CN116364504A - 一种加载光子晶体的慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加载光子晶体的慢波结构，属于慢波结构技术领域，通过将光子晶体与慢波结构相结合，减小由于模式竞争带来的行波管稳定性的影响，提高了行波管工作可靠性的同时，利用光子晶体做替代全金属作为宽边的边界，改变了慢波结构内部的电场分布情况，从而使其相较于传统正弦波导的表现，具有更宽的带宽和更高的耦合阻抗。

Description

一种加载光子晶体的慢波结构

技术领域

本发明涉及慢波结构技术领域，具体涉及一种加载光子晶体的慢波结构。

背景技术

太赫兹波具有能量低、穿透性强、频带宽等特点，因而太赫兹成像技术在通信、成像、雷达等众多领域得到了广泛应用。太赫兹技术的研究、应用和发展离不开稳定的太赫兹辐射源的支撑，性能优异的太赫兹波源是实现这些应用的前提。在众多太赫兹波的激励源的器件中，行波管由于具有高功率输出、高效率、高增益等优点成为最广泛使用的真空电子器件之一。在行波管中慢波结构是其的最重要的结构之一，它的主要作用是实现电磁波相速的降低，从而使得电子注和电磁波相互作用成为可能，是实现电磁波功率放大的地方，因此它的特性很大程度影响行波管的性能表现。

目前有大量的研究和探索工作被投入到慢波结构的创新和改进之中，如何获得更高耦合阻抗、更低损耗和更宽带宽是他们的共同目标。在如今应用在行波管的全金属慢波结构中主要有交错双栅，曲折波导，正弦波导，螺旋线以及他们的相关变体等。现有的全金属慢波结构大都采用封闭封装，这意味着它允许工作模式之外的电磁波在慢波结构中传播，这增加了模式竞争的风险，由于模式竞争导致的行波管工作不稳定性可能性也随之增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加载光子晶体的慢波结构，解决了现有技术中存在的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种加载光子晶体的慢波结构，包括金属外壳、形成电子注通道的交错双栅结构、光子晶体以及吸波材料；

所述形成电子注通道的交错双栅结构设置于金属外壳的内部，形成基础慢波结构，所述基础慢波结构包括窄边和宽边，所述窄边垂直于电子注通道，所述宽边平行于电子注通道，且所述光子晶体加载于基础慢波结构的宽边上；

所述交错双栅结构设置于金属外壳的内侧壁上，所述金属外壳内部远离电子注通道的两个侧面上设置有吸波材料，所述光子晶体中每个金属柱均平行于金属外壳的侧面。

在一种可能的实施方式中，所述金属外壳设置为两个相对面不封口的金属腔体结构，且所述交错双栅结构设置于金属外壳的内部，且所述交错双栅结构对应的电子注通道垂直于两个不封口的相对面，以形成基础慢波结构。

在一种可能的实施方式中，所述交错双栅结构包括至少一个第一金属平板以及至少一个第二金属平板，所述至少一个第一金属平板与至少一个第二金属平板一一对应；

针对任意两个对应的第一金属平板与第二金属平板，所述第一金属平板以及第二金属平板均平行于金属外壳的内部底面和顶面，且所述第一金属平板与第二金属平板的高度相同，所述第一金属平板靠近第二金属平板的边缘设置有呈周期性排列的第一金属栅，所述第二金属平板靠近第一金属平板的边缘设置有呈周期性排列的第二金属栅，所述第一金属栅的周期与第二金属栅的周期相同，且所述第一金属栅的周期与第二金属栅的周期交错，配合加载的光子晶体，以形成电子注通道；

所述第一金属平板的顶面和底面上平行于电子注通道的边为宽边，所述第二金属平板的顶面和底面上平行于电子注通道的边为宽边，所述光子晶体分别加载于第一金属平板以及第二金属平板的顶面和底面上；其中，金属外壳的顶面和底面表示金属外壳的内部与第一金属平板以及第二金属平板所平行的两面，所述第一金属平板以及第二金属平板上靠近电子注通道的两个侧面上的竖边为窄边。

在一种可能的实施方式中，所述交错双栅结构包括两个第一金属平板以及两个第二金属平板；一个所述第一金属平板的垂直投影刚好落在另一个所述第一金属平板上，一个所述第二金属平板的垂直投影刚好落在另一个第二金属平板上。

