專利名稱：一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)、電磁帶隙高阻抗基板及平面行波管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)，屬于物理電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
慢波結(jié)構(gòu)主要用在行波放大器、粒子加速器以及在電磁波與較低速度的波(如聲波、靜磁波等)相互作用的器件中，其作用在于使得互作用在較長距離與較長時(shí)間內(nèi)持續(xù)進(jìn)行。在該系統(tǒng)中，電磁波相速低于空間光速，使運(yùn)動(dòng)荷電子?；虻退俨ǖ哪芰坑行У剞D(zhuǎn)換成電磁波的能量。
小型化、平面型行波管是減小行波管的制造成本、縮減體積和突破頻率上限的主要途徑。從構(gòu)成行波管關(guān)鍵元部件與材料結(jié)構(gòu)上開拓創(chuàng)新，可為快速研制小型化、平面型行波管探究一條可行之路。
平面行波管器件是將慢波結(jié)構(gòu)加載在介質(zhì)基板上進(jìn)行波注互作用。但是介質(zhì)基板的使用降低了慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗與工作帶寬，并加大了損耗，從而使得平面結(jié)構(gòu)的放大效果較差。電磁帶隙結(jié)構(gòu)可用于平面慢波結(jié)構(gòu)基底，從而提高其耦合阻抗，減少損耗，增加其耦合效率，提高輸出功率。電磁帶隙結(jié)構(gòu)(在光頻領(lǐng)域稱為光子帶隙(Photonic Band Gap)，在微波領(lǐng)域一般稱為電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap, EBG))是一種人造周期結(jié)構(gòu)，能夠在電磁波波長量級上制作器件并限制其中電磁波運(yùn)行方向。但現(xiàn)有的EBG結(jié)構(gòu)， 例如圖1所示的EBG結(jié)構(gòu)(圖2為該結(jié)構(gòu)的帶隙圖)，必須在兩個(gè)維度方向都進(jìn)行周期排列， 才能達(dá)到形成帶隙的效果，這將會(huì)加大基板橫向尺寸，增加基板面積，不利于制造小型化設(shè)備。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)， 以及使用該電磁帶隙結(jié)構(gòu)的電磁帶隙高阻抗基板，用于加載平面慢波結(jié)構(gòu)，可提高其耦合阻抗，減少損耗，增加其耦合效率，提高輸出功率，并且可僅在一維方向擴(kuò)展，從而達(dá)到有效提高工作帶寬并不增加平面慢波結(jié)構(gòu)的橫向尺寸的作用制作工藝簡單。
本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)，包括兩組具有不同形狀的金屬封閉曲線，每組中的各金屬封閉曲線形狀相同、大小不同，兩組金屬封閉曲線由內(nèi)向外依次交疊包圍，同一組中相鄰的兩金屬封閉曲線間距離等于該組中最內(nèi)層金屬封閉曲線距其所包圍區(qū)域中心點(diǎn)的距離。
優(yōu)選地，所述兩組金屬封閉曲線的形狀分別為方形和圓形。采用最簡單的方形和圓形，可進(jìn)一步簡化制作工藝，降低成本。
進(jìn)一步地，所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)中的各金屬封閉曲線通過至少一條金屬帶依次連接。從而達(dá)到改變電感的目的。如此，可在相同尺寸下，靈活調(diào)整結(jié)構(gòu)的帶隙中心頻率與帶隙范圍。
一種電磁帶隙高阻抗基板，用于加載平面慢波結(jié)構(gòu)，所述電磁帶隙高阻抗基板的背面設(shè)置有至少一個(gè)上述電磁帶隙結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中，可根據(jù)基板大小對所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)行自由組合，例如，可以僅采用一個(gè)多重交疊的電磁帶隙結(jié)構(gòu)；也可采用多個(gè)相同或不同的電磁帶隙結(jié)構(gòu)在一維或者二維方向有序排列，各電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以連接也可不連接；當(dāng)然多個(gè)EBG結(jié)構(gòu)也可無序排列。
根據(jù)本發(fā)明思路，還可得到一種平面行波管，包括基板和加載在該基板正面的平面慢波結(jié)構(gòu)，所述基板為上述電磁帶隙高阻抗基板。
