本發(fā)明屬于微波電真空技術領域，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構。

背景技術：

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動實現(xiàn)微波信號的振蕩或放大的一種器件。這種器件最大的一個特點就是能夠產生很高的功率輸出，這就使得微波電真空器件能夠在電子對抗、衛(wèi)星通信等領域有著重要的作用。

固態(tài)器件的高速發(fā)展以及航天、軍事領域的迫切需求，給微波電真空器件帶來了挑戰(zhàn)和機遇。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、能夠批量生產和制造成本低等特點，能夠滿足新的應用需求和挑戰(zhàn)。

返波管(backwardwaveoscillator，簡稱bwo)也稱返波振蕩器，是眾多微波電真空器件中應用較為廣泛的一種器件，返波管的工作機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，返波管具有寬帶調諧、譜線窄、功率大、效率高等特點，被廣泛應用于雷達及電子干擾等領域，也可作為高功率微波放大器的推動源。慢波結構是返波管中微波信號與電子注進行能量交換的器件。

超材料又稱超構材料、異向介質、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的人工復合結構或復合材料。這種人工復合結構或復合材料能夠在一定的頻段下表現(xiàn)出負的磁導率或負的介電常數(shù)。超材料獨特的電磁特性在發(fā)展高功率微波電真空器件等方面也有著巨大的應用潛力，近些年來，美國空軍實驗室和麻省理工學院(mit)等科研機構也報道了超材料在電真空領域的理論和實驗等研究成果，這些成果表明超材料在微波電真空器件上的應用將是一種新的研究方向并有著廣泛的應用前景。

基于超材料的慢波結構是利用超材料的周期結構而產生慢波特性，從而進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，與傳統(tǒng)的慢波結構相比還有體積小，二維平面結構更有利于加工和裝配，生產成本低，有利于實現(xiàn)小型化、集成化和批量生產等優(yōu)點，因此基于超材料的慢波結構是一種潛力巨大的新型慢波結構。

技術實現(xiàn)要素：

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

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于超材料的慢波結構，包括：

一矩形波導；

其特征在于，還包括：

一段周期性互補開口諧振環(huán)結構；每個互補開口環(huán)諧振結構的外圍是一個金屬矩形框，在金屬矩形框架的一條長邊(寬邊)中點位置向內側延伸一段金屬條，金屬條的終端分別向金屬矩形框的兩條窄邊方向再延伸，形成一段長度的橫向枝節(jié)；同樣，在矩形框架的另外一條長邊中心位置向內側再對稱形成一段金屬條和橫向枝節(jié)；多個互補開口環(huán)諧振結構的金屬矩形框置于矩形波導兩個長邊之間上下中間位置，水平縱向(沿矩形波導傳輸方向)依次插入矩形波導的腔體中，每個互補開口環(huán)諧振結構的長邊縱向對其，且與矩形波導長邊一致，這樣一段周期性互補開口諧振環(huán)結構；

周期性互補開口諧振環(huán)結構的上下表面與矩形波導的上下長邊形成電子通道，帶狀電子注從周期性互補開口諧振環(huán)結構的上表面、下表面或者上下表面通過，并與周期性互補開口諧振環(huán)結構上傳輸?shù)碾姶挪ㄟM行能量交換。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的。

本發(fā)明基于超材料的慢波結構，通過在矩形波導的腔體中間縱向插入一段周期性互補開口諧振環(huán)結構，這種互補開口環(huán)諧振結構一半部分產生的電流密度方向與對稱的另一半部分相反，從而產生的感應磁場相互抵消，減少磁場響應，從而在開口縫隙處即兩半部分的橫向枝節(jié)間有較強的電場共振響應，表現(xiàn)出負的介電常數(shù)ε和負的磁導率μ的超材料電磁特性，在該周期性互補開口諧振環(huán)結構的上表面和下表面會形成縱向的諧振場強，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)的慢波結構相比，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)明為二維平面結構，在慢波結構的上表面和下表面還可以同時發(fā)射帶狀電子注，不僅能夠進一步提高輸出功率和電子效率，還能夠進行單注、雙注切換工作實現(xiàn)功率可調。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于超材料的慢波結構一種具體實施方式的結構示意圖；

圖2是圖1所示基于超材料的慢波結構一個周期的結構示意圖，其中，(a)為立體圖，(b)為慢波結構中的互補開口諧振環(huán)結構的縱向截面圖，(c)為互補開口諧振環(huán)結構的橫向截面圖；

