CN112751173B

CN112751173B - 基于切伦科夫辐射机制的超材料慢波结构单元及慢波结构

Info

Publication number: CN112751173B
Application number: CN202011585137.XA
Authority: CN
Inventors: 贺军涛; 孔祥天; 令钧溥; 皮明瑶; 何宇放
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2040-12-23
Also published as: CN112751173A

Abstract

本发明属于超材料与微波源技术的交叉领域，具体涉及一种基于切伦科夫辐射机制的超构材料慢波结构单元及超构材料慢波结构，包括空心金属圆波导、第一超材料谐振单元和第二超材料谐振单元。本发明具有以下技术效果：能在相同尺寸空心圆波导的截止频率之下工作，具有小型化的优势；具有较高的耦合阻抗，可以提高效束波互作用；具有均匀准TM01模式场分布的优势，均匀场分布能够提升束波互作用效率；能够让电子束在行进过程中感受到更多的导体结构，降低电子束的势能，从而使其有更大的动能，提升空间极限电流；可有效减少厚度太薄而导致的结构边缘场集中问题，减少器件的击穿风险；同时也增加了电子束感受到的导体部分，可以提升空间极限电流。

Description

基于切伦科夫辐射机制的超材料慢波结构单元及慢波结构

技术领域

本发明属于超材料与微波源技术的交叉领域，具体涉及一种基于切伦科夫辐射机制的超构材料慢波结构单元以及由该单元组成的超构材料慢波结构，有利于改善慢波结构中场分布的均匀性，提升束波互作用效率并有效缩减微波源的体积。

背景技术

超材料(Metamaterial，以下简称MTM)是具有人工的、三维的、周期的元胞结构的宏观亚波长复合材料，被设计为可以产生自然界所不具备的性质的优化组合，对特定的激励会产生两种或两种以上的反应[Munk B.Metamaterials:Critique and Alternatives[M]//Metamaterials:critique and alternatives.John Wiley,2009.]。超材料因其拥有天然材料所不具备的负折射、反向切伦科夫辐射、逆向多普勒等效应而受到研究人员的广泛关注。近年来超材料研究在天线、隐身斗篷、吸波材料等领域均取得了重大进展，在电真空器件的应用也是当前研究的一大热点。比如超材料的反向切伦科夫辐射特性就为其在基于切伦科夫辐射机制的电真空微波源中的应用提供了可能，这一点和返波管的工作机制类似。

慢波结构(Slow-wave Structure，以下简称SWS)是微波源的核心部件，是电子束与电磁波进行相互作用，将高能电子束能量转化为高频电磁场能量的场所；而微波源又是整个微波系统中最复杂最重要的组成部分，所以慢波结构的性能直接影响整个微波系统的工作特性。由于光滑金属波导只能传输快波(相速度v_p大于光速c的电磁波)，而狭义相对论的基本结论之一是物体的运动速度不能超过光速，具体到微波源中也就是电子束的运动速度不可能超过光速。所以当电子束穿过光滑金属波导管时，自身速度小于光速，波导管中传输的电磁波相速度大于光速，两者速度无法匹配，也就无法交换能量、达到把电子束能量交给高频场的目的。为了解决这一问题，慢波结构应运而生，其基本原理是通过一些特殊的设计或者加入一些“叶片”使得波导壁不再光滑，将电磁波的相速度降低到光速之下，从而和电子束的运动速度相匹配。

传统微波源慢波结构在几何尺寸上存在D～λ共度性，即微波源的横向尺寸D和它产生微波的波长λ基本保持在相同的数值量级上，该特性限制了微波源横向尺寸的减小，阻碍了整个器件的小型化道路。但是研究人员发现，加载了超材料的金属波导可以使TE波(或TM波)在其截止频率之下工作，这一特性可有效减小慢波结构的体积，使其具有小型化优势。[Marqués,R,Martel J,Mesa F,et al.Left-handed-media simulation andtransmission of EM waves in subwavelength split-ring-resonator-loadedmetallic waveguides[J].Physical Review Letters,2002,89(18):183901.&Esteban J,Camacho-Penalosa C,Page J E,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(4):1506-1514.]这方面做出代表性工作的是美国新墨西哥大学Edl教授研究组设计的开口谐振环超材料慢波结构[Yurt S C,Fuks M I,Prasad S,et al.Design of a metamaterialslow wave structure for an O-type high power microwave generator[J].Physicsof Plasmas,2016,23(12):123115.](以下称为现有技术1)和国内电子科技大学段兆云教授研究组提出的圆形超材料慢波结构[王彦帅.基于超材料的新型辐射源研究[D].电子科技大学博士论文，2017](以下称为现有技术2)。这两种超材料慢波结构(以下简称MTM-SWS)均能使器件工作在相同尺寸的金属波导截止频率之下，具有显著的小型化优势。

