CN112820608B - 一种基于超材料的低频段慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高功率微波领域的微波源器件，是一种基于超材料的低频段慢波结构，包括第一超材料谐振单元、第二超材料谐振单元、圆波导；第一超材料谐振单元与第二超材料谐振单元成45度旋转耦合排列，形成慢波结构的单个周期；本发明具有以下技术优势：采用了基于超材料的慢波结构，可以工作在同尺寸空心金属圆波导截止频率以下，具有横向小型化优势；由于超材料亚波长特性，慢波结构周期较短，轴向具有小型化优势；由于超材料慢波结构的局域场增强效应，慢波结构具有更高耦合阻抗，器件具有更高束波互作用效率的优势；超材料慢波结构间强烈的电磁耦合，对相对论电子束调制较强，使得器件具有更短的起振时间。

Description

一种基于超材料的低频段慢波结构

技术领域

本发明涉及高功率微波领域的微波源器件，是一种基于超材料的低频段慢波结构。

背景技术

高功率微波源作为高功率微波的产生场所，是高功率微波系统中的核心器件。其工作原理是利用相对论电子束与高频结构的本征模式相互作用，得到高功率微波辐射。

传统的低频段高功率微波源例如相对论速调管、磁绝缘线振荡器、渡越器件、相对论磁控管等由于对导引磁场的需求等原因，都普遍存在小型化程度不足，器件较为庞大以及束波互作用效率较低的问题。

超材料是一类人工设计的亚波长结构，具有负等效电磁参数、负折射率、反切伦科夫辐射等自然材料不具备的奇特电磁特性。近年来，超材料在高功率微波领域的研究成果开始慢慢涌现。

文献【J.Esteban,C.Camacho-Penalosa,J.E.Page,et al.Simulation ofnegative permittivity and negative permeability by means of evanescentwaveguide modes-theory and experiment[J].IEEE Transactions on MicrowaveTheory&Techniques,2005,53(b):1506-1514】中的工作发现TM波可以在加载超材料的空心金属波导截止频率以下传播，证明了基于超材料的微波源的小型化效应；并且由于产生了局域的场增强效应，有利于提升束波互作用效率。电子科技大学【Wang Y,Duan Z,Tang X,et al.All-metal metamaterial slow-wave structure for high-power sources withhigh efficiency[J].Applied Physics Letters,2015,107(15):153502.】设计的圆形全金属超材料在S波段仿真得到约5MW微波输出，束波互作用效率最大约为45％。这种圆形超材料构造的返波振荡器体现了高效率、小型化的优势。但由于该返波振荡器最终采用了实心电子束工作，且具有太高的耦合阻抗(>1200欧)，最终导致该结构无法应用于高功率微波源设计。最近的超材料慢波结构在高功率微波源中的应用【Dai O,He J,Ling J,et al.Anovel L-band slow wave structure for compact and high-efficiency relativisticCerenkov oscillator[J].Physics of Plasmas,2018,25(9):093103.】(以下称为现有技术1)国防科技大学贺军涛研究员课题组的戴欧志雄硕士在电子科技大学的工作的基础上采用了双正交谐振环的方法提升了轴向电场的均匀性，并且利用环形电子束替代了实心电子束工作，一定程度上提升了注入电功率，解决了如何利用全金属结构构造超材料慢波结构的难题，实现了超材料在高功率微波领域的应用。但该结构仍然存在轴向电场均匀性不足，耦合阻抗较低，束波互作用效率有待提高，空间极限电流小导致注入电功率受限制等问题。

总结起来，超材料在高功率微波领域的应用通过多年的发展有了初步的实现，但是现有的技术例如现有技术1中的超材料慢波结构虽然实现了高功率微波输出，但是存在输出微波质量不高，功率较低，效率不高的问题。本发明在现有技术1的结构基础之上利用了提升单个谐振环的空间均匀性的方法进行了创新性的结构优化，提出的改进后的基于超材料的慢波结构延续了小型化的优势，本发明中的结构具有更好的电场均匀性，并且将耦合阻抗提升了一个量级，充分提升了束波互作用效率，同时也提升了慢波结构中的空间极限电流，使得基于现有技术1框架下的超材料慢波结构在高功率微波领域的应用效果得到了大幅提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

提出一种对现有技术1的慢波结构进行改进的方案，克服现有技术1中存在的轴向电场分布不够均匀的问题，提升超材料慢波结构在高功率微波产生过程中的束波互作用效率，优化得到具有更高耦合阻抗、更大空间极限电流的超材料慢波结构，充分发挥超材料慢波结构的高束波互作用效率的优势，全方面提升现有技术1的各项性能参数，同时延续超材料慢波结构的小型化优势。

本发明的技术方案是：

一种基于超材料的低频段慢波结构，包括第一超材料谐振单元1、第二超材料谐振单元2、圆波导3；第一超材料谐振单元1与第二超材料谐振单元2成45度旋转耦合排列，形成慢波结构的单个周期；