圖3是本發(fā)明基于超材料的慢波結構單電子注通過結構示意圖；

圖4是本發(fā)明基于超材料的慢波結構雙電子注通過結構示意圖；

圖5是圖1所示周期性互補開口諧振環(huán)結構和探針饋電連接結構示意圖；

圖6是本發(fā)明基于超材料的慢波結構形成的布里淵曲線圖；

圖7是本發(fā)明基于超材料的慢波結構形成的耦合阻抗曲線圖；

圖8是本發(fā)明基于超材料的慢波結構形成的歸一化色散曲線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。

圖1是本發(fā)明基于超材料的慢波結構一種具體實施方式的結構示意圖。

在本實施例中，如圖1所示，本發(fā)明基于超材料的慢波結構，包括矩形波導1以及一段周期性互補開口諧振環(huán)結構2；周期性互補開口諧振環(huán)結構2由多個互補開口環(huán)諧振結構的金屬矩形框201置于矩形波導1兩個長邊101之間上下中間位置，在本實施例中，矩形波導1兩個窄邊102的中心點位置，水平縱向(沿矩形波導1傳輸方向)依次插入矩形波導1的腔體中形成，每個互補開口環(huán)諧振結構的長邊即金屬矩形框201的長邊縱向對其，且與矩形波導1長邊一致。

周期性互補開口諧振環(huán)結構2的上下表面與矩形波導1的上下長邊101形成電子注通道，帶狀電子注從周期性互補開口諧振環(huán)結構2的上表面、下表面或者上下表面通過，并與周期性互補開口諧振環(huán)結構2上傳輸?shù)碾姶挪ㄟM行能量交換。

如圖1所示，矩形波導1和周期性互補開口諧振環(huán)結構2材料均為無氧銅。本發(fā)明基于超材料的慢波結構，有天然的電子注通道，并且內部空間開放，全金屬結構利于散熱，采用帶狀電子注與電磁波進行互作用，具有較高的輸出功率和電子效率，并且可以單注、雙注工作，結構簡單、易于加工，生產成本低，可實現(xiàn)小型化、集成化和批量生產，是一種具有較大潛力的適用于返波振蕩器的慢波結構。

圖2是圖1所示基于超材料的慢波結構一個周期的結構示意圖，其中，(a)為立體圖，(b)為慢波結構中的互補開口諧振環(huán)結構的縱向截面圖，(c)為互補開口諧振環(huán)結構的橫向截面圖。

在本實施例中，如圖2(a)、(b)所示，一個周期的互補開口環(huán)諧振結構的外圍是一個金屬矩形框201，在金屬矩形框架的一條長邊即左邊的長邊中點位置向內側即右側延伸一段金屬條202，金屬條202的終端分別向金屬矩形框201的兩條窄邊即上下兩條邊方向再延伸，形成一段長度的橫向枝節(jié)203；同樣，在矩形框架的另外一條長邊即即右邊的長邊中點位置向內側即左側再對稱形成一段金屬條和橫向枝節(jié)。

如圖2(a)、(b)所示，互補開口環(huán)諧振結構中兩個左右兩個枝節(jié)203形成一對互補開口諧振環(huán)，這種互補開口環(huán)諧振結構對稱的左邊一半部分產生的電流密度方向與另一半部分相反，從而產生的感應磁場相互抵消，減少磁場響應，在開口縫隙處有較強的電場共振響應，表現(xiàn)出負的介電常數(shù)ε和負的磁導率μ的超材料電磁特性，在該周期性互補開口諧振環(huán)結構的上表面和下表面會形成縱向的諧振場強，有利于帶狀電子注的帶電粒子和電磁波的相互作用。

如圖2(b)、(c)所示，定義一個周期的互補開口環(huán)諧振結構尺寸如下：互補開口諧振環(huán)結構厚度為t，內部長寬尺寸為w1*l2，外部長寬尺寸為w4*l1，開口間隙即兩半部分的橫向枝節(jié)間的距離為d2，橫向枝節(jié)長度為w2，寬度為d1，金屬條寬度為w3，矩形波導1外殼的高度為c。

在本實施例中，如圖2(b)、(c)所示，一個周期的互補開口環(huán)諧振結構中，金屬矩形框201的窄邊l1和傳輸?shù)碾姶挪üぷ鞑ㄩLλ的關系滿足：l1<0.25λ，橫向枝節(jié)203的長度w2和金屬矩形框201的長邊w1滿足：2w2<w1，橫向枝節(jié)203的寬度d1、兩半部分的橫向枝節(jié)間形成的開口縫隙的寬度d2以及金屬矩形框201的窄邊內部長度l2滿足：(d2+2*d1)<l2。

