CN111613502A - 一种基于平面表面等离子激元的慢波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平面表面等离子激元的慢波结构，涉及微波电真空技术领域，包括支撑基座和金属结构，金属结构周期性排列于支撑基座上的上表面，金属结构包括第一金属、第二金属和中间金属，第一金属、第二金属和中间金属均为表面等离子激元结构，中间金属设置在第一金属、第二金属之间，第一金属、第二金属与中间金属之间相隔一定距离，第一金属、第二金属相对于中间金属是对称分布并与中间金属呈交错分布。本发明提出的慢波结构在传播常数和功率一定的情况下具有很高的径向电场，因此具有较高的电子耦合阻抗，在行波管/返波管中可以得到较大的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及微波电真空技术领域，特别是一种基于平面表面等离子激元的慢波结构。
背景技术
真空电子器件是一种大功率微波波源，被广泛应用于雷达、制导、电子对抗、卫星通讯等领域，是很多通讯、医疗设备的核心，它的性能直接决定了装备的整体水平。随着通信、探测、军事国防、健康医疗领域的快速发展，迫切需要高功率，高可靠性，低成本的毫米波波源。真空电子器件的工作原理是利用电子与电磁场的相互作用产生辐射，将电子的能量转化为电磁波的能量。不同于目前广泛使用的微波固态器件，真空电子器件在工作过程中电子在真空中传播，可以承受较大的电压与电流，其输出功率远大于微波固态器件。目前，较为常见的几种大功率毫米波真空电子器件有：行波管、返波管、扩展互作用速调管、纳米速调管、回旋管、绕射辐射器件以及自由电子激光等。在这些辐射源中，行波管拥有无可替代的宽频特性，因此广泛应用在雷达，电子对抗，卫星通信等方面。
行波管/返波管在结构上可分为电子枪、慢波结构、输入、输出、聚焦系统和收集极等部分。电子枪发射电子，聚焦系统束缚电子束保持所需形状，电子穿过慢波电路并与在慢波电路中传播的电磁场发生耦合作用。在耦合的过程中，电磁场从电子中获取能量，在6-40个波长中将信号放大。慢波结构是行波管的重要部件，直接决定了行波管/返波管的性能，关于新型慢波结构的研究也一直是行波管研究的重点。目前常用的慢波结构有：螺旋线、耦合腔、矩形栅结构、折叠波导、微带曲折线等。在毫米波波段 (30GHz-300GHz)，现有的慢波结构都存在困难与挑战。螺旋线是带宽最宽的慢波结构，但在毫米波波段，其在加工、组装、损耗、散热方面面临很大的挑战；应用耦合腔、矩形栅结构的行波管工作带宽相对较窄；基于折叠波导的行波管带宽较宽，但电子注通道加工难度较大。
微带曲折线由于其平面结构非常适合用微电子工艺加工。但仍然存在一些问题，第一，微带曲折波导结构的介质加载特性较强。如果介质材料较厚且介质介电常数较大，电磁场能量将更集中于介质材料中，与电子的耦合阻抗较小，从而导致输出功率较小。第二，一般用半导体工艺加工微带线的输入阻抗较高，输入输入馈电结构需要较大的转换结构，从而会带来较大的损耗。
现有毫米波行波管/返波管存在输出功率较小、效率低、加工困难、电路损耗高的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于平面表面等离子激元的慢波结构，本发明提出的慢波结构在传播常数和功率一定的情况下具有很高的径向电场，因此具有较高的电子耦合阻抗，在行波管/返波管中可以得到较大的输出功率。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于平面表面等离子激元的慢波结构，包括支撑基座和金属结构，金属结构周期性排列于支撑基座上的上表面，金属结构包括第一金属、第二金属和中间金属，第一金属、第二金属和中间金属均为表面等离子激元结构，中间金属设置在第一金属、第二金属之间，第一金属、第二金属与中间金属之间相隔一定距离，第一金属、第二金属相对于中间金属是对称分布并与中间金属呈交错分布。
作为本发明所述的一种基于平面表面等离子激元的慢波结构进一步优化方案，支撑基座为六面体型介质基底。
作为本发明所述的一种基于平面表面等离子激元的慢波结构进一步优化方案，支撑基座的材料为相对介电常数为2-100的介电材料，支撑基座的材料为环氧树脂材料、陶瓷、或半导体材料。
作为本发明所述的一种基于平面表面等离子激元的慢波结构进一步优化方案，第一金属、第二金属均为“凹”型，中间金属为十字形。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
通过电磁仿真对该结构进行设计仿真，可以发现，此结构相比矩形交错双栅慢波系统有以下两个优点：
（1）拥有较高的电子耦合阻抗，行波管/返波管具有较高的输出功率。
（2）本发明提出的结构更易于用微电子工艺进行加工，大大减小加工难度，适于批量生产，生产成本低。
（3）馈电方式简单。
