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专利名称：一种双频金属栅超构材料慢波结构

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410336008.9

专利申请（专利权）人：西南交通大学
权利人地址：四川省成都市二环路北一段111号

专利发明（设计）人：唐先锋,臧业敏,陈明宇,李相强,徐彻

专利摘要：本发明一种双频金属栅超构材料慢波结构，属于返波振荡器领域，采用的技术方案：包括金属栅，金属栅包括大金属波导，沿大金属波导的纵向方向上周期性排列的多个金属栅齿，金属栅齿置于大金属波导的下壁，金属栅齿上方的大金属波导上壁设置有超构材料，超构材料沿大金属波导的纵向通长设置，超构材料的底部与金属栅齿的顶部之间设置有外加电子注。本发明结合了现有两段式慢波结构的双频返波振荡器和基于超构材料的双频返波振荡器的优点，在实现小型化的同时，还可以解决调谐带宽窄的问题。

主权利要求：
1.一种双频金属栅超构材料慢波结构，其特征在于，包括金属栅（1），金属栅（1）包括内部设有空腔的大金属波导（11），沿大金属波导（11）的纵向上周期性排列有多个金属栅齿（12），金属栅齿（12）置于大金属波导（11）的下壁，金属栅齿（12）上方的大金属波导（11）上壁设置有超构材料（2），超构材料（2）大金属波导（11）的纵向通长设置，超构材料（2）的底部与金属栅齿（12）的顶部之间设置有外加电子注（4）；
所述超构材料（2）包括小金属波导（21），小金属波导（21）的上壁与大金属波导（11）上壁重合，小金属波导（21）的中部间隔设置有谐振结构（22），谐振结构（22）与小金属波导（21）的上壁、下壁之间为超构材料真空间隙（32）；
所述谐振结构（22）由周期性排列的互补谐振单元组成，每个互补谐振单元由两个对称的排列的E字形结构构成。 说明书 : 一种双频金属栅超构材料慢波结构技术领域[0001] 本发明属于返波振荡器领域，具体涉及一种双频金属栅超构材料慢波结构。背景技术[0002] 返波振荡器作为一种重要的真空电子器件，由于其具备可调谐和大功率等优势，在微波毫米波领域具有广泛的应用。近年来，随着技术的飞速发展，目标检测、等离子体诊断等领域需要返波振荡器具备小型化和双频工作等特点：小型化能促使器件具有更小的体积和更轻的重量；双频工作则是器件能够同时产生两个不同频率的微波信号，使之具备更优异的性能。然而，这些需求对返波振荡器的核心部件(即：慢波结构)提出了新的挑战。目前，实现双频返波振荡器有两种方法。[0003] 第一种是在纵向上(即：电子注行进方向或电磁波传播方向)串联两段不同的慢波结构：利用两段不同慢波结构分别与电子注相互作用，从而产生两个不同频率的微波信号。这种方法的优势在于：所设计的双频返波振荡器，与传统单频返波振荡器类似，具备较宽的调谐带宽。其不足之处在于：纵向上增加了一段慢波结构，增加了器件总长度，不利于器件的小型化。[0004] 第二种是采用超构材料作为慢波结构：利用超构材料的两个模式同时与电子注相互作用，从而产生两个不同频率的微波信号。这种方法的优势在于：所设计的双频返波振荡器仅采用一段慢波结构，同时加上超构材料本身的小型化特点，使得其具备明显的小型化优势。其不足之处在于：超构材料的谐振特性，相比于第一种方法，其调谐带宽很窄，不利于提升其性能。[0005] 简言之，用于实现双频返波振荡器的慢波结构存在以下问题：1是采用纵向上两段式慢波结构，不利于器件的小型化。2是采用超构材料慢波结构，不利于器件拓展带宽。发明内容[0006] 本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种双频金属栅超构材料慢波结构，本发明结合了现有两段式慢波结构的双频返波振荡器和基于超构材料的双频返波振荡器的优点，在实现小型化的同时，还可以解决调谐带宽窄的问题。[0007] 为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种双频金属栅超构材料慢波结构，包括金属栅，金属栅包括内部设有空腔的大金属波导，沿大金属波导的纵向上周期性排列有多个金属栅齿，金属栅齿置于大金属波导的下壁，金属栅齿上方的大金属波导上壁设置有超构材料，超构材料沿大金属波导的纵向通长设置，超构材料的底部与金属栅齿的顶部之间设置有外加电子注。[0008] 进一步的，所述超构材料包括小金属波导，小金属波导的上壁与大金属波导上壁重合，小金属波导的中部间隔设置有谐振结构，谐振结构与小金属波导的上壁、下壁之间为超构材料真空间隙。[0009] 进一步的，所述谐振结构由周期性排列的互补谐振单元组成，每个互补谐振单元由两个对称的排列的E字形结构构成。[0010] 与现有技术相比，本发明的有益效果为。[0011] 1、与纵向上两段式慢波结构相比，本发明将超构材料横向垂直放置于金属栅内部，从而实现双频工作，不会增加额外的纵向长度。