光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构
阅读：623发布：2020-05-11
专利汇可以提供光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 光子 晶体加载的带状注交错双栅 慢波结构 ，构建两个光子晶体盖板，光子晶体盖板通过在无盖金属盒中设置光子晶体得到，两个光子晶体盖板扣盖于交错双栅的两侧，光子晶体在交错双栅侧面的投影完全 覆盖 交错双栅的侧面。本发明利用光子晶体的特性令慢波结构中 电场 分布更加均匀，提高 电子 注利用效率，降低 行波管 工作 电压 。，下面是光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构专利的具体信息内容。
1.一种光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构，其特征在于包括交错双栅和两个光子晶体盖板，光子晶体盖板包括无盖金属盒和光子晶体，光子晶体采用二维光子晶体或三维光子晶体，光子晶体一面固定于无盖金属盒的底部，光子晶体的高度小于无盖金属盒侧壁的高度；
分别将两个光子晶体盖板中无盖金属盒的开口一侧固定于交错双栅的两侧，光子晶体的顶端平面和底端平面均与交错双栅的侧面平行，与带状电子注平面垂直，光子晶体在交错双栅侧面的投影完全覆盖交错双栅的侧面。
2.根据权利要求1所述的带状注交错双栅慢波结构，其特征在于，所述光子晶体采用二维光子晶体，为由若干周期性排列的金属棒形成的阵列。
3.根据权利要求2所述的带状注交错双栅慢波结构，其特征在于，在所述光子晶体盖板的金属棒之间的间隙中填充电介质，电介质顶面与交错双栅的侧面平行，电介质厚度小于无盖金属盒侧壁的高度。
光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构
技术领域
背景技术
[0002] 行波管作为一种应用领域广泛的微波功率放大器件，在军用和民用领域均具有种类非常丰富的产品。目前常用的行波管种类有：螺旋线行波管、耦合腔行波管、曲折波导行波管等。其中，通常来说曲折波导行波管具有比较适中带宽与耦合阻抗，在常用的微波频段中具有非常广阔的发展前景。
[0003] 近年来，交错双栅慢波结构在毫米波和太赫兹源的研究中受到关注。图1是交错双栅慢波结构的真空模型示意图。如图1所示，交错双栅慢波结构通过在矩形波导两个宽边上分别周期性放置两排保持一定位错的矩形金属栅得到。位错的引入虽然降低了基波强度，但高次谐波得到了显著增强，与高次揩波同步所需的电子注电压降低。引入位错后，慢波结构可以工作于基模，提高了稳定性。交错双栅作为毫米波和太赫兹行波管、返波振荡器、自由电子激光等的高频慢波电路时，具有高频损耗较小、增益较高、带宽较大等优点，是一种有高频应用潜力的全金属慢波结构。
[0005] 光子晶体因其独特的电磁特性，吸引了世界各地的学者的注意，光子晶体技术已经被应用于微波电路滤波器、无阈值激光器和高性能超棱镜等领域。国内外一部分学者也正在做将光子晶体技术应用于微波电真空电子器件领域的研究，但目前尚无光子晶体在交错双栅慢波结构中的相关应用研究。
发明内容
[0007] 为实现上述发明目的，本发明光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构，包括交错双栅和两个光子晶体盖板，光子晶体盖板包括无盖金属盒和光子晶体，光子晶体采用二维光子晶体或三维光子晶体，光子晶体一面固定于无盖金属盒的底部，光子晶体的高度小于无盖金属盒侧壁的高度；
[0008] 分别将两个光子晶体盖板中无盖金属盒的开口一侧固定于交错双栅的两侧，光子晶体的顶端平面和底端平面均与交错双栅的侧面平行，与带状电子注平面垂直，光子晶体在交错双栅侧面的投影完全覆盖交错双栅的侧面。
[0009] 本发明光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构，构建两个光子晶体盖板，光子晶体盖板通过在无盖金属盒中设置光子晶体得到，两个光子晶体盖板扣盖于交错双栅的两侧，光子晶体在交错双栅侧面的投影完全覆盖交错双栅的侧面。
[0010] 本发明将光子晶体技术应用于微波电真空电子器件领域，利用光子晶体的禁带特性及其在禁带频率范围内创建的理想磁边界条件，改变传统交错双栅慢波结构中的电场分布特征，使传统交错双栅中横向上呈正弦函数分布的电磁场强度变为近似均匀分布，可以使得横向中心区域和边缘区域的电子注达到饱和输出的时间近似相等，进而实现电子注利用效率的提高。同时，这种电场分布特征的改变，还能实现行波管工作电压的降低。附图说明
[0011] 图1是交错双栅慢波结构的真空模型示意图；
[0012] 图2是本发明二维光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构的一种具体实施方式结构图；
[0013] 图3是本发明中二维光子晶体盖板的局部示意图；
[0014] 图4是本发明二维光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构的横截面示意图；
[0015] 图5是本发明和传统交错双栅慢波结构横向电场强度分布对比图；
[0016] 图6是本发明实施例的传输特性仿真结果；
[0017] 图7是本实施例的归一化相速度仿真结果。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0019] 实施例