现有技术1虽然拥有突破了百兆瓦级别的微波输出功率，但是该方案存在束波转换效率低、场分布不均匀等问题；现有技术2虽然拥有较高的束波转换效率(大于50％)和较为均匀的场分布，但是存在无法兼顾高输出功率和高束波转换效率的问题。国防科技大学贺军涛研究员课题组的戴欧志雄硕士在综合现有技术1和现有技术2的基础上，创造性地将同一个周期内的两个超材料前后正交排列并改进电子束传输通道，提出了适用于强流相对论高功率工作环境的MTM-SWS[Ouzhixiong Dai,Juntao He,Junpu Ling,Lei Wang,andJianxun Han.A novel L-band slow wave structure for compact and high-efficiency relativistic Cerenkov oscillator[J].Phys.Plasmas 25,093103,2018.](以下称现有技术3)，在束波转换效率、场分布、高输出功率等方面做出了一些有意义的工作，但是在实验和仿真中，这种结构的空间极限电流较低，限制了注入功率，从而影响了输出功率的提高。

由上可知，传统的慢波结构面临小型化与高效率的障碍，现有的MTM-SWS具有小型化、高束波互作用效率等潜力，但是在高功率、均匀场分布、大空间极限电流、高转换效率等指标的兼顾上还存在一些需要改进的地方。本发明提出的一种新型的超材料慢波结构，首先具有小型化、均匀场分布以及较高的功率容量的特性；其次拥有较高的耦合阻抗，这意味着较高的束波互作用效率潜力；最后通过在谐振叶片上加入一小段漂移管的设计，使得电子束更加靠近导体结构，具有较高的空间极限电流潜力，有望拓展超材料微波源的设计思路。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于切伦科夫辐射机制的超材料慢波结构单元及由该单元组成的超材料慢波结构，克服传统慢波结构体积大、束波转换效率低的问题；同时也克服现有的超材料慢波结构存在的无法兼顾高功率、高效率、均匀场分布、大空间极限电流的问题。

本发明的技术方案是：

一种基于切伦科夫辐射机制的超材料慢波结构单元，包括空心金属圆波导1、第一超材料谐振单元2和第二超材料谐振单元3，所述空心金属圆波导1为微波源外导体，所述第一超材料谐振单元2和第二超材料谐振单元3结构参数一致，两者关于XOY平面镜像排列，共同嵌入空心金属圆波导1内部，组成单个周期的慢波结构；第一超材料谐振单元2和第二超材料谐振单元3之间的距离为d，满足4mm≤d≤10mm。

所述超材料谐振单元包括漂移管A和超材料谐振结构B，所述漂移管A的内半径为r1，管壁厚度为t2，长度为L1，满足20mm≤r1≤32mm,1mm≤t2≤4mm,3mm≤L1≤7mm，所述超材料谐振结构B的内半径为r1，外半径为r3，长度为t1，满足42mm≤r3≤48mm,4mm≤t1≤8mm,且r3>(r1+t2+d3)；在超材料谐振结构B外侧，周期性地挖出四个“山”字形结构，“山”字的中间笔画的厚度为d2，满足4mm≤d2≤6mm，组成支撑杆，用于将超材料谐振单元固定在空心金属圆波导1上，“山”字两边凹陷的宽度均为d1、凹陷的深度均为d3，满足3mm≤d1≤6mm,2mm≤d3≤5mm，超材料谐振结构B外侧除四个“山”字形结构的其余部分为外半径为r2的异形结构，满足r2＜r3且28mm≤r2≤40mm；