本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了提高帶寬的目的，對表面電磁波具有明顯的抑制作用，與現(xiàn)有平面慢波技術(shù)結(jié)合，可有效的優(yōu)化原有慢波結(jié)構(gòu)的色散特性及耦合阻抗特性。
本發(fā)明的電磁帶隙高阻抗基板可采用現(xiàn)有的電路刻蝕技術(shù)直接制作，工藝簡單， 成本低廉。
本發(fā)明的平面行波管與原有平面慢波系統(tǒng)相比，由于采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電磁帶隙高阻抗基板，在相同波段下，結(jié)構(gòu)尺寸并無增加，且工作帶寬明顯增大，耦合阻抗也明顯提高。


圖1是一種現(xiàn)有的電磁帶隙結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是現(xiàn)有電磁帶隙結(jié)構(gòu)的帶隙圖；圖3是本發(fā)明的一個(gè)電磁帶隙結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中21、22、23分別為金屬閉合曲線，31、 32、33、34分別為連接金屬閉合曲線21、22、23的金屬帶，11、12、13為空氣或者介質(zhì)； 圖4是本發(fā)明的一個(gè)電磁帶隙結(jié)構(gòu)的帶隙圖； 圖5是基板上表面加載的曲折線慢波結(jié)構(gòu)； 圖6是本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)在基板背面一維排列示意圖； 圖7是本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)在基板背面通過大小變化組合排列示意圖； 圖8本發(fā)明的平面行波管對耦合阻抗影響的計(jì)算圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)中兩組金屬封閉曲線的形狀并無特定要求，只要兩組之間形狀不同即可。下面以分別為方形和圓形的兩組金屬封閉曲線所構(gòu)成的電磁帶隙結(jié)構(gòu)為例來進(jìn)行說明，采用此種結(jié)構(gòu)，在制作時(shí)更為簡單。
如圖3所示，本實(shí)施例中的電磁帶隙結(jié)構(gòu)包括兩組不同形狀的金屬封閉曲線，其中一組為方形的21、23，21和23的形狀相同、尺寸不同；另一組為圓形的22 ；兩組金屬封閉曲線由內(nèi)向外依次交疊包圍；金屬封閉曲線21、22、23通過金屬帶31、32、33、34相互連接； 圖中空白部分11、12、13為空氣或者介質(zhì)。從中心點(diǎn)出發(fā)，到金屬封閉曲線21的距離為a， 到金屬封閉曲線23的距離為2a;金屬封閉曲線22距離中心點(diǎn)的距離介于a-加之間，其具體放置的位置，將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的帶隙頻率中心點(diǎn)與帶隙范圍。該電磁帶隙結(jié)構(gòu)還可以向內(nèi)或向外擴(kuò)展，連接各金屬封閉曲線的金屬帶也可僅使用31、32、33、34中的一條或者另外設(shè)置。
根據(jù)光子晶體的理論，一維光子晶體的介質(zhì)折射率在某一方向呈周期性高低分布時(shí)，在該方向上具有帶隙特性。在微波領(lǐng)域，金屬和空氣的交替排列可看作這樣一種這折射率周期性高低分布。高阻抗電磁表面EBG結(jié)構(gòu)的周期大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長，因此適合用集總電路元件(電容、電感)組成的等效LC并聯(lián)諧振電路來描述其電磁特性。對于本專利描述的貼片型結(jié)構(gòu)，電容C由兩導(dǎo)體邊緣的間隙形成；其電感L由連接導(dǎo)體之間的導(dǎo)線流過的多余磁通量決定。該結(jié)構(gòu)的帶寬由公式(1)給出BW = ^ ⑴具體到本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，通過在第一組金屬曲線內(nèi)插入第二組金屬曲線，改變了結(jié)構(gòu)的電容和電感特性，從而可以增大帶隙、更好的抑制表面波傳播。將這樣的結(jié)構(gòu)用在基板背面，可以增強(qiáng)正面慢波結(jié)構(gòu)的傳輸特性與耦合特性，更好的使其與電子注發(fā)生能量交換。
圖4顯示了上述電磁帶隙結(jié)構(gòu)的帶隙圖，圖中橫坐標(biāo)為從0到360度的相移，縱坐標(biāo)為頻率，5條曲線從低到高分別代表模式1到模式5的色散曲線，兩條虛線為以介質(zhì)材料 (介電常數(shù)10. 2)中光速為基礎(chǔ)的光線。模式1和模式2之間即為傳輸帶隙，此處為不完全傳輸帶隙，即某些范圍的相移內(nèi)該頻率范圍的波無法傳播。從圖中可見其帶隙中心頻率為 18. 75GHz，帶隙范圍為12. 5GHz-25GHz，具有60%的帶寬。而一般傳統(tǒng)EBG所能提供的帶寬僅為 30-40%。