在一种可能的实施方式中，所述呈周期性排列的第一金属栅设置为正弦形金属栅、锯齿形金属栅或者呈周期排列的矩形栅。

在一种可能的实施方式中，所述呈周期性排列的第二金属栅设置为正弦形金属栅、锯齿形金属栅或者呈周期排列的矩形栅。

在一种可能的实施方式中，所述光子晶体包括第一子光子晶体以及第二子光子晶体；所述第一子光子晶体加载于第一金属平板的两面，所述第二子光子晶体加载于第二金属平板的两面。

在一种可能的实施方式中，所述第一子光子晶体包括若干第一金属柱，所述第一金属柱均匀加载于第一金属平板的两面，且所述第一金属柱垂直于第一金属平板；所述第一金属平板的每个第一金属栅上均设置有一个第一金属柱，且所述第一金属柱设置于第一金属栅上靠近电子注通道的边缘中心点处。

在一种可能的实施方式中，所述第二子光子晶体包括若干第二金属柱，所述第二金属柱均匀加载于第二金属平板的两面，且所述第二金属柱垂直于第二金属平板；所述第二金属平板的每个第二金属栅上均设置有一个第二金属柱，且所述第二金属柱设置于第二金属栅上靠近电子注通道的边缘中心点处。

在一种可能的实施方式中，所述第一金属柱设置为圆形柱或者多边形柱；所述第二金属平板设置为圆形柱或者多边形柱。

本发明提供的一种加载光子晶体的慢波结构，通过将光子晶体与慢波结构相结合，减小由于模式竞争带来的行波管稳定性的影响，提高了行波管工作可靠性的同时，利用光子晶体做替代全金属作为宽边的边界，改变了慢波结构内部的电场分布情况，从而使其相较于传统正弦波导的表现，具有更宽的带宽和更高的耦合阻抗。

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。

图1为本发明提供的仅包含一个第一金属平板以及一个第二金属平板时，且包含周期排列的正弦形金属栅的一种加载光子晶体的慢波结构示意图。

图2为本发明提供的一个第一金属平板与一个第二金属平板之间的关系示意图。

图3为本发明提供的包含两个第一金属平板以及两个第二金属平板时，且包含周期排列的正弦形金属栅的一种加载光子晶体的慢波结构示意图。

图4为本发明提供的两个第一金属平板与两个第二金属平板之间的关系示意图。

图5为本发明提供的仅包含一个第一金属平板以及一个第二金属平板时，且包含周期排列的矩形金属栅的一种加载光子晶体的慢波结构示意图。

图6为基于本发明提供的慢波结构对应的纵向电场分布示意图。

图7为本发明提供的慢波结构与传统正弦波导慢波结构在220GHz频率下横向(金属柱长度方向)中心线处的纵向电场分布示意图。

图8为本发明提供的慢波结构与传统正弦波导慢波结构归一化相速曲线示意图。

图9为本发明提供的慢波结构与传统正弦波导慢波结构的耦合阻抗曲线示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-金属外壳、2-第一金属平板、3-第二金属平板、4-第一金属柱、5-第二金属柱。

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-图5共同所示，本实施例提供一种加载光子晶体的慢波结构，包括金属外壳、形成电子注通道的交错双栅结构、光子晶体以及吸波材料；所述形成电子注通道的交错双栅结构设置于金属外壳的内部，形成基础慢波结构，所述基础慢波结构包括窄边和宽边，所述窄边垂直于电子注通道，所述宽边平行于电子注通道，且所述光子晶体加载于基础慢波结构的宽边上；所述交错双栅结构设置于金属外壳的内侧壁上，所述金属外壳内部远离电子注通道的两个侧面上设置有吸波材料，所述光子晶体中每个金属柱均平行于金属外壳的侧面。

光子晶体是一种具有周期性排列的结构，只有特定频率电磁波才能在周期方向的传播。正是这独特的电磁特性吸引部分的研究人员应用到真空电子器件领域之中，已经有光子加载行波管的研究工作先例，但是他们主要集中在把光子晶体加载在慢波结构的窄边上。由于行波管工作模式的电磁波场强大的地方主要集中在宽边，把光子晶体加载在宽边能更好的发挥光子晶体的特性，目前尚无慢波结构的宽边全由光子晶体的加载的相关研究。

