[发明专利]新型超常材料高功率微波源

说明书

技术领域

本发明属于真空电子技术、粒子物理和加速器领域，具体涉及一种新型带状注/多电子注超常材料(metamaterial)高功率微波源，该发明具有高功率、高效率、小型化、加工简单以及易于与半导体器件集成等诸多优点。

背景技术

在微波频段，相对于半导体器件，真空电子器件虽然具有高功率、高效率等显著的优点，但同时具有体积大、重量重、一致性差等缺点。因而随着半导体器件的快速发展，真空电子器件如行波管、返波管、速调管、磁控管等在通讯、雷达、制导、电子对抗、微波加热、加速器、受控热核聚变等领域面临着巨大的挑战。因此，真空电子器件急需向小型化方向发展、同时需要进一步提高功率，以应对来自半导体器件的挑战。相对于传统的真空电子器件，带状注超常材料高功率微波源同时具有带状电子注和超常材料的优点：其一，超常材料的谐振特性使得超常材料慢波结构具有很高的耦合阻抗，因而使得该类微波源具有高功率和高效率。其二，加载超常材料的方金属波导可以工作在空波导的截止频率之下，因此结构尺寸将大大减小，有利于实现小型化。其三，带状电子注可以以较小的尺寸传输大电流，有利于进一步提高真空电子器件的输出功率。其四，带状电子注还有利于扩大互作用区域，因而可以进一步提高真空电子器件的效率。带状注/多电子注超常材料高功率微波源由于同时具有超常材料和带状电子注的优点，在未来与半导体器件在更高频段(如毫米波和太赫兹频段)的竞争中具有明显的优势，因而引起了学者们越来越多的关注。

2005年，西班牙学者Esteban等提出了一种加载二维金属杆阵列(一种超常材料)的矩形波导，从原理上说明了该波导可以传播准TM波(J.Esteban,et al,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,53(4),1506-1514,2005)。但由于该结构没有天然的电子注通道、其互作用效率低，因而不能应用于真空电子器件中。2014年，中国学者段兆云等提出了一种电互补的谐振单元结构(Complementary Electric Split Ring Resonator(CeSRR)，一种单负介电常数超常材料)，如图1所示，该结构不仅能传播准TM波、同时具有天然的带状电子注通道(Z.Y.Duan,et al,Phys.Plasmas,21(10),103301,2014)。另外，该结构具有很高的耦合阻抗(如图2所示，在750欧姆以上)，远大于S波段的螺旋线(大约100-200欧姆)和耦合腔(大约300-400欧姆)的耦合阻抗。但是该工作仅在理论上分析了超常材料慢波结构的高频特性，并没有进行注波互作用非线性效应的研究，同时没有涉及与之相关的能量输出装置、阴极、收集极等相关部件的具体研究，仅从理论上预言了其可作为一种高功率微波源。因此，该背景技术重点研究慢波结构，仅是高功率微波辐射源的一个组件。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的不足，同时利用带状电子注/多电子注的优点，创造性地提出了一种可实现的新型超常材料高功率微波源。该微波源具有高功率、高效率、小型化、加工简单以及易于与半导体器件集成等优点。

本发明所采用的技术方案是：一种新型超常材料高功率微波源，包括：阴极、慢波结构、分别位于慢波结构两端的同轴波导耦合能量输出装置及收集极组件，其特征在于：

所述慢波结构包括方波导、固定于方波导内腔中央位置的超常材料。

所述同轴波导耦合能量输出装置包括耦合波导组件和同轴波导组件。

所述耦合波导组件包括矩形耦合波导、位于耦合波导一端的波导挡板及位于另一端固定连接耦合波导与方波导的波导连接法兰。

所述同轴波导组件包括同轴探针、同轴介质、介质固定筒和输出转接筒。

所述矩形耦合波导的一侧面中心位置开有一圆孔，圆孔外侧嵌入介质固定筒，介质固定筒另一端嵌入输出转接筒；所述介质固定筒内填充有同轴介质；所述同轴探针一端固定连接超常材料，另一端穿过同轴介质。

所述波导挡板开设有用于电子注通过的四棱锥的方孔；所述阴极位于方孔外侧。

所述收集极组件包括收集极、用于固定收集极与方波导的收集极固定筒。

所述超常材料两端各超出方波导四分之一个超常材料单元周期长度，以此实现信号的高效耦合输出。

所述波导挡板与耦合波导之间设有用于调节方孔位置的可调垫片。

所述同轴介质的材料为聚四氟乙烯。

所述同轴介质分为外径不同的两段，其中靠近耦合波导圆孔的一段同轴介质的外径大于另一段。