[发明专利]一种基于超材料的慢波结构

说明书

技术领域

本发明属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及返波管放大器件中的一种基于超材料的慢波结构。

背景技术

微波电真空器件指的是在真空环境下，利用带电粒子在电极间的运动实现微波信号的振荡或放大的一种器件。这种器件最大的一个特点就是能够产生很高的功率输出，这就使得微波电真空器件能够在电子对抗、卫星通信等领域有着重要的作用。

固态器件的高速发展以及航天、军事领域的迫切需求，给微波电真空器件带来了挑战和机遇。新一代微波电真空器件不仅要求具有高功率、高性能，还要求具有高可靠性、能够批量生产和制造成本低等特点，能够满足新的应用需求和挑战。

返波管(Backward Wave Oscillator，简称BWO)也称返波振荡器，是众多微波电真空器件中应用较为广泛的一种器件，返波管的工作机制是利用返向空间谐波与电子注发生同步互作用从而产生自激振荡。作为一种典型的微波电真空管，返波管具有宽带调谐、谱线窄、功率大、效率高等特点，被广泛应用于雷达及电子干扰等领域，也可作为高功率微波放大器的推动源。慢波结构是返波管中微波信号与电子注进行能量交换的器件。

超材料又称超构材料、异向介质、超常材料和左手材料等，指的是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。这种人工复合结构或复合材料能够在一定的频段下表现出负的磁导率或负的介电常数。超材料独特的电磁特性在发展高功率微波电真空器件等方面也有着巨大的应用潜力，近些年来，美国空军实验室和麻省理工学院(MIT)等科研机构也报道了超材料在电真空领域的理论和实验等研究成果，这些成果表明超材料在微波电真空器件上的应用将是一种新的研究方向并有着广泛的应用前景。

基于超材料的慢波结构是利用超材料的周期结构而产生慢波特性，从而进行能量交换的一种器件。该类器件不仅具有高功率、高效率等特点，与传统的慢波结构相比还有体积小，二维平面结构更有利于加工和装配，生产成本低，有利于实现小型化、集成化和批量生产等优点，因此基于超材料的慢波结构是一种潜力巨大的新型慢波结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于超材料的慢波结构，以提高慢波结构的输出功率和电子效率，

为实现上述发明目的，本发明基于超材料的慢波结构，包括：

一矩形波导；

其特征在于，还包括：

一段周期性互补开口谐振环结构；每个互补开口环谐振结构的外围是一个金属矩形框，在金属矩形框架的一条长边(宽边)中点位置向内侧延伸一段金属条，金属条的终端分别向金属矩形框的两条窄边方向再延伸，形成一段长度的横向枝节；同样，在矩形框架的另外一条长边中心位置向内侧再对称形成一段金属条和横向枝节；多个互补开口环谐振结构的金属矩形框置于矩形波导两个长边之间上下中间位置，水平纵向(沿矩形波导传输方向)依次插入矩形波导的腔体中，每个互补开口环谐振结构的长边纵向对其，且与矩形波导长边一致，这样一段周期性互补开口谐振环结构；

周期性互补开口谐振环结构的上下表面与矩形波导的上下长边形成电子通道，带状电子注从周期性互补开口谐振环结构的上表面、下表面或者上下表面通过，并与周期性互补开口谐振环结构上传输的电磁波进行能量交换。

本发明的目的是这样实现的。

本发明基于超材料的慢波结构，通过在矩形波导的腔体中间纵向插入一段周期性互补开口谐振环结构，这种互补开口环谐振结构一半部分产生的电流密度方向与对称的另一半部分相反，从而产生的感应磁场相互抵消，减少磁场响应，从而在开口缝隙处即两半部分的横向枝节间有较强的电场共振响应，表现出负的介电常数ε和负的磁导率μ的超材料电磁特性，在该周期性互补开口谐振环结构的上表面和下表面会形成纵向的谐振场强，有利于带状电子注的带电粒子和电磁波的相互作用。与传统的慢波结构相比，本发明拥有更高的耦合阻抗，可得到较高的功率输出和互作用效率(电子效率)；再者，本发明为二维平面结构，在慢波结构的上表面和下表面还可以同时发射带状电子注，不仅能够进一步提高输出功率和电子效率，还能够进行单注、双注切换工作实现功率可调。

附图说明

图1是本发明基于超材料的慢波结构一种具体实施方式的结构示意图；

图2是图1所示基于超材料的慢波结构一个周期的结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为慢波结构中的互补开口谐振环结构的纵向截面图，(c)为互补开口谐振环结构的横向截面图；

图3是本发明基于超材料的慢波结构单电子注通过结构示意图；