在一种可能的实施方式中，金属外壳1设置为两个相对面不封口的金属腔体结构，且交错双栅结构设置于金属外壳1的内部，且交错双栅结构对应的电子注通道垂直于两个不封口的相对面，以形成基础慢波结构。

在一种可能的实施方式中，交错双栅结构包括至少一个第一金属平板2以及至少一个第二金属平板3，至少一个第一金属平板2与至少一个第二金属平板3一一对应。

如图1和图2共同所示，交错双栅结构可以包括一个第一金属平板2以及一个第二金属平板3。

针对任意两个对应的第一金属平板2与第二金属平板3，第一金属平板2以及第二金属平板3均平行于金属外壳1的内部底面和顶面，且第一金属平板2与第二金属平板3的高度相同，第一金属平板2靠近第二金属平板3的边缘设置有呈周期性排列的第一金属栅，第二金属平板3靠近第一金属平板2的边缘设置有呈周期性排列的第二金属栅，第一金属栅的周期与第二金属栅的周期相同，且第一金属栅的周期与第二金属栅的周期交错，配合加载的光子晶体，以形成电子注通道。

第一金属平板2的顶面和底面上平行于电子注通道的边为宽边，第二金属平板3的顶面和底面上平行于电子注通道的边为宽边，光子晶体分别加载于第一金属平板2以及第二金属平板3的顶面和底面上；其中，金属外壳的顶面和底面表示金属外壳的内部与第一金属平板2以及第二金属平板3所平行的两面，第一金属平板2以及第二金属平板3上靠近电子注通道的两个侧面上的竖边为窄边。

在金属外壳的顶面以及底面设置吸波材料的目的为：当非工作模式的波会越过光子晶体到达金属外壳的顶面以及底面时，通过吸波材料将非工作模式的波进行吸收，避免非工作频率的电磁波在内部被多次反射放大，消除非工作模式的波所产生的影响。

可选的，除了安装第一金属平板2以及第二金属平板3的两个侧面外，可以将金属外壳的顶面以及底面去除，也就是说，可以仅采用两块正对固定的金属安装板来安装第一金属平板2以及第二金属平板3，且第一金属平板2垂直于其中一块金属安装板，第二金属平板3垂直于其中另一块金属安装板，从而使第一金属平板2与第二金属平板3之间形成电子注通道。通过去除金属外壳的顶面以及底面，可以使非工作模式的波直接扩散至慢波结构外，从而消除非工作模式的波所产生的影响，产生与吸波材料相同的作用。

为了减小由于模式竞争带来的行波管稳定性的影响，提高行波管工作的可靠性，本发明放弃了传统的全金属的封闭结构，而采用将光子晶体与慢波结构的设计相结合方式，提供了一种在平板上加载光子晶体的新型慢波结构，为行波管的慢波结构设计提供了一种新思路。

光子晶体是一种具有周期性排列的结构，它在周期方向内具有频率选择特性，它能够禁止部分频率在该周期方向的传播，这个被禁止的频率范围被称为光子带隙。本发明通过加载光子晶体，对于处在光子带隙内电磁波的效果相当于金属壁，电磁波会被束缚在慢波结构中，而在光子带隙外的频率的电磁波可以穿过光子晶体传播。因此，本发明让工作模式的波在禁带内，从而可以保证被限制在电子注通道内；让不需要的频率工作在禁带外，可以使之被传走，从而达到减少模式竞争的风险。

本发明在提高行波管工作可靠性的同时，因为利用光子晶体做替代全金属做为宽边的边界，一定程度上改变了慢波结构内部的电场分布情况，从而使其相较于传统正弦波导的表现，具有更宽的带宽和更高的耦合阻抗。

如图3和图4共同所示，交错双栅结构包括两个第一金属平板2以及两个第二金属平板3；一个第一金属平板2的垂直投影刚好落在另一个第一金属平板2上，一个第二金属平板3的垂直投影刚好落在另一个第二金属平板3上。

