两维电磁带隙平面交叉波导周期型慢波结构

摘要

本发明公开一种两维电磁带隙平面交叉波导周期型慢波结构，包括金属电磁带隙波导结构，所述电磁带隙波导结构上设有输入端口和输出端口，所述电磁带隙波导结构包括腔体，在腔体内设有金属隔板、电子注通道及金属柱，其特征在于所述电磁带隙波导结构的波导形状为S型。本发明利用EBG波导结构，实现了器件在大直径/周期比下的单模和高耦合阻抗工作。本发明采用EBG波导结构结合盘荷波导构成慢波结构，在相同波段下，结构尺寸比原有慢波结构增大，具有更好的散热特性；与相同尺寸的原有慢波结构相比，耦合阻抗明显提高。

权利要求

1.一种两维电磁带隙平面交叉波导周期型慢波结构，包括金属电磁带隙波导结构，所述电磁带隙波导结构上设有输入端口(1)和输出端口(2)，所述电磁带隙波导结构包括腔体(5)，在腔体(5)内设有金属隔板(6)、电子注通道(4)及金属柱(31)，其特征在于所述电磁带隙波导结构的波导形状为S型；所述腔体(5)上设有电子注通道(4)的电子注入口(41)和电子注出口(42)，在金属隔板(6)上设有窗口(61)和电磁波通道(62)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种两维电磁带隙平面交叉波导周期型慢波结构，属于物理电子学技术领域。