通过本发明可以完美解决现有的毫米波行波管电路损耗高、加工难的问题，为高性能毫米波行波管提供新的思路。
附图说明
图1是提出的表面等离子激元慢波结构。
图2是本发明提出的慢波结构的一个周期的示意图；其中，（a）是下方的六面体型介质基底支撑，（b）是覆盖在支撑材料上的金属结构。
图3a是本发明提出的表面等离子激元慢波结构的一个周期单元，图3b是微带曲折线慢波结构的一个周期单元。
图4是通过仿真软件仿真表面等离子激元慢波结构和微带曲折线慢波结构中的电磁波传输特性。
图5是仿真距离慢波结构偏右0.17mm，距表面0.05mm处的电子耦合阻抗。
图6为此表面等离子激元慢波结构的馈电示意图。
图7是通过共面波导馈电的慢波结构的电磁传输和反射结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提出一种新型的基于类表面等离子激元的慢波结构。作为一种特殊的传输线结构，它能支持TM表面波传播。由于慢波结构的电子耦合阻抗等于|Ez|- 2/2βP，其中Ez为径向电场，β为传播常数，P为功率。本发明提出的慢波结构在传播常数和功率一定的情况下具有很高的径向电场，因此具有较高的电子耦合阻抗，在行波管/返波管中可以得到较大的输出功率。另外，由于此慢波结构所使用的介质材料可以直接采用微电子技术中常用的硅锗等材料，并且只有一层金属，加工方式和加工流程得到了大大简化，是一种具有较大潜力的适用于毫米波波段行波管的慢波结构。
图1是提出的表面等离子激元慢波结构，该结构为周期性结构，应用在行波管和返波管应用中时，周期数目从15-150不等。图2为提出的慢波结构的一个周期的示意图，图2中的（a）是下方的六面体型介质基底支撑，图2中的（b）是覆盖在支撑材料上的金属结构。慢波结构由两部分组成，一部分是下方的六面体型介质基底支撑，支撑材料为相对介电常数为2-100的介电材料，具体可以为氧化铝、硅、锗、金刚石等。另外一部分为覆盖在支撑材料上的金属结构，金属结构分为三部分，3片金属结构均为表面等离子激元结构，左右两片金属对称分布，并与中间金属部分呈交错分布。尺寸如图2所示，实施例中，支撑材料为硅，介电常数为11.8，损耗正切为0.0001，表面金属材料为铜，导电率为2.5*10^6 S/m。实施例中，表面等离子激元慢波结构的尺寸为： p = 0.4 mm, d=0.05 mm, w = 0.16 mm, h = 0.2 mm,L = 0.2 mm, g = 0.04 mm。第一金属、第二金属均为“凹”型，中间金属为十字形，h为支撑基座的厚度，p为相邻金属结构的排列周期长度，g为第一金属与中间金属的间隔距离，d为凹型的纵向第一宽度，L为凹型的纵向第二宽度，w为中间金属的横向边长。
对比图3a、图3b中本发明提出的表面等离子激元慢波结构和微带曲折线慢波结构，两种结构具有完全相同的介质支撑结构，表面等离子激元慢波结构只有支撑材料的上表面有金属，微带曲折线慢波结构除了上表面的金属外，下表面存在金属地。通过仿真软件仿真两种慢波结构中的电磁波传输特性，结果如图4所示，可以发现两种慢波结构拥有非常近似的电磁波传播特性，在0-80GHz内具有传输特性。仿真距离慢波结构偏右0.17mm，距表面0.05mm处的电子耦合阻抗，结果如图5所示，可以发现，无论是行波管还是返波管，表面等离子激元慢波结构的耦合阻抗都远高于微带曲折线慢波结构。
图6为此表面等离子激元慢波结构的馈电示意图，由于此结构具有天然的共面特性，可以自然地用共面波导来馈电，通过共面波导馈电的慢波结构的电磁传输和反射结果如图7所示，可以看到S11（电磁反射）在0-70.6GHz均低于-15 dB，满足行波管/返波管的应用需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于平面表面等离子激元的慢波结构，其特征在于，包括支撑基座和金属结构，金属结构周期性排列于支撑基座上的上表面，金属结构包括第一金属、第二金属和中间金属，第一金属、第二金属和中间金属均为表面等离子激元结构，中间金属设置在第一金属、第二金属之间，第一金属、第二金属与中间金属之间相隔一定距离，第一金属、第二金属相对于中间金属是对称分布并与中间金属呈交错分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面表面等离子激元的慢波结构，其特征在于，支撑基座为六面体型介质基底。
3.根据权利要求1所述的一种基于平面表面等离子激元的慢波结构，其特征在于，支撑基座的材料为相对介电常数为2-100的介电材料，支撑基座的材料为环氧树脂材料、陶瓷、或半导体材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于平面表面等离子激元的慢波结构，其特征在于，第一金属、第二金属均为“凹”型，中间金属为十字形。
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