所述空心金属圆波导1、第一超材料谐振单元2和第二超材料谐振单元3为不锈钢或铜等材料。

本发明还提供一种由上述超材料慢波结构单元组成的超材料慢波结构，所述慢波结构的周期为p，满足35mm≤p≤50mm且p>[2*(t1+L1)+d]，n个慢波结构单元沿微波源轴向(Z向)周期排列，组成超材料慢波结构，n一般取5—10。

本发明的工作原理是：在上文中给定的超材料慢波结构单元参数范围之内，超材料慢波结构在设计频段具有等效的负介电常数ε和负磁导率μ，此时整个宏观材料呈现出负的折射率特性(即折射率n<0)。

光在介质中的传播速度为v＝c/|n|，c为真空中光速；当带电粒子在介质中以超过这个速度运动时，产生的诱导电流激发出的次波与电磁场干涉形成辐射，将会在运动方向上辐射出光锥，而且波的传播方向与粒子运动方向的夹角θ满足cosθ＝c/(nv)，这个就是切伦科夫辐射。

当传播介质为超材料时，由于此时介质的折射率n为负值，所以波传播方向与运动方向之间夹角为一钝角，此时的辐射场为一后向光锥，也就是超材料中的反向切伦科夫辐射，即返波场。相对论电子束与超材料慢波结构中的TM模式的返波相互作用，使得电子束被速度调制和密度调制，进而提取出微波。

此外，超材料慢波结构能够传输相同尺寸空心圆波导截止频率之下的TM模式，所以能够达到小型化效果。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明提出的超材料慢波结构能在相同尺寸空心圆波导的截止频率之下工作，具有小型化的优势；

2.本发明提出的超材料慢波结构具有较高的耦合阻抗，可以提高效束波互作用；

3.采用两对四根金属杆开口以及两个结构单元镜像放置，具有均匀准TM01模式场分布的优势，均匀场分布能够提升束波互作用效率；

4.采用增加一段金属漂移管设计，能够让电子束在行进过程中感受到更多的导体结构，降低电子束的势能，从而使其有更大的动能，提升空间极限电流；

5.超材料慢波结构单元具有一定的厚度，可有效减少厚度太薄而导致的结构边缘场集中问题，减少器件的击穿风险；同时也增加了电子束感受到的导体部分，可以提升空间极限电流。

附图说明

图1为背景介绍中现有技术1公开的慢波结构示意图；

图2为背景介绍中现有技术2公开的慢波结构示意图；

图3为背景介绍中现有技术3公开的慢波结构示意图；

图4为本发明提供的超材料慢波结构单元中超材料谐振单元示意图：(a)超材料谐振单元的前视图，(b)超材料谐振单元的侧视图，(c)漂移管放置图；

图5为本发明提供的超材料慢波结构单元中超材料谐振单元组合示意图和整体结构图：(a)超材料谐振单元组合示意图，(b)超材料慢波结构单元整体结构图；

图6为本发明提供的超材料慢波结构单元组成超材料慢波结构示意图；

图7为本发明提供的慢波结构准TM01模式的电场分布图；

图8为本发明提供的慢波结构在准TM01模式的色散曲线；

图9为本发明提供的慢波结构在准TM01模式的耦合阻抗。

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rin，外半径为rout，厚度为h，圆波导内半径为Win，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，相互反向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为背景介绍中现有技术2公开的超材料慢波结构的结构示意图。该结构由超材料谐振单元1、圆波导2组成。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rbeam，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1嵌入到周期长度为p的圆波导中间位置。这种结构场分布均匀性欠佳，并且难以兼顾高功率和高效率。

图3为背景介绍中现有技术3公开的L波段超材料慢波结构的结构示意图。图3和图2的不同点在于将两片相同的超材料谐振叶片正交排列，提高场分布的均匀性；并且扩宽了电子束通道，使其可以适用于强流相对论环形束的工作环境。

图4和图5为本发明提出的一种新型的超材料慢波结构单元示意图。包括空心金属圆波导1、第一超材料谐振单元2和第二超材料谐振单元3。图6为五周期慢波结构单元沿轴向排列而成的慢波结构示意图。

