[發(fā)明專利]一種基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710173093.1
• 申請(qǐng)日: 2017-03-22
• 公開（公告）號(hào): CN106997839B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳鋼雄;魏彥玉;丁沖;雷霞;李倩;岳玲娜;宮玉彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01J25/34
• 分類號(hào): H01J25/34;H01J23/24
• 代理公司: 成都行之專利代理事務(wù)所(普通合伙)51220
• 代理人: 溫利平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微波電真空技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及返波管放大器件中的一種基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

微波電真空器件指的是在真空環(huán)境下，利用帶電粒子在電極間的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的振蕩或放大的一種器件。這種器件最大的一個(gè)特點(diǎn)就是能夠產(chǎn)生很高的功率輸出，這就使得微波電真空器件能夠在電子對(duì)抗、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域有著重要的作用。

固態(tài)器件的高速發(fā)展以及航天、軍事領(lǐng)域的迫切需求，給微波電真空器件帶來(lái)了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。新一代微波電真空器件不僅要求具有高功率、高性能，還要求具有高可靠性、能夠批量生產(chǎn)和制造成本低等特點(diǎn)，能夠滿足新的應(yīng)用需求和挑戰(zhàn)。

返波管(Backward Wave Oscillator，簡(jiǎn)稱BWO)也稱返波振蕩器，是眾多微波電真空器件中應(yīng)用較為廣泛的一種器件，返波管的工作機(jī)制是利用返向空間諧波與電子注發(fā)生同步互作用從而產(chǎn)生自激振蕩。作為一種典型的微波電真空管，返波管具有寬帶調(diào)諧、譜線窄、功率大、效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)及電子干擾等領(lǐng)域，也可作為高功率微波放大器的推動(dòng)源。慢波結(jié)構(gòu)是返波管中微波信號(hào)與電子注進(jìn)行能量交換的器件。

超材料又稱超構(gòu)材料、異向介質(zhì)、超常材料和左手材料等，指的是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。這種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料能夠在一定的頻段下表現(xiàn)出負(fù)的磁導(dǎo)率或負(fù)的介電常數(shù)。超材料獨(dú)特的電磁特性在發(fā)展高功率微波電真空器件等方面也有著巨大的應(yīng)用潛力，近些年來(lái)，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院(MIT)等科研機(jī)構(gòu)也報(bào)道了超材料在電真空領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)等研究成果，這些成果表明超材料在微波電真空器件上的應(yīng)用將是一種新的研究方向并有著廣泛的應(yīng)用前景。

基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)是利用超材料的周期結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生慢波特性，從而進(jìn)行能量交換的一種器件。該類器件不僅具有高功率、高效率等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的慢波結(jié)構(gòu)相比還有體積小，二維平面結(jié)構(gòu)更有利于加工和裝配，生產(chǎn)成本低，有利于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化和批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)是一種潛力巨大的新型慢波結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)，以提高慢波結(jié)構(gòu)的輸出功率和電子效率，

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)，包括：

一矩形波導(dǎo)；

其特征在于，還包括：

一段周期性互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)；每個(gè)互補(bǔ)開口環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的外圍是一個(gè)金屬矩形框，在金屬矩形框架的一條長(zhǎng)邊(寬邊)中點(diǎn)位置向內(nèi)側(cè)延伸一段金屬條，金屬條的終端分別向金屬矩形框的兩條窄邊方向再延伸，形成一段長(zhǎng)度的橫向枝節(jié)；同樣，在矩形框架的另外一條長(zhǎng)邊中心位置向內(nèi)側(cè)再對(duì)稱形成一段金屬條和橫向枝節(jié)；多個(gè)互補(bǔ)開口環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的金屬矩形框置于矩形波導(dǎo)兩個(gè)長(zhǎng)邊之間上下中間位置，水平縱向(沿矩形波導(dǎo)傳輸方向)依次插入矩形波導(dǎo)的腔體中，每個(gè)互補(bǔ)開口環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)邊縱向?qū)ζ洌遗c矩形波導(dǎo)長(zhǎng)邊一致，這樣一段周期性互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)；

周期性互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的上下表面與矩形波導(dǎo)的上下長(zhǎng)邊形成電子通道，帶狀電子注從周期性互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的上表面、下表面或者上下表面通過，并與周期性互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)上傳輸?shù)碾姶挪ㄟM(jìn)行能量交換。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)，通過在矩形波導(dǎo)的腔體中間縱向插入一段周期性互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，這種互補(bǔ)開口環(huán)諧振結(jié)構(gòu)一半部分產(chǎn)生的電流密度方向與對(duì)稱的另一半部分相反，從而產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)相互抵消，減少磁場(chǎng)響應(yīng)，從而在開口縫隙處即兩半部分的橫向枝節(jié)間有較強(qiáng)的電場(chǎng)共振響應(yīng)，表現(xiàn)出負(fù)的介電常數(shù)ε和負(fù)的磁導(dǎo)率μ的超材料電磁特性，在該周期性互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的上表面和下表面會(huì)形成縱向的諧振場(chǎng)強(qiáng)，有利于帶狀電子注的帶電粒子和電磁波的相互作用。與傳統(tǒng)的慢波結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明擁有更高的耦合阻抗，可得到較高的功率輸出和互作用效率(電子效率)；再者，本發(fā)明為二維平面結(jié)構(gòu)，在慢波結(jié)構(gòu)的上表面和下表面還可以同時(shí)發(fā)射帶狀電子注，不僅能夠進(jìn)一步提高輸出功率和電子效率，還能夠進(jìn)行單注、雙注切換工作實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1所示基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)一個(gè)周期的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為立體圖，(b)為慢波結(jié)構(gòu)中的互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的縱向截面圖，(c)為互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的橫向截面圖；

圖3是本發(fā)明基于超材料的慢波結(jié)構(gòu)單電子注通過結(jié)構(gòu)示意圖；