19.5mm，其内部漂移管长度为8.3mm。输出腔C的长度为63.8mm，T型头长度为12mm，距离中心轴线高度为9mm，输出腔中相邻互补电开口谐振器周期为18.5mm，对应的内部漂移管长度分别为8.5mm、8.5mm、8.0mm和8.0mm。第一段漂移管的长度为45mm，第二段漂移管的长度为50mm。CeSRR中金属外环的直径为36mm，金属外环宽为2mm，金属内环直径为26mm，电子注通道直径8mm，耦合间隙宽度为3mm，金属桥宽度为2mm，金属桥两侧的凹槽的宽度和深度分别为3mm、2mm；CeSRR和内部漂移管的厚度均为1mm。另外，第一段漂移管外侧填充有3mm厚的氧化铍(BeO)衰减材料(其相对介电常数为6.5，损耗角正切值为0.5。)用于减小高频振荡，使得进入中间腔作进一步密度调制的电子注更加稳定。

在上述结构参数下，对于三腔左手材料EIK，当电子注电压为33.5kV，电子注电流为4A，用于聚焦电子注的磁感应强度为0.15T，输入信号为0.72W时，得到放大信号的峰值输出功率为102.3kW，其对应的平均功率为51.15kW，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2.4574GHz，与输入信号2.457GHz有很小的差别(这是由于电子注负载引起的)；进一步地，当输入信号频率固定在2.457GHz时，不同的输入功率对应的电子效率和增益如图4所示。从图中可知该三腔EIK的最大电子效率为39％，对应的增益为48.5dB。将输入腔设计为三间隙结构，使得进入输出腔的电子注获得更大的基波调制电流，从而进一步提高电子效率。图5为当电子注电压和电流分别为33.5kV和4A，用于聚焦电子注的磁感应强度为0.2T，输入信号功率为0.5W时，得到的不同的输入信号频率下对应的放大信号的峰值输出功率。图6为在不同的轴向均匀磁场条件下所对应的峰值输出功率，由此可见，该左手材料EIK在相对低的轴向均匀磁场(0.1T)条件下即可得到较大的输出。

综上所述，本专利提出的基于左手材料中渡越辐射机理的EIK是一种高增益、高效率、小型化、易于实现的低频段左手材料EIK，在三腔结构下得到了很好的性能。左手材料EIK通常以多腔结构实现高增益、高效率和宽带宽。因此，在上述结构基础上采用四腔甚至多腔结构有利于获得更好的性能，同时采用不等周期长度和高频间隙具有进一步提高效率的潜能，可以通过增加周期长度来继续提高输出功率。因此，多间隙的谐振腔在调谐带宽、增加效率和缩短轴向长度上具有一定的优势。基于该左手材料还可以设计类似的左手材料扩展互作用振荡器(EIO)。该三腔(或者多腔)左手材料EIK在雷达、工业加热和卫星通信等方面具有广泛的应用前景，同时也为利用左手材料发展其他频段小型化、高性能的电真空器件提供新的设计思路。

Claims (7)

1.一种左手材料扩展互作用速调管，包括输入腔、中间腔、输出腔、以及两段漂移管，其特征在于：所述输入腔、中间腔、输出腔均为内部设置有一组互补电开口谐振器单元的圆柱形谐振腔；所述输入腔一侧为电子注输入端，另一端通过第一段漂移管连接中间腔，所述输入腔还设置有一个T型同轴输入结构；所述输出腔一侧为用于连接收集极的电子输出端，另一侧通过第二段漂移管连接中间腔，所述输出腔还设置有一个T型同轴输出结构。

2.如权利要求1所述的一种左手材料扩展互作用速调管，其特征在于：所述第一段漂移管外侧设置有一层厚度均匀的衰减器。

3.如权利要求1所述的一种左手材料扩展互作用速调管，其特征在于：所述输入腔、中间腔和输出腔的每组相邻的互补电开口谐振器单元之间的周期长度相同。

4.如权利要求1或3所述的一种左手材料扩展互作用速调管，其特征在于：所述输入腔、中间腔、输出腔中，互补电开口谐振器单元周期长度依次递减。

5.如权利要求1或3所述的一种左手材料扩展互作用速调管，其特征在于：所述输入腔、中间腔、输出腔中均含有四个互补电开口谐振器单元。

6.如权利要求1所述的一种左手材料扩展互作用速调管，其特征在于：所述互补电开口谐振器单元包括金属外环、耦合间隙、金属内环、以及连接金属内外环的两段金属桥，所述金属桥与金属内环连接处设置有凹槽结构，所述金属内环中心为电子注通道，并且电子注通道外侧设置有一段内部漂移管。

7.如权利要求6所述的一种左手材料扩展互作用速调管，其特征在于：所述两段漂移管为内径与电子注通道半径相同的圆波导结构。