因而，本发明具有小型化特征。[0012] 2、本发明在超构材料双频调谐的基础上，利用金属栅基：统共牧细叽文Ｍ庇氲缱幼⑾嗷プ饔貌敌藕。因此，本发明的电压调谐范围从超构材料ΔU1增加为ΔU1+ΔU2，从而达到增加额外调谐范围(或调谐带宽)的目的。附图说明[0013] 图1为本发明的结构示意图。[0014] 图2为超构材料的结构剖面图。[0015] 图3为本发明双频金属栅超构材料慢波结构的色散曲线。[0016] 其中，1为金属栅，11为大金属波导，12为金属栅齿，2为超构材料，21为小金属波导，22为谐振结构，31为金属栅真空间隙，32为超构材料真空间隙，4为电子注。具体实施方式[0017] 下面将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程进行充分理解并据以实施。[0018] 一种双频金属栅超构材料慢波结构，包括由大金属波导11和金属栅齿12构成的金属栅1，金属栅齿12置于大金属波导11的下壁且金属栅齿12在沿着大金属波导11的纵向周期性排列。金属栅齿12之间为金属栅真空间隙31。[0019] 大金属波导11上壁设置有超构材料2，超构材料2沿大金属波导11的纵向通长设置。超构材料2包括小金属波导21，小金属波导21的上壁与大金属波导11上壁重合，小金属波导21的中部间隔设置有谐振结构22，谐振结构22与小金属波导21上下壁之间为超构材料真空间隙32。如图2所示，谐振结构22由周期性排列的互补谐振单元组成，每个互补谐振单元由两个对称的排列的E字形结构构成。超构材料2的底部与金属栅齿12的顶部之间设置有外加电子注4。通过改变电子注电压来改变产生微波信号的频率。[0020] 超构材料2横向垂直放置于金属栅1内部，有效利用了金属栅1的内部空间，从而实现双频工作，不需要增加纵向长度。相比于两段式慢波结构需要增加纵向长度，本发明具备小型化特征。[0021] 上面对本发明的大致结构进行了说明，下面通过具体的实例来说明双频返波振荡器的工作原理。[0022] 如图1所示，大金属波导11的截面为65mm*60mm的矩形，壁厚为1mm，大金属波导11的长度由金属栅齿12的周期数量决定。金属栅齿12截面形状为40mm*60mm的矩形，厚度为n，n＝4mm，金属栅齿12的排布周期为P，P＝14.5mm。[0023] 超构材料2的各个尺寸如图2所示，其中图中尺寸(单位:mm)：c_t＝0.5，t＝1.2，L＝6.65，ae＝14.5，am＝13.5，h1＝4，h2＝4.25，d＝1，g＝1，j＝1.5。[0024] 制作完成后绘制金属栅1超构材料2慢波结构色散曲线，如图3所示。[0025] 返波振荡器的工作原理为：当电子注4的电压线(如图3中的52kV，20kV，8.5kV斜线)与慢波结构色散曲线的返波区域相交时，在纵坐标中会对应一个频点。当具有该电压的电子注稳定穿过该慢波结构时，将会使对应频率的噪声信号发生振荡，从而激励产生相应频率的微波信号。相应地，双频返波振荡器的工作原理为：当电子注与两个模式的返波区域相交时，便会激励产生两个频率的微波信号。[0026] 返波振荡器的调谐原理为：通过改变电子注电压来改变产生微波信号的频率。[0027] 因此，如图3所示，基于双频返波振荡器的工作原理和调谐原理，本发明实现双频工作的具体方式为：1、当电子注电压线位于区域I(即：电子注电压从52kV降低20kV)时，电子注将同时与模式2和模式3发生相互作用，从而产生双频信号，电压调谐范围为ΔU1。2、当电子注电压线位于区域II(即：电子注电压从20kV降低8.5kV)时，电子注将同时与模式3和模式1发生相互作用，从而产生双频信号，电压调谐范围为ΔU2。[0028] 本发明可以产生双频信号的调谐范围为区域I和区域II。区域I由超构材料2两个模式(模式2和模式3)的返波区域(图3中的②和③)交叠形成：在该区域，两个模式相应频率的噪声信号将与电子注分别相互作用，发生振荡放大，从而产生双频微波信号。区域II由超构材料22高次模(模式3)的返波区域(图3中的③)和金属栅11基模(模式1)的返波区域(图3中的①)交叠形成。在该区域内，两个模式相应频率的噪声信号与分别电子注相互作用，发生振荡放大，从而产生双频微波信号。因而，金属栅?超构材料慢波结构的电压调谐范围为ΔU1+ΔU2。相比于超构材料2的电压调谐范围ΔU1，本发明具备更宽的调谐带宽。[0029] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换(比如超构材料结构的替换、以及金属栅齿的周期数、金属栅以及超构材料的材质选择等)都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

专利地区：四川

专利申请日期：2024-03-22

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118174036B