超材料谐振单元整体为薄片双圆环结构，内外圆环之间有金属片连接，厚度t在0.5mm-2mm之间；内圆环内半径为r₁，内圆环外半径为r₂，外圆环内半径为r₃，外半径为r₄，大小关系满足r₁＜r₂＜r₃＜r₄，其中r₁大于加载环形电子束的半径r_beam，外圆环外侧与圆波导内侧相切，也即外圆环外半径r₄等于圆波导3内半径；内圆环外侧有四个相距90°的对称矩形开口，开口宽度为d₁，开口处底端与圆心距离为d₃，满足r₁＜d₃＜r₂；内外圆环之间由矩形开口处延伸出的四块金属片连接，金属片宽度均为d₂，满足大小关系d₂＜d₁；两个超材料谐振单元之间间隔为d，慢波结构的周期长度为p，为了满足强谐振条件，p＞2*(d+t)，n个慢波结构沿圆波导3轴向周期排列于圆波导3内部，n的取值范围在5-10之间。

以上第一超材料谐振单元1，第二超材料谐振单元2和圆波导3均为不锈钢材料。

本发明的工作原理是：

在现有技术1的基础上，本发明的谐振单元增加了一对开槽，使得空间结构更加对称，并且增强了谐振单元的LC谐振效应，保留了前后谐振环的旋转排列方式，利用前后环旋转耦合效应提升耦合阻抗，同时谐振单元整体更加靠近波导壁，环形电子束注入通道更加靠近波导壁。

调整已经选择的超材料谐振单元结构参数使得慢波结构在预使用的频段同时具有负的等效介电常数和负的等效磁导率，从而实现负折射效应和反向切伦科夫辐射，形成返波场。阴极发射的相对论电子束与超材料慢波结构的准TM₀₁模式的返波进行束波互作用，从而对电子束进行速度、密度调制，进而产生微波。

同时，由于超材料慢波结构显示出的能够传输相同尺寸空心圆波导截止频率之下的TM模式，因而可以产生小型化的效果。

与现有高功率微波产生器件的技术相比，本发明具有以下技术优势：

(1)采用了基于超材料的慢波结构，可以工作在同尺寸空心金属圆波导截止频率以下，具有横向小型化优势；

(2)由于超材料亚波长特性，慢波结构周期较短，轴向具有小型化优势；

(3)由于超材料慢波结构的局域场增强效应，慢波结构具有更高耦合阻抗，器件具有更高束波互作用效率的优势；

(4)超材料慢波结构间强烈的电磁耦合，对相对论电子束调制较强，使得器件具有更短的起振时间；

与现有技术1相比，本发明具有以下技术优势：

(1)由于超材料谐振单元空间结构更加对称，产生的轴向电场分布更加均匀，有利于电子束的群聚，以及束波互作用。

(2)通过在单个谐振单元上增加一个开槽，提升了谐振环的LC谐振效应，并且保留了前后谐振单元旋转排列的方式，使得前后环具有更强的耦合效应，再加上更加均匀的场分布，使得耦合阻抗提升了一个量级，束波互作用效率有很大提升。

(3)结构整体更加靠近波导壁，从而加载环形电子束通道更加靠近波导壁，降低了环形电子束的电势能，提升了环形电子束的动能，较大程度提升了本发明超材料慢波结构的空间极限电流，提升了能够注入的电功率，最终可以提升输出微波功率。

附图说明

图1为背景介绍中现有技术1一种L波段基于超材料的慢波结构示意图：(a)平面图(b)透视图；

图2为本发明提供的基于超材料的慢波结构单个周期示意图：(a)侧视图(b)前视图(c)透视图；

图3为本发明提供的单个周期超材料谐振单元结构示意图；

图4为本发明提供的五周期的超材料慢波结构示意图；

图5为本发明提供的基于超材料的慢波结构中TM₀₁模式电磁波的S参数曲线；

图6、图7分别为本发明提供的基于超材料的的慢波结构中，超材料的等效介电常数和等效磁导率；

图8为本发明提供的基于超材料的慢波结构中，超材料慢波结构的TM₀₁模式的高频特性；

图9为本发明提供的基于超材料的慢波结构中，慢波结构的耦合阻抗曲线；

图10、图11分别为本发明提供的基于超材料的慢波结构中，TM₀₁模式的波端口面电场分布以及轴向电场分布。

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1一种L波段基于超材料的慢波结构示意图。该结构由超材料谐振单元1、超材料谐振单元2、圆波导3组成。超材料谐振单元1与超材料谐振单元2相互正交排列，构成单个周期的慢波结构，多个慢波结构沿Z向周期排列，嵌入到圆波导3内部；内圆环外侧有两矩形开口，分别位于内圆环外侧两端，关于圆心旋转对称，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，条状物宽度为d₁，满足d₁<d₂。超材料谐振单元2结构参数与超材料谐振单元1完全一致，超材料谐振单元1和超材料谐振单元2间隔为d，相互正交排列，构成单个周期的慢波结构，慢波结构周期为p，为了满足强谐振条件，p＞2*(d+t)，n个慢波结构沿Z向周期排列。该慢波结构采用了双正交谐振环的方式增加了电场均匀性，更利于束波相互作用，使得耦合阻抗有了一定的提升，并且成功工作在了相同尺寸空心圆波导截止频率以下，具有小型化的优势，基本填补了超材料慢波结构在高功率微波领域的空白，实现了从无到有的突破。但该结构还存在较多缺陷。由于该结构存在的问题包括电场分布还不够均匀、耦合阻抗较低、空间极限电流低等，影响了该器件在高功率微波领域的应用前景。