背景技术

电磁带隙结构(在光频领域称为光子带隙(Photonic Band Gap)，在微波领域一般称为电磁带隙(Electromagnetic Band Gap，EBG))是一种人造周期结构，能够在电磁波波长量级上制作器件并限制其中电磁波运行方向。利用金属电磁带隙结构实现谐振腔等功能器件具有非常优良的优点，可以使器件在较大尺寸上工作在S波段。但现有技术一般采用EBG缺陷腔体构造慢波结构，且要求金属格点的直径/周期比在0.4以下才能保证器件的单模工作状态，而较小的直径/周期比将会带来生产工艺上的困难，其Q值也没有大直径/周期比时高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种两维电磁带隙平面交叉波导周期型慢波结构，采用EBG波导构成慢波结构，能在较大直径/周期比下实现单模工作，有效的提高了器件的Q值，并能提高器件的耦合阻抗。
本发明采用如下技术方案：
一种两维电磁带隙平面交叉波导周期型慢波结构，包括金属电磁带隙波导结构，所述电磁带隙波导结构上设有输入端口和输出端口，所述电磁带隙波导结构包括腔体，在腔体内设有金属隔板、电子注通道及金属柱，其特征在于所述电磁带隙波导结构的波导形状为S型。
本发明采用的EBG波导结构，沿其倒格矢方向去除金属柱子，构成线缺陷，在线缺陷的开始和结束处，与金属板上的通孔相连，在电子注传播方向上构成改进耦合腔式电磁波通道，而在电子注传播方向的垂直方向上则构成S形电磁带隙波导。在慢波结构的横向结构上采用EBG结构，利用EBG结构的限模与选频特性，对电磁波进行限模与选频；在纵向结构上利用金属隔板构造慢波。沿波导进行传输的电磁波，其纵向传播速度得到了有效的降低，从而使得电磁波可以在器件中心与输入粒子流进行高效的能量交换，有效的提高了器件的耦合阻抗。本发明的慢波结构在纵向方向上波导结构呈周期性分布，而其电磁波通道开口在纵向呈交叉分布，故称为交叉波导周期型慢波结构。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明利用S形EBG波导结构，实现了器件在大直径/周期比下的单模和高耦合阻抗工作。
本发明利用电磁带隙结构的周期结构特性，与现有的慢波技术结合，利用电磁带隙结构构造合适的慢波结构，优化原有慢波结构的耦合阻抗特性。
本发明采用EBG波导结构结合盘荷波导构成慢波结构(盘荷波导是一种原有的慢波结构，在两个金属板间是空气，金属板沿电子注传播方向排列，与电子注传播方向垂直)，在相同波段下，结构尺寸比原有慢波结构增大，因此具有更好的散热特性；与相同尺寸的原有慢波结构相比，耦合阻抗明显提高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。
图1是本发明慢波结构的结构剖视图；
图2是本发明慢波结构的顶视剖面图；
图3是本发明采用的波导型电磁带隙结构二维结构示意图；
图4是本发明S型EBG波导的线路形成示意图；
图5是本发明中电磁带隙结构带隙计算区域示意图；
图6是本发明中电磁带隙结构的带隙图；
图7是本发明慢波结构在直径/周期比为0.3时的基模模场图；
图8是本发明慢波结构在直径/周期比为0.3时的高阶模模场图；
图9是本发明在直径/周期比为0.3时的色散曲线和耦合阻抗特性图；
图10是本发明在直径/周期比为0.6时的色散曲线和耦合阻抗特性图；
图11是本发明在直径/周期比为0.3时最低四阶模场的色散曲线图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的两维电磁带隙平面交叉波导周期型慢波结构包括金属电磁带隙波导结构，电磁带隙波导结构上设有输入端口1和输出端口2，电磁带隙波导结构包括腔体5，在腔体5内设有金属隔板6、电子注通道4及金属柱31，电磁带隙波导结构的波导形状为S型。腔体5上设有电子注通道4的电子注入口41和电子注出口42，在金属隔板6上设有窗口61和电磁波通道62。
工作时，电磁波从输入端口1进入到平面一，沿EBG波导电磁波通道62进行传输，再沿平面一与平面二之间的窗口61进入到平面二，窗口61兼做电磁波通道和电子注通道的窗口。以此类推，电磁波最终在输出端口2输出。这样，电磁波在电子注通道4的传播方向上形成慢波，电磁波与电子注在电子注通道4中进行有效的能量交换，从而实现波注互作用。
图3是本发明采用的波导型电磁带隙结构二维结构示意图，定义金属晶格周期为Λ，金属柱直径为d。可以清楚地看出，本发明采用的金属电磁带隙波导的形状为S型。
图4示出本发明S型EBG波导的线路形成示意图。本实施方式中，每一圈金属柱按正六边形分布排列。设定开始点在第二圈(中间一圈)金属柱的一个顶角(金属柱A)，去除一条边上的金属柱(三个金属柱A、B、C，包括正六边形的两个顶点)，再去除接着一条边上的一个金属柱D。接着去除第一圈(内圈)金属柱中与金属柱D最接近的一个金属柱E，且金属柱D与金属柱E的连线和金属柱C与金属柱D之间的连线构成120度的夹角。去除最中心的金属柱F(形成的空心通道即电子注通道)，沿金属柱E与金属柱F连线，去除金属柱G，再去除位于第二圈金属柱中的金属柱H(金属柱G与金属柱H的连线和金属柱F与金属柱G之间的连线构成120度的夹角)，再去除同样位于第二圈的金属柱I(金属柱H与金属柱I的连线和金属柱G与金属柱H之间的连线构成120度的夹角)，以金属柱I为顶点，去除位于第二圈金属柱中的一条边(三个金属柱I、J、K)，这样去除金属柱A～K后的空间形成了S型通道，就构成了S形EBG波导。
图5给出了d＝0.6Λ时的带隙计算区域示意图，其格矢为ΓM、ΓK，夹角成60度，黑点代表金属圆柱，完整EBG结构沿ΓM方向有5排金属柱，但构成波导时中间一排的金属柱沿ΓK方向已去除，因此图中共标识出4排金属柱。
图6给出了本发明采用的电磁带隙结构的带隙图。
由图7、图8可见，本发明的模场保持了很好的单模特性。
图9、图10给出了直径/周期比分别为0.3、0.6时，该结构的基模色散特性以及耦合阻抗特性。可以看出，其带宽较窄，但耦合阻抗很高。在图10所示直径/周期比为0.6的情况下，耦合阻抗最低值可以达到544Ω，与传统耦合结构相比，耦合阻抗有了很大的提高。与此同时，该结构的不同模式，在横截面上，与波导传播方向垂直的方向上始终保持单模特性。因此，该结构的所有模式都可以用于波注耦合作用，这可以增加其应用的频率范围。图11给出了直径/周期比为0.3时本发明慢波结构最低四个模式(Mode1～Mode4)的色散曲线。