[发明专利]一种基于超构材料的双带状电子注太赫兹行波管

说明书

本发明的目的在于提供一种基于超构材料的双带状电子注太赫兹行波管，属于真空电子器件领域。该行波管通过设计具有独特的“I”型谐振环超构材料的慢波结构，利用该超构材料局域电场增强的特点，使其在电子注通道中具有非常高的耦合阻抗；同时，该超构材料具有平板型特征，当其加载于矩形波导中央时，使得超构材料慢波结构具备双带状电子注通道，进而引入双带状电子注来扩大注波互作用区域，提高注波互作用，因而能够实现小型化、高功率和高增益的太赫兹行波管。

技术领域

本发明属于真空电子器件领域，具体涉及一种基于超构材料的双带状电子注太赫兹行波管。

背景技术

太赫兹波是指频率为0.1-10THz的电磁波，在宽带通信、高分辨率成像雷达、医疗诊断、安检等领域具有极其重要的应用前景。然而，由于太赫兹辐射源缺乏，太赫兹科技的广泛应用受到极大制约。

真空电子器件具有高功率、高增益、高效率以及宽带宽的优点，是当前所有可行的太赫兹辐射源中极为引人注目的一种。作为真空电子器件典型代表之一的太赫兹行波管由于能够同时兼顾功率、增益以及带宽等优势，因而得到了广泛而深入的研究。近年来，随着科研工作者的不断努力，大量的太赫兹行波管先后被成功研制，并证实了相较固态电子器件有显著的高功率、高效率等优势。现有技术中太赫兹行波管所采用的慢波结构主要是折叠波导、矩形栅和交错双栅及其变形；同时，伴随着电子注技术的蓬勃发展，带状电子注获得了更多的关注。与圆形注行波管相比，带状电子注行波管具有更大的互作用区域，在相同的注电流密度下，采用更大横向尺寸的带状电子注可以显著提高注电流，进而提升行波管的性能。例如，2017年，带状电子注应用于太赫兹行波管的可行性首次在美国UC-Davis得到证实。A.Baig等人采用交错双栅慢波结构，研制出世界上第一支单带状电子注太赫兹行波管，在0.2THz测得最大输出功率107W(A.Baig et al.,“Performance of a Nano-CNCMachined 220-GHz Traveling Wave Tube Amplifier,”IEEE Transactions on ElectronDevices,vol.64,no.5,pp.2390-2397,May 2017.)。尽管带状电子注的注电流密度高达438A/cm²，且采用了总长度～4cm的交错双栅慢波结构，但这支太赫兹行波管的最大增益仅为33dB。究其原因，主要是因为其慢波结构的耦合阻抗低、单电子注通道互作用区域小限制了注波互作用的能量交换。此外，该研究中采用的交错双栅慢波结构长度较长，不利于太赫兹行波管小型化。

为了克服传统太赫兹慢波结构耦合阻抗低、电子注通道狭小以及常规太赫兹行波管不够小型化的缺点，发展新型高耦合阻抗且拥有大电子注通道的慢波结构极为重要。全金属超构材料作为一种亚波长电磁结构，具有显著的局域电场增强的特点，同时其亚波长特性能够极大缩短慢波结构的纵向长度和横向尺寸。2017年，X.Tang等人基于超构材料提出的S波段双频切伦科夫振荡器，电子效率达到52％，是常规S波段返波管电子效率的两倍以上(X.Tang et al.,“Dual Band Metamaterial Cherenkov Oscillator With aWaveguide Coupler”,IEE E Transactions on Electron Devices,vol.64,no.5,pp.2376-2382,May 2017.)，表明利用超构材料作为慢波结构的新型真空电子器件具有高电子效率的优点。然而，X.Tang等人提出的超构材料单元结构为非“I”型结构，其工作是基于返波特性工作的振荡器，不是基于前向波特性工作的超构材料行波管，且工作频段为S波段，并未实现太赫兹频段的拓展。此外，基于超构材料慢波结构的返波振荡器是通过电子注电压调谐来改变工作频率；而行波管作为一种放大器，不需要电子注电压调谐，是固定电子注电压，因而用于返波振荡器的超构材料慢波结构不太适用于行波管。

因此，如何基于超构材料设计行波管，使其能够工作在太赫兹频段，且具有高耦合阻抗、高输出功率、高增益等优异性能，就成为研究方向之一。

发明内容