一种基于超构材料的双带状电子注太赫兹行波管制造技术

本发明专利技术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。赫兹行波管。赫兹行波管。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超构材料的双带状电子注太赫兹行波管


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
‑<br/>CNC Machined 220
‑
GHz Traveling Wave Tube Amplifier,”IEEE Transactions on Electron Devices,vol.64,no.5,pp.2390
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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。
[0004]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 a Waveguide Coupler”,IEE E Transactions on Electron Devices,vol.64,no.5,pp.2376
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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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]针对
技术介绍
所存在的问题，本专利技术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。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。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种基于超构材料的双带状电子注太赫兹行波管，包括阴极、超构材料慢波结构、输入装置、输出装置和条形板；
[0009]所述条形板为长方体金属块，其左侧固定设置输入装置，右侧固定设置输出装置，前侧固定设置超构材料慢波结构；其中，所述输入装置和输出装置均为矩形耦合波导，其一端为信号输入端或信号输出端，另一端两个侧壁上均设置通孔，作为电子注通道，阴极设置于输入装置的电子注通道入口处；
[0010]其特征在于，所述超构材料慢波结构包括矩形波导和设置于矩形波导内的n个沿电子注传输方向依次排列的超构材料单元，并将矩形波导内部空间平均划分为上下两个电子注通道；所述超构材料单元包括水平截面为矩形的金属环和两个相同尺寸的矩形金属块，两个矩形金属块的长边与矩形金属环内侧相对的两个长边固定连接，且不与矩形金属环内侧的两个短边连接，超构材料单元内部中央形成了一个“I”型谐振间隙，且整个超构材料单元关于两个矩形金属块的长边中心点连线呈轴对称；
[0011]第一个超构材料单元和最后一个超构材料单元均有一半位于输入装置和输出装置的矩形耦合波导内；阴极为双阴极，关于超构材料单元结构所在平面上下对称设置，用于发射双带状电子注。
[0012]进一步地，双带状电子注太赫兹行波管还包括聚焦磁装置，用于为双带状电子注提供均匀磁场，维持电子注的稳定传输。
[0013]进一步地，所述超构材料慢波结构的材料为高电导率材料，优选为无氧铜、金、银等。
[0014]进一步地，矩形金属环的长边长度为w，宽边长度为超构材料慢波结构的周期p，矩形金属环的环宽度为d；两个矩形金属块之间距离为g，且矩形金属块的宽边与未相连的矩形金属环的宽边的间距也为g；矩形金属环和矩形金属块的厚度均为t。
[0015]进一步地，所述超构材料慢波结构中的矩形波导的长度为l，高度为h，宽度为w；且l＝(n
‑
1)p。
[0016]进一步地，所述双带状电子注太赫兹行波管的工作过程为：待放大的高频场从输入装置的信号输入端3
‑
2馈入到矩形耦合波导3
‑
1，与第一个超构材料单元电耦合进入到超
构材料慢波结构2；阴极1产生双带状电子注，首先穿过电子注通道入口3
‑
3，经矩形耦合波导3
‑
1后进入超构材料慢波结构的电子注传输区域，互作用后的电子注由电子注输出通道4
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3进入收集极；高频本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超构材料的双带状电子注太赫兹行波管，包括阴极、超构材料慢波结构、输入装置、输出装置和条形板；所述条形板为长方体金属块，其左侧固定设置输入装置，右侧固定设置输出装置，前侧固定设置超构材料慢波结构；其中，所述输入装置和输出装置均为矩形耦合波导，其一端为信号输入端或信号输出端，另一端两个侧壁上均设置通孔，作为电子注通道，阴极设置于输入装置的电子注通道入口处；其特征在于，所述超构材料慢波结构包括矩形波导和设置于矩形波导内的n个沿电子注传输方向依次排列的超构材料单元，并将矩形波导内部空间平均划分为上下两个电子注通道；所述超构材料单元包括水平截面为矩形的金属环和两个相同尺寸的矩形金属块，两个矩形金属块的长边与矩形金属环内侧相对的两个长边固定连接，且不与矩形金属环内侧的两个短边连接，超构材料单元内部中央形成了一个“I”型谐振间隙，且整个超构材料单元关于两个矩形金属块的长边中心点连线呈轴对称；第一个超构材料单元和最后一个超构材料单元均有一半位于输入装置和输出装置的矩形耦合波导内；阴极为双阴极，关于超构材料单元结构所在平面上下对称设置，用于发射双带状电子注。2.如权利要求1所述的双带状电子注太赫兹行波管，其特征在于，双带状电子注太赫兹行波管还包括聚焦磁装置，用于为双带状电子注提供均匀磁场，维持电子注的...

【专利技术属性】
技术研发人员：段兆云，江胜坤，吕志方，董济博，陈旭媛，唐涛，王战亮，巩华荣，宫玉彬，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：