[0020] 图2是本发明光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构的具体实施方式结构图。如图2所示，本发明光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构包括交错双栅1和两个光子晶体盖板2。与常规带状注慢波结构相同，会根据需要在合适位置添加上电子注入口3、信号输入口4和信号输出口5。
[0021] 交错双栅1采用常规结构即可，栅截面可以为矩形、三角形以及其他一切容易想到的交错双栅的栅截面形状。
[0022] 光子晶体盖板2包括无盖金属盒21和光子晶体22，光子晶体22采用二维光子晶体或三维光子晶体，光子晶体22一面固定于无盖金属盒的底部，光子晶体22的高度小于无盖金属盒21侧壁的高度。
[0023] 分别将两个光子晶体盖板2中无盖金属盒21的开口一侧固定于交错双栅1的两侧，光子晶体22的顶端平面和底端平面均与交错双栅1的侧面平行，与带状电子注平面垂直，光子晶体22在交错双栅1侧面的投影完全覆盖交错双栅1的侧面。
[0024] 本实施例中光子晶体22采用二维光子晶体，二维光子晶体主要结构包括周期性排列的介质棒阵列和打孔的薄膜结构，排列方式一般为四边形和三角形点阵，通过调节棒或孔的直径以及间距大小，可以实现不同频率和带宽的光子禁带。二维光子晶体的详细情况可以参见文献“John D.Joannopoulos,Steven G.Johnson,Joshua N.Winn,Robert D.Meade.“Photonic Crystals Molding the Flow of Light(second edition)”,Princeton University Press.”。
[0025] 图3是本发明中二维光子晶体盖板的局部示意图。如图3所示，本实施例中二维光子晶体为由若干周期性排列的金属棒221形成的阵列，金属棒221的底端固定于无盖金属盒21的底部，金属棒222的高度小于无盖金属盒21侧壁的高度，从而使二维光子晶体顶端平面的高度小于无盖金属盒21侧壁的高度。
[0026] 图4是本实施例二维光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构的横截面示意图。如图2和图4所示，本实施例中分别将两个光子晶体盖板2中无盖金属盒21的开口一侧固定于交错双栅1的两侧，由全部金属棒221顶端形成的平面和由全部金属棒221底端形成的平面与交错双栅1的侧面平行。由于金属棒221的高度小于无盖金属盒21侧壁的高度，因此光子晶体不与交错双栅1进行接触。金属棒221的横截面不受限制，一般可以为矩形、圆形或椭圆形等。如图3所示，本实施例中金属棒221的横截面采用正方形，金属棒221的排列方式也采用正方形排列，图3中b表示金属棒22横截面的边长，a表示正方形排列的边长，d表示金属棒22的高度，c表示金属棒221顶端与无盖金属盒21侧壁顶端的距离。
[0027] 为了控制二维光子晶体的厚度，便于慢波结构的小型化，如图3所示，可以在光子晶体盖板2的金属棒221之间的间隙中填充电介质222，电介质顶面与交错双栅的侧壁平行，电介质厚度小于无盖金属盒21侧壁的高度，即电介质不与交错双栅1进行接触。
[0028] 本发明中利用光子晶体的禁带特性，采用光子晶体盖板替代传统交错双栅结构中的金属盖板，从而限制电磁波能量集中在交错双栅内部而不能向外传播。同时，利用光子晶体创建的理想磁壁边界条件替代传统交错双栅中金属盖板原本所构成的电壁条件，可以改变电磁波能量在交错双栅慢波结构横向的分布特征。
[0029] 在传统的交错双栅慢波结构中，电场强度在慢波结构横向的分布与矩形波导的TE10模式相似，呈现正弦函数特征，这时，在慢波结构横向上，靠近中心的区域耦合阻抗比边缘区域的高，注-波互作用效果也比边缘区域好，从而导致可能出现中心区域电子注被高度调制，输出功率达到饱和的时候边缘区域的电子注输出功率远远不到饱和功率，或者在边缘区域电子注功率达到饱和的时候中心区域的电子注已经过饱和。而本发明中采用光子晶体得到理想磁壁边界条件，可以使得电场能量在慢波结构横向上分布更加平均，所有区域的电子注达到饱和功率的时间更加接近，进而减少电子注功率的浪费。此外，本发明相对于传统交错双栅慢波结构还具有降低工作电压的效果。
[0030] 为了更好说明本发明的技术效果，构建了一个具体的光子晶体加载的带状注交错双栅慢波结构进行仿真验证，其中光子晶体采用二维光子晶体，并和采用相同宽度交错双栅的传统交错双栅慢波结构进行对比。图5是本实施例和传统交错双栅慢波结构横向电场强度分布对比图。如图5所示，传统交错双栅慢波结构的横向电场强度呈正弦函数分布，而在本发明中，电磁波进入二维光子晶体内部后急速衰减，绝大部分能量被束缚在交错双栅内部，从而使横向电场强度近似均匀分布。
[0031] 图6是本实施例的传输特性仿真结果。图6中S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗。如图6所示，本发明具有良好的传输特性，可以满足工程应用需要。
[0032] 图7是本实施例的归一化相速度仿真结果。归一化相速度用于体现慢波结构的色散特性。图7中对应的电子注同步电压约为8200V。如图7所示，本发明工作在[200GHz，240GHz]频带时，归一化相速度在0.2以下。而传统交错双栅慢波结构工作在相同频带，其归一化相速度在0.25至0.3之间。可见，本发明相对于传统交错双栅慢波结构，其归一化相速度有极大的降低，意味着工作电压有极大的降低。
[0033] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
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