[发明专利]一种超宽带准开放的慢波结构

说明书

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种超宽带准开放的慢波结构，适合工作在太赫兹波段返波管中。

背景技术

太赫兹(terahertz，简称THz)通常是指频率在0.1～10THz(波长在0.03～3mm)波段的电磁波，位于红外和微波之间。由于其在电磁频谱的特殊位置，太赫兹科学与技术是目前十分重要的一个交叉学科前沿领域。太赫兹波的独特性质，使其在生物、医学、物理、化学、和电子信息等学科基础研究领域以及在材料研究、通讯信息、环境科学、光谱学、国家安全等技术领域具有广阔的实用前景和重要的科学研究价值。同时，太赫兹处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段波段。因此，目前太赫兹频段的研究手段主要是基于电子学和光子学的方法。

真空电子电子器件在实现大功率太赫兹源上有很大的潜力。返波管是目前工作频率最高的传统真空电子器件，并且作为一种发展比较成熟的小型化、低造价的真空电子学太赫兹源，具有十分重要的潜在应用价值，国内外很多学者都在努力研究拓展其应用领域。

作为返波管的核心部件，慢波结构直接决定了返波管的工作性能。在太赫兹频段的返波管中，矩形栅波导、曲折波导为主要研究的慢波结构。随着工作频率的升高，工作波长变短，慢波结构尺寸变小，使得这些结构在太赫兹波段工作时损耗大、反射大，因此探索损耗小、反射小的太赫兹新型慢波结构一直是真空电子器件研究中的重要工作。

正弦波导作为一种全金属的慢波结构，具有易于加工，反射小、损耗小，并且拥有天然的带状电子注通道等特点。然而，由于正弦波导是一种全封闭的金属结构，因此该慢波结构的冷带宽相对较窄。

为改善正弦波导慢波结构的工作带宽，通常采取的方案是通过增大正弦波导慢波结构的宽边，尽可能的降低正弦波导慢波结构的低端截止频率，使其冷带宽得以拓宽。

但是，随着正弦波慢波结构宽边的增大，该种慢波结构的纵向电场分布会变得比较分散，因而导致带状电子注通过区域的平均耦合阻抗很小，使得返波振荡器的起振难度大，互作用效率低；同时，由于宽边的增大，该结构的纵深比变大，导致微细加工难度增大。

因此，寻找性能优良的适合工作在太赫兹波段的宽带宽、低损耗并且易于加工的慢波结构，对于太赫兹返波管的设计和发展尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中正弦波导增大宽边所带来耦合阻抗小和难于加工的不足，提供一种超宽带准开放的慢波结构，在提高太赫兹波段带宽、降低损耗的同时，保持耦合阻抗不降低。

为实现上述发明目的，本发明超宽带准开放的慢波结构，其特征在于，包括：

两块宽边长度为a的相同金属平板，位于上下两侧，其相距距离b，纵向长度为l，其在垂直方向位于同一位置；

两块金属壁或者介质壁作为支撑板，分别位于左右两侧之间，即宽边两端，与金属平板宽边垂直，其高度为b、纵向长度为l；

在上金属平板下侧、下金属平板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为R_w、高度为R_h的一条沿纵向周期性起伏状的带状金属脊，其中带状金属脊周期长度为p，带状金属脊之间的水平带状空间为带状电子注通道，其高度h_b为金属平板距离b与2倍脊高R_h之差。

本发明的目的是这样实现的。

本发明超宽带准开放的慢波结构，包括两块相同金属平板以及两侧的支撑金属壁或者介质，其中，在上金属平板下侧、下金属平板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为R_w、高度为R_h的一条沿纵向周期性起伏状的带状金属脊，其中起伏的周期长度为p；这样在带状金属脊之间的空间形成带状电子注通道，其高度h_b为金属平板距离b与2倍脊高R_h之差。

本发明超宽带准开放的慢波结构具有以下优点：

(1)、慢波结构的主体十分简单，由两块金属平板构成，具有天然的带状电子注通道，不需要额外的加工，加工难度低；

(2)、慢波结构中的周期性的起伏结构即带状金属脊加载于宽边方向上中心位置，因此在该处的高频电场能量较为集中，耦合阻抗较大，十分有利于返波振荡器的起振；

(3)、慢结构的低端截止频率很低，因此对应的调谐工作电压也比较低；同时，可以使慢波结构的“冷”带宽得到极大的拓宽，即具有超宽带特性；

(4)、由于该结构纵向截面均匀，其均匀性使得慢波结构中的高频场工作模式纯正，高频传输反射小。