在图4中，p表示单周期的长度，h表示金属板正弦边缘的起伏高度，a表示金属柱的长度，r表示金属柱的半径，g表示电子注通道的宽度。

在一种可能的实施方式中，呈周期性排列的第一金属栅设置为正弦形金属栅、锯齿形金属栅或者呈周期排列的矩形栅。

在一种可能的实施方式中，呈周期性排列的第二金属栅设置为正弦形金属栅、锯齿形金属栅或者呈周期排列的矩形栅。

如图5所示，呈周期性排列的第一金属栅以及呈周期性排列的第二金属栅可以设置为呈周期排列的矩形栅。

在一种可能的实施方式中，光子晶体包括第一子光子晶体以及第二子光子晶体；第一子光子晶体加载于第一金属平板2的两面，第二子光子晶体加载于第二金属平板3的两面。

在一种可能的实施方式中，第一子光子晶体包括若干第一金属柱4，第一金属柱4均匀加载于第一金属平板2的两面，且第一金属柱4垂直于第一金属平板2；第一金属平板2的每个第一金属栅上均设置有一个第一金属柱4，且第一金属柱4设置于第一金属栅上靠近电子注通道的边缘中心点处。如图4所示，当第一金属栅排列为正弦形时，在正弦线的波谷以及波峰均设置有一个第一金属柱4，以波谷以及波峰处的第一金属柱4为起始点，向第一金属平板2上远离第一金属栅的一边做垂线，在垂线上设置有多个第一金属柱4，且沿同一垂线方向上的任意相邻两个第一金属柱4之间的高度相同，该高度为该正弦线的波谷与波峰之间的高度差。即沿电子注通道方向，任意相邻两个第一金属柱4之间间距半个正弦线的周期；垂直于电子注通道方向，任意相邻两个第一金属柱4之间间距一个波谷与波峰的高度差。

在一种可能的实施方式中，第二子光子晶体包括若干第二金属柱5，第二金属柱5均匀加载于第二金属平板3的两面，且第二金属柱5垂直于第二金属平板3；第二金属平板3的每个第二金属栅上均设置有一个第二金属柱5，且第二金属柱5设置于第二金属栅上靠近电子注通道的边缘中心点处。

可选的，第一金属平板2、第二金属平板3、第一金属栅、第二金属栅、第一金属柱4以及第二金属柱5所采用的材料均可以为高导的无氧铜。

在一种可能的实施方式中，第一金属柱4设置为圆形柱或者多边形柱；第二金属平板3设置为圆形柱或者多边形柱。

本发明提供的一种加载光子晶体的慢波结构，通过将光子晶体与慢波结构相结合，减小由于模式竞争带来的行波管稳定性的影响，提高了行波管工作可靠性的同时，利用光子晶体做替代全金属作为宽边的边界，改变了慢波结构内部的电场分布情况，使得它有更宽场强较大的横向电场，这预示着本发明的慢波结构在带状电子注面的平均耦合阻抗比正弦慢波结构更大。此外由于场分布的变化，本发明拥有更宽的工作带宽表现，与传统正弦波导具有相似的归一化曲线条件下，本发明慢波结构的归一化相速度变化的更加平缓。

如图6所示，本实施例提供一种加载光子晶体的慢波结构对应的纵向电场分布情况，可以看到工作模式的电磁波被有效的束缚在电子注通道内，此时宽边的光子晶体起到的作用和金属壁效果等同。

如图7所示，本实施例提供了传统正弦波导慢波结构和本发明提供的慢波结构在220GHz频率下横向(金属柱长度方向)中心线处的纵向电场分布；可以看到本发明提供的慢波结构比传统正弦波导慢波结构具有更宽的纵向电场分布，这也意味着本发明提供的慢波结构可以更好的适配带状电子注。在同一带状电子注下，本发明提供的慢波结构可以比传统正弦波导慢波结构输出更大的功率。

如图8所示，本实施例提供了传统正弦波导慢波结构和本发明提供的慢波结构对应的归一化相速曲线，两者拥有近似相等的归一化相速。从图8中可以发现，本发明提供的慢波结构在频带205GHz-245GHz内归一化相速变化范围为0.286-0.282。相较于传统正弦波导慢波结构，本发明提供的慢波结构拥有更宽带宽。

如图9所示，本实施例提供了传统正弦波导慢波结构和本发明提供的慢波结构在该相速(图8中的归一化相速)下的耦合阻抗曲线；从图9中对比可发现，在通频带内，本发明提供的慢波结构对应的耦合阻抗明显高于传统正弦波导慢波结构对应的耦合阻抗。在中心工作点220GHz处，本发明提供的慢波结构对应的的耦合阻抗比传统正弦波导慢波结构对应的耦合阻抗高出30％，这说明本发明中的慢波结构有更强的从电子注提取能量的能力，可以在后续的行波管中获得更大输出功率。