本优选实施例展示了工作频率范围在1.8-2.0GHz，且工作模式为准TM01模式的L波段超材料慢波结构，相应的尺寸设计为：r1＝30mm,r2＝40mm,r3＝44m,d＝5mm,d1＝6mm,d2＝6mm,d3＝4mm,t1＝6mm,t2＝2mm,L1＝5mm,p＝44mm，n＝5。

参见图7，可知本发明提出的超材料慢波结构具有较为均匀的场分布，可以充分地与环形电子束相互作用；此外仿真本征模求解得到腔体最大场强为1.2MV/cm，基本满足低于击穿阈值的要求。

由图8可知该结构工作模式的慢波通带为1.8-2.0GHz左右，对应的微波波长为150.0-157.9mm；而相同尺寸(半径为44mm)的空心圆波导的截止频率为2.6GHz，对应的波长为115.0mm，这证明了该慢波结构能在相同尺寸的空心圆波导截止频率之下工作，具有小型化优势。

参见图8，可知慢波结构色散特性为负，具有异常色散。色散线上的点的切线斜率为负值，说明群速度为负，即零次空间谐波具有返波特性。此外色散曲线变化平缓，说明其具有较大的电压工作范围。

参见图9，可知在整个慢波通带内，本发明提出的超材料慢波结构的耦合阻抗均大于50欧姆，大部分超过100欧姆，具有高耦合阻抗特性，有利于束波互作用的高效进行。

Claims

1.一种基于切伦科夫辐射机制的超材料慢波结构单元，其特征在于：包括空心金属圆波导(1)、第一超材料谐振单元(2)和第二超材料谐振单元(3)，所述空心金属圆波导(1)为微波源外导体，所述第一超材料谐振单元(2)和第二超材料谐振单元(3)结构参数一致，两者关于XOY平面镜像排列，共同嵌入空心金属圆波导(1)内部，组成单个周期的慢波结构；第一超材料谐振单元(2)和第二超材料谐振单元(3)之间的距离为d，满足4mm≤d≤10mm；

所述超材料谐振单元包括漂移管(A)和超材料谐振结构(B)，所述漂移管(A)的内半径为r1，管壁厚度为t2，长度为L1，满足20mm≤r1≤32mm,1mm≤t2≤4mm,3mm≤L1≤7mm，所述超材料谐振结构(B)的内半径为r1，外半径为r3，长度为t1，满足42mm≤r3≤48mm,4mm≤t1≤8mm,且r3>(r1+t2+d3)；在超材料谐振结构(B)外侧，周期性地挖出四个“山”字形结构，“山”字的中间笔画的厚度为d2，满足4mm≤d2≤6mm，组成支撑杆，用于将超材料谐振单元固定在空心金属圆波导(1)上，“山”字两边凹陷的宽度均为d1、凹陷的深度均为d3，满足3mm≤d1≤6mm,2mm≤d3≤5mm，超材料谐振结构(B)外侧除四个“山”字形结构的其余部分为外半径为r2的异形结构，满足r2＜r3且28mm≤r2≤40mm。

2.一种根据权利要求1所述基于切伦科夫辐射机制的超材料慢波结构单元，其特征在于：所述空心金属圆波导(1)、第一超材料谐振单元(2)和第二超材料谐振单元( 3) 为不锈钢或铜。

3.一种根据权利要求1或2所述超材料慢波结构单元组成的超材料慢波结构，其特征在于：所述慢波结构的周期为p，满足35mm≤p≤50mm且p>[2*(t1+L1)+d]，n个慢波结构单元沿微波源轴向周期排列，组成超材料慢波结构，n取5—10。

4.一种根据权利要求3所述超材料慢波结构，其特征在于：慢波结构单元的个数n＝5。

5.一种根据权利要求3或4所述超材料慢波结构，其特征在于：工作频率范围在1.8-2.0GHz，且工作模式为准TM01模式的L波段超材料慢波结构，相应的尺寸设计为：r1＝30mm,r2＝40mm,r3＝44m,d＝5mm,d1＝6mm,d2＝6mm,d3＝4mm,t1＝6mm,t2＝2mm,L1＝5mm,p＝44mm，n＝5。