專利名稱：一種共面電磁帶隙曲折線微波慢波結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種共面電磁帶隙曲折線微波慢波結(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。由于慢波結(jié)構(gòu)為周期性結(jié)構(gòu)，其電磁場也為周期電磁場，可分解為無數(shù)空間諧波。其中除了前向波(相速與群速相同)，還有返向空間諧波(群速愈相速相反)。返向空間諧波的存在，降低了慢波結(jié)構(gòu)放大微波信號的能力。為減小返向空間諧波對慢波結(jié)構(gòu)放大微波信號性能的影響，需在慢波電路的一定位置上設(shè)置集中衰減器。集中衰減器由損耗涂層或損耗陶瓷片構(gòu)成。在集中衰減器處，返向空間諧波被吸收，可達(dá)到消除反饋抑制振蕩的目的。合理設(shè)計的集中衰減器，對工作模式的吸收遠(yuǎn)小于返向空間諧波。但對工作模式的吸收，將會降低放大效果。因此，衰減器的使用雖然很好的抑制了返向諧波的產(chǎn)生，但對微波工作波段