图2为本发明提供的基于超材料的慢波结构单个周期示意图，图3为本发明中的单个周期超材料谐振单元结构示意图，图4为本发明提供的五周期慢波结构示意图，该慢波结构实现了工作频率范围在2.2-2.25GHz，且工作模式为TM₀₁模式的超材料慢波结构，结构参数设计为r₁＝36mm，r₂＝41mm，r₃＝45mm，r₄＝48mm，d₁＝11mm，d₂＝6mm，d₃＝37mm，d＝6mm，p＝44mm，超材料谐振单元厚度t＝1mm，环形电子束加载通道的中心半径为r_beam＝34mm。

与现有技术1相比，本发明中的基于超材料的慢波结构由于增加了一个开槽，整体更加对称，超材料谐振单元间耦合更加强烈，空间电场分布更加均匀，结构整体更加靠近波导壁，环形电子束加载通道中心半径更加靠近波导壁，较大程度提升了超材料慢波结构的空间极限电流，在现有技术1的各项参数基础上有了全方位的优化。

参见图5，可知在该基于超材料的慢波结构中，2.0GHz以上的电磁波即可以传播，而谐振中心频率约为2.4GHZ，小于同尺寸空心圆波导截止频率2.5GHz，该超材料慢波结构具有工作在同尺寸空心金属圆波导截止频率以下的能力，即具有横向小型化的优势。

参见图6、图7，可知在该基于超材料的慢波结构中，对于TM₀₁模式，在2.2-2.4GHz频段内呈现负的等效介电常数，在2.4GHz以下呈现负的等效磁导率，双负频率区间为2.2-2.4GHz。

参见图8，可知在基于超材料的慢波结构中，具有异常色散，零次空间谐波具有返波的特性。色散曲线变化平缓，说明其具有较大的电压工作范围。光线与色散曲线交于2.25GHz，模拟550kV二极管电压的电子束线与色散曲线交于2.23GHz，位于慢波区域。

参见图9，可知在基于超材料的慢波结构中，在工作频段内，耦合阻抗在200Ω量级左右，相比于传统高功率微波产生器件十几欧姆的量级、现有技术一的几十欧姆量级，具有高耦合阻抗的优势，显示出了高束波互作用效率的潜力。可以预见以该超材料慢波结构为高频结构的切伦科夫器件具有高效率的优势。

参见图10、图11，可知在基于超材料的慢波结构中，工作模式TM₀₁模式的电场分布均匀性较高，尤其是在加载环形电子束的区域，轴向电场值波动不超过5％，为束波互作用的高效率提供了良好轴向电场支撑。

Claims (3)

1.一种基于超材料的低频段慢波结构，其特征在于：包括第一超材料谐振单元(1)、第二超材料谐振单元(2)、圆波导(3)；第一超材料谐振单元(1)与第二超材料谐振单元(2)成45度旋转耦合排列，形成慢波结构的单个周期；

超材料谐振单元整体为薄片双圆环结构，内外圆环之间有金属片连接，厚度t在0.5mm-2mm之间；内圆环内半径为r₁，内圆环外半径为r₂，外圆环内半径为r₃，外半径为r₄，大小关系满足r₁＜r₂＜r₃＜r₄，其中r₁大于加载环形电子束的半径r_beam，外圆环外侧与圆波导(3) 内侧相切，也即外圆环外半径r₄等于圆波导(3) 内半径；内圆环外侧有四个相距90°的对称矩形开口，开口宽度为d₁，开口处底端与圆心距离为d₃，满足r₁＜d₃＜r₂；内外圆环之间由矩形开口处延伸出的四块金属片连接，金属片宽度均为d₂，满足大小关系d₂＜d₁；两个超材料谐振单元之间间隔为d，慢波结构的周期长度为p，为了满足强谐振条件，p＞2*(d+t)，n个慢波结构沿圆波导(3) 轴向周期排列于圆波导(3) 内部，n的取值范围在5-10之间。

2.一种根据权利要求1所述基于超材料的低频段慢波结构，其特征在于：第一超材料谐振单元(1)，第二超材料谐振单元(2)和圆波导(3)均为不锈钢材料。

3.一种根据权利要求1或2所述基于超材料的低频段慢波结构，其特征在于：工作频率在2.2-2.25GHz，且工作模式为TM₀₁模式的超材料慢波结构，结构参数设计为r₁＝36mm，r₂＝41mm，r₃＝45mm，r₄＝48mm，d₁＝11mm，d₂＝6mm，d₃＝37mm，d＝6mm，p＝44mm，超材料谐振单元厚度t＝1mm，n＝5。

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