CN114038729A - 一种新型介质-金属太赫兹慢波结构 - Google Patents

一种新型介质-金属太赫兹慢波结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太赫兹波技术领域，公开了一种新型介质‑金属太赫兹慢波结构，包括至少一个用于定向引导电磁波的波导，所述电磁波在所述波导上的电子注通道定向流动，所述电子注通道的两侧外壁覆盖有绝缘介质层，通过所述绝缘介质层降低所述电磁波的相速度。本发明利用在太赫兹频段低损耗系数的高密度聚乙烯附着在矩形交错栅慢波结构的矩形栅上实现降低慢波结构中电磁波相速和提高太赫兹频段耦合阻抗的目的，电子注通道上下的金属栅呈交错分布，在矩形金属栅栅顶覆盖石墨烯防止电子在介质中聚集，避免介质被击穿。

Description

一种新型介质-金属太赫兹慢波结构
技术领域
本发明涉及太赫兹波技术领域，具体涉及一种新型介质-金属太赫兹慢波结构。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波通常是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，太赫兹波段的低频区与毫米波相连，高频区则与红外波相连。发展太赫兹技术，首要任务是解决太赫兹波源的问题。目前能产生太赫兹波波源有三种，分别是半导体激光器、光子学辐射激光器和真空电子器件三类。其中半导体激光器和光子学辐射激光器的输出功率只能达到微瓦量级和毫瓦量级，输出功率低，无法达到太赫兹系统的实用要求，大功率输出的太赫兹波源是实现太赫兹各种技术普及的迫切需求。真空电子器件是一个庞大的家族，在众多电真空器件中，行波管以工作频带宽，单管增益高，非线性性能优良、电子效率高等优点在电真空家族中占有非常重要的地位。因此，发展新的行波管具有重大的现实意义与经济价值。但是大多数传统行波管如折叠波导行波管、正弦波导行波管、交错双栅行波管，它们的导波结构均为全金属，随着工作频率的升高，且慢波结构金属表面粗糙度与太赫兹波段的趋肤深度比较接近，这会使靠近金属栅处的电场急剧衰减，从而导致慢波结构的耦合阻抗降低，达不到行波管的增益需求。所以发展高模式质量且能够工作在太赫兹频段的慢波结构是解决太赫兹技术应用中各种问题的关键。
发明内容
本发明提供一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，解决了提高了耦合阻抗。
本发明通过下述技术方案实现：
一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，包括至少一个用于定向引导电磁波的波导，所述电磁波在所述波导上的电子注通道定向流动，所述电子注通道的两侧外壁覆盖有绝缘介质层，通过所述绝缘介质层降低所述电磁波的相速度。
本技术方案中，由于介质为不导电材料，在电子注通道的两侧外壁覆盖一层介质能够有效降低电磁波的相速度，从而达到平稳和降低归一化相速曲线的目的。同时，电磁波经过介质和金属的两次折射和反射，与电子注通道中的电磁波耦合，会增强电子注通道中的电场强度，从而提高了耦合阻抗。
作为优化，所述电磁波为太赫兹波。
作为优化，所述绝缘介质层的材料包括但不限于为聚乙烯。
作为优化，所述波导为矩形波导。
作为优化，所述矩形波导包括依次交错设置的若干上矩形栅和若干下矩形栅，所述上矩形栅和下矩形栅之间设有间隙，所述间隙为所述电磁波定向流动的电子注通道。
作为优化，所述电子注通道为真空通道。
作为优化，所述绝缘介质层设置在所述上矩形栅和下矩形栅的侧壁、上矩形栅的底壁以及下矩形栅的顶壁上。
作为优化，设置在所述上矩形栅的底壁以及下矩形栅的顶壁的绝缘介质层和所述电子注通道之间设有易导电材质。
作为优化，所述易导电材质包括但不限于为石墨烯。
作为优化，设置在所述上矩形栅和下矩形栅的侧壁、上矩形栅的底壁以及下矩形栅的顶壁上的所述绝缘介质层的厚度相同。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明利用在太赫兹频段低损耗系数的高密度聚乙烯附着在矩形交错栅慢波结构的矩形栅上实现降低慢波结构中电磁波相速和提高太赫兹频段耦合阻抗的目的，电子注通道上下的金属栅呈交错分布，在矩形金属栅的顶壁和底壁覆盖石墨烯防止电子在介质中聚集，避免介质被击穿。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1是本发明所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构的结构示意图；
图2是本发明所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构的单周期慢波结构的模型示意图；
图3是图2另一个方位的结构示意图；
图4是由多个图2-3中单周期慢波结构依次排列组成的多周期慢波结构；
图5为将本发明的慢波结构进行试验得出的色散特性曲线图；
图6为将本发明的慢波结构进行试验得出的耦合阻抗曲线图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-绝缘介质层，2-波导，2a-电子注通道，2b-上矩形栅，2c-下矩形栅，3-易导电材质。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1-6所示，一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，包括至少一个用于定向引导电磁波的波导2，所述电磁波e-在所述波导2上的电子注通道2a定向流动，所述电子注通道2a的两侧外壁覆盖有绝缘介质层1，通过所述绝缘介质层1降低所述电磁波e-的相速度。
本技术方案中，由于介质为不导电材料，在电子注通道2a的两侧外壁覆盖一层介质能够有效降低电磁波的相速度，从而达到平稳和降低归一化相速曲线的目的。同时，电磁波经过介质和金属的两次折射和反射，与电子注通道中的电磁波耦合，会增强电子注通道中的电场强度，从而提高了耦合阻抗。
本实施例中，所述电磁波为太赫兹波。
本实施例中，所述绝缘介质层1的材料包括但不限于为聚乙烯。
本实施例中，所述波导2为矩形波导。
本实施例中，所述矩形波导包括依次交错设置的若干上矩形栅2b和若干下矩形栅2c，所述上矩形栅2b和下矩形栅2c之间设有间隙，所述间隙为所述电磁波定向流动的电子注通道2a。
本实施例中，所述电子注通道2a为真空通道。
本实施例中，所述绝缘介质层1设置在所述上矩形栅2b和下矩形栅2c的侧壁、上矩形栅2b的底壁以及下矩形栅2c的顶壁上。
本实施例中，设置在所述上矩形栅2b的底壁以及下矩形栅2c的顶壁的绝缘介质层和所述电子注通道之间设有易导电材质3。
本实施例中，所述易导电材质包括但不限于为石墨烯。
本实施例中，设置在所述上矩形栅2b和下矩形栅2c的侧壁、上矩形栅2b的底壁以及下矩形栅2c的顶壁上的所述绝缘介质层1的厚度相同。
具体是，本实施案例的单周期慢波结构的结构尺寸可以为：一个周期的长度p＝100μm，宽度w＝170μm，金属栅宽g＝24μm，高h＝47μm，电子注通道宽度t＝ht-h＝33μm，HDPE厚度t0＝3μm，石墨烯厚度g0＝1μm。
图2-3为本实施案例的单周期慢波结构的示意图，图中2a所指为慢波结构(波导)的真空腔，材料为真空；图中1所指为覆盖在金属栅上的绝缘层介质，材料为高密度聚乙烯(HDPE)；图中3所指为覆盖在金属栅顶的一层石墨烯；除去图2-3中所示的材料以外，该波导的其他区域均被金属铜填充，金属铜表面粗糙度为1μm。
图4为由多个图2-3中单周期慢波结构的波导依次排列组成的多周期慢波结构。
利用三维电磁场仿真软件CST和高频电磁仿真软件HFSS可以计算出本实施案例慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线。其中太赫兹介质-金属慢波结构的色散特性曲线如图5所示，耦合阻抗曲线如图6所示。图5中的色散特性曲线显示介质-金属慢波结构的中心频率0.95THz附近，相速度随频率的变化较为平缓，保证了本实施案例有较宽的带宽。图6中的耦合阻抗曲线显示，在频率0.9THz-1THz范围内，耦合阻抗的值均在1.5Ω以上，说明在该频率范围内，电子注与高频场能有有效的持续相互作用交换能量。
本发明采用了在太赫兹频段有着低损耗系数的介质材料高密度聚乙烯(HDPE)，高密度聚乙烯在是各向同性的复合材料，具有容易加工、化学稳定性好的优点，再将其涂覆在金属栅表面，金属栅表面有介质附着，避免了电磁波与金属表面直接作用，降低了电场在金属表面的衰减，使电场更集中在电子注通道，有利于电子注与电场充分互作用。由于介质会与慢波结构中的电子注有直接接触，介质不导电，电子就会在介质层中积累，会导致介质被击穿，考虑到这个问题，石墨烯有良好的导电性，在介质层上方覆盖一层石墨烯能够将打在介质层表面的电子导走，防止电子在介质中聚集。而由于左下矩形栅和右下矩形栅之间的间隙的两侧壁以及上矩形栅的两侧壁之间只会存在少量的电子，因此不会击穿介质，所以可以不用设置石墨烯。
最终，通过电磁仿真软件CST对该结构的高频特性进行模拟，从结果来看，该发明的工作频带的中心频率为1THz，工作带宽有100GHz，有较宽的工作带宽，相速较传统全金属慢波结构有所降低且足够平坦，耦合阻抗较大，证明该发明可以实现在太赫兹频段的应用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，包括至少一个用于定向引导电磁波的波导，所述电磁波在所述波导上的电子注通道定向流动，所述电子注通道的两侧外壁覆盖有绝缘介质层，通过所述绝缘介质层降低所述电磁波的相速度。
2.根据权利要求1所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，所述电磁波为太赫兹波。
3.根据权利要求1所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，所述绝缘介质层的材料包括但不限于为聚乙烯。
4.根据权利要求1所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，所述波导为矩形波导。
5.根据权利要求4所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，所述矩形波导包括依次交错设置的若干上矩形栅和若干下矩形栅，所述上矩形栅和下矩形栅之间设有间隙，所述间隙为所述电磁波定向流动的电子注通道。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，所述电子注通道为真空通道。
7.根据权利要求5所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，所述绝缘介质层设置在所述上矩形栅和下矩形栅的侧壁、上矩形栅的底壁以及下矩形栅的顶壁上。
8.根据权利要求7所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，设置在所述上矩形栅的底壁以及下矩形栅的顶壁的绝缘介质层和所述电子注通道之间设有易导电材质。
9.根据权利要求8所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，所述易导电材质包括但不限于为石墨烯。
10.根据权利要求7-9任一所述的一种新型介质-金属太赫兹慢波结构，其特征在于，设置在所述上矩形栅和下矩形栅的侧壁、上矩形栅的底壁以及下矩形栅的顶壁上的所述绝缘介质层的厚度相同。
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