利用帶有上述電磁帶隙結(jié)構(gòu)的基板可以得到本發(fā)明的平面行波管，圖5顯示了該平面行波管的正面，其表面加載有曲折線慢波結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也可加載各種現(xiàn)有的其他慢波結(jié)構(gòu)；圖6和圖7分別顯示了該平面行波管背面兩種不同的電磁帶隙結(jié)構(gòu)排列，正面和背面之間即為介質(zhì)材料。圖6顯示了多個(gè)相同的電磁帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行一維有序排列的情況，圖7顯示了多個(gè)大小不同的電磁帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行一維有序排列的情況。本發(fā)明也可在圖6或圖7的一維有序排列基礎(chǔ)上，在不同方向增加電磁帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序排列，從而構(gòu)成二維有序排列； 還可以直接采用無序排列。
為了驗(yàn)證本發(fā)明的效果，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)采用介電常數(shù)為10. 2的陶瓷介質(zhì)基板，表面覆銅。在背面制作如圖6所示的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，在正面制作如圖5所示的曲折線慢波結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成平面行波管。通過CST軟件仿真， 可計(jì)算出其耦合阻抗，與未在背面制作EBG的結(jié)構(gòu)相比，其耦合阻抗得到了明顯提升，如圖 8所示。其在中心頻率為6GHz，工作帶寬為5. 5GHz-6. 5GHz的范圍內(nèi)，耦合阻抗提升了 1倍多。這充分說明了本發(fā)明可以用來提升慢波結(jié)構(gòu)的耦合效率。
權(quán)利要求
1.一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于，該電磁帶隙結(jié)構(gòu)包括兩組具有不同形狀的金屬封閉曲線，每組中的各金屬封閉曲線形狀相同、大小不同，兩組金屬封閉曲線由內(nèi)向外依次交疊包圍，同一組中相鄰的兩金屬封閉曲線間距離等于該組中最內(nèi)層金屬封閉曲線距其所包圍區(qū)域中心點(diǎn)的距離。
2.如權(quán)利要求1所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述兩組金屬封閉曲線的形狀分別為方形和圓形。
3.如權(quán)利要求1所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)中的各金屬封閉曲線通過至少一條金屬帶依次連接。
4.一種電磁帶隙高阻抗基板，用于加載平面慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電磁帶隙高阻抗基板的背面設(shè)置有至少一個(gè)如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述電磁帶隙高阻抗基板，其特征在于，所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)為多個(gè)，且沿一維方向有序排列。
6.一種平面行波管，包括基板和加載在該基板正面的平面慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基板為權(quán)利要求4所述電磁帶隙高阻抗基板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)包括兩組具有不同形狀的金屬封閉曲線，每組中的各金屬封閉曲線形狀相同、大小不同，兩組金屬封閉曲線由內(nèi)向外依次交疊包圍，同一組中相鄰的兩金屬封閉曲線間距離等于該組中最內(nèi)層金屬封閉曲線距其所包圍區(qū)域中心點(diǎn)的距離。本發(fā)明還公開了一種電磁帶隙高阻抗基板及使用該基板的平面行波管。本發(fā)明的阻帶帶寬更大，阻帶衰減更強(qiáng)，傳輸曲線邊緣更陡直，可以更好的滿足慢波結(jié)構(gòu)對于微波頻段的表面波抑制的要求，有效增強(qiáng)其耦合阻抗，增大其工作帶寬；且制作工藝簡單，不會(huì)增加現(xiàn)有平面結(jié)構(gòu)的橫向尺寸，有利于磁場設(shè)計(jì)。
文檔編號H01J25/34GK102522299SQ20111044474
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者孫小菡, 柏寧豐 申請人:東南大學(xué)