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)

1.一种加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，包括金属外壳、形成电子注通道的交错双栅结构、光子晶体以及吸波材料；

所述形成电子注通道的交错双栅结构设置于金属外壳的内部，形成基础慢波结构，所述基础慢波结构包括窄边和宽边，所述窄边垂直于电子注通道，所述宽边平行于电子注通道，且所述光子晶体加载于基础慢波结构的宽边上；

所述交错双栅结构设置于金属外壳的内侧壁上，所述金属外壳内部远离电子注通道的两个侧面上设置有吸波材料，所述光子晶体中每个金属柱均平行于金属外壳的侧面。

2.根据权利要求1所述的加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，所述金属外壳(1)设置为两个相对面不封口的金属腔体结构，且所述交错双栅结构设置于金属外壳(1)的内部，且所述交错双栅结构对应的电子注通道垂直于两个不封口的相对面，以形成基础慢波结构。

3.根据权利要求1所述的加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，所述交错双栅结构包括至少一个第一金属平板(2)以及至少一个第二金属平板(3)，所述至少一个第一金属平板(2)与至少一个第二金属平板(3)一一对应；

针对任意两个对应的第一金属平板(2)与第二金属平板(3)，所述第一金属平板(2)以及第二金属平板(3)均平行于金属外壳(1)的内部底面和顶面，且所述第一金属平板(2)与第二金属平板(3)的高度相同，所述第一金属平板(2)靠近第二金属平板(3)的边缘设置有呈周期性排列的第一金属栅，所述第二金属平板(3)靠近第一金属平板(2)的边缘设置有呈周期性排列的第二金属栅，所述第一金属栅的周期与第二金属栅的周期相同，且所述第一金属栅的周期与第二金属栅的周期交错，配合加载的光子晶体，以形成电子注通道；

所述第一金属平板(2)的顶面和底面上平行于电子注通道的边为宽边，所述第二金属平板(3)的顶面和底面上平行于电子注通道的边为宽边，所述光子晶体分别加载于第一金属平板(2)以及第二金属平板(3)的顶面和底面上；其中，金属外壳的顶面和底面表示金属外壳的内部与第一金属平板(2)以及第二金属平板(3)所平行的两面，所述第一金属平板(2)以及第二金属平板(3)上靠近电子注通道的两个侧面上的竖边为窄边。

4.根据权利要求3所述的加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，所述交错双栅结构包括两个第一金属平板(2)以及两个第二金属平板(3)；一个所述第一金属平板(2)的垂直投影刚好落在另一个所述第一金属平板(2)上，一个所述第二金属平板(3)的垂直投影刚好落在另一个第二金属平板(3)上。

5.根据权利要求3所述的加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，所述呈周期性排列的第一金属栅设置为正弦形金属栅、锯齿形金属栅或者呈周期排列的矩形栅。

6.根据权利要求3所述的加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，所述呈周期性排列的第二金属栅设置为正弦形金属栅、锯齿形金属栅或者呈周期排列的矩形栅。

7.根据权利要求3所述的加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，所述光子晶体包括第一子光子晶体以及第二子光子晶体；所述第一子光子晶体加载于第一金属平板(2)的两面，所述第二子光子晶体加载于第二金属平板(3)的两面。

8.根据权利要求7所述的加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，所述第一子光子晶体包括若干第一金属柱(4)，所述第一金属柱(4)均匀加载于第一金属平板(2)的两面，且所述第一金属柱(4)垂直于第一金属平板(2)；所述第一金属平板(2)的每个第一金属栅上均设置有一个第一金属柱(4)，且所述第一金属柱(4)设置于第一金属栅上靠近电子注通道的边缘中心点处。

9.根据权利要求8所述的加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，所述第二子光子晶体包括若干第二金属柱(5)，所述第二金属柱(5)均匀加载于第二金属平板(3)的两面，且所述第二金属柱(5)垂直于第二金属平板(3)；所述第二金属平板(3)的每个第二金属栅上均设置有一个第二金属柱(5)，且所述第二金属柱(5)设置于第二金属栅上靠近电子注通道的边缘中心点处。

10.根据权利要求9所述的加载光子晶体的慢波结构，其特征在于，所述第一金属柱(4)设置为圆形柱或者多边形柱；所述第二金属平板(3)设置为圆形柱或者多边形柱。

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