在本實施中，設計了一種工作在c波段的基于超材料的慢波結構，其它頻段的基于超材料的慢波結構可在本實施結構上進行縮放可得。在本實施例中，具體實施方案的結構尺寸如下：l1＝6.8mm、l2＝5.8mm、w1＝20mm、w4＝21mm，d2＝1.8mm、w2＝8.6mm、d1＝1.2mm、w3＝1.2mm、t＝1.0mm、c＝20mm。

如圖1所示，多個互補開口環(huán)諧振結構的金屬矩形框201置于矩形波導1兩個長邊101之間上下中間位置，水平縱向(沿矩形波導傳輸方向)依次插入矩形波導1的腔體中，每個互補開口環(huán)諧振結構的長邊即金屬矩形框201的長邊縱向對其，且與矩形波導1長邊101一致，這樣一段周期性互補開口諧振環(huán)結構2。

圖3是本發(fā)明基于超材料的慢波結構單電子注通過結構示意圖。

在本實施例中，如圖3所示，帶狀電子注3可以在周期性互補開口諧振環(huán)結構2的上表面或下表面通過，并與周期性互補開口諧振環(huán)結構2上傳輸?shù)碾姶挪ㄟM行能量交換，這種結構使得能量交換的空間區(qū)域比較開放，有利于解決散熱和電子積累等問題，能夠保證微波電真空器件工作壽命和工作穩(wěn)定性。

圖4是本發(fā)明基于超材料的慢波結構雙電子注通過結構示意圖。

由于本發(fā)明基于超材料的慢波結構上下完全對稱，在周期性互補開口諧振環(huán)結構2上下表面都能產生對稱的縱向場，有天然對稱的電子注通道，因此可以在周期性互補開口諧振環(huán)結構2的上下表面各加一個帶狀電子注，這樣能夠充分利用縱向場分量與電子注進行能量交換，進一步提高微波電真空器件的輸出功率和電子效率。另外，這種本發(fā)明基于超材料的慢波結構可以進行單注、雙注切換工作，實現(xiàn)功率或頻率可調。

圖5是圖1所示周期性互補開口諧振環(huán)結構和探針連接結構示意圖。

在本實施中，如圖5所示，利用探針將電磁波信號饋入本發(fā)明基于超材料的慢波結構中即周期性互補開口諧振環(huán)結構一端，電磁波信號在該結構中傳播產生負色散的電磁慢波形成自激振蕩，并與電子注進行能量交換得到信號的放大，放大的信號又向著相反的方向傳播并在靠近電子槍的一端輸出。

通過仿真軟件首先對基于超材料的慢波結構進行優(yōu)化仿真，得到一個最優(yōu)的高頻結構；其次利用軟件對能量耦合結構進行設計，這里采用探針的方式進行能量耦合，探針直接和周期性互補開口諧振環(huán)結構一端進行接連，另一端伸入標準輸出波導內部進行能量耦合；最后利用pic粒子模擬軟件分別對單個和兩個帶狀電子注進行注波互作用的模擬仿真，得出最終的電氣參數(shù)和整管結構。

在本實施例中，如圖6所示，在本實施例結構尺寸下得到相移和頻率f(或者自由空間波數(shù)k與相位常數(shù)β)的關系曲線，也就是通常所說的布里淵曲線圖。曲線上任一點的縱坐標與橫坐標之比為相速與光速之比vp/c，可以看出是快波和慢波，其中0～π為零次空間諧波(基波)，對應的π～2π為-1次諧波，2π～3π為+1次諧波，3π～4π為-2次諧波基波為返波，并且0～π為返波，π～2π為前向波。圖中分別同時給出一條光速線和31.5kv工作電壓線，光速線左端的區(qū)域為快波，右端的區(qū)域為慢波。因此可以看出大部分落在慢波區(qū)域，31.5kv工作電壓線與返波區(qū)有交集，可用來設計一種新型的返波振蕩器。

在本實施例中，如圖7所示，在本實施例結構尺寸下得到的歸一化色散曲線圖。橫坐標為頻率f，縱坐標為相速vp與光速c之比vp/c，從圖中可以直接看出各個頻點所對應的歸一化相速vp/c的大小，本實驗的實施例方案中在4.5～5.5ghz的帶寬內相速vp為0.24c～0.96c，在中心頻點5ghz的相速為0.5289c。

在本實施例中，如圖8所示，在本實施例結構尺寸下下得到的耦合阻抗曲線圖，耦合阻抗是反應帶電粒子和高頻場相互作用的有效程度的一個物理量，耦合阻抗越大表示注波互作用的程度越強，在4.5～5.5ghz的帶寬內能產生415～660歐姆的耦合阻抗，在中心頻點5ghz處的耦合阻抗大小為463歐姆。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發(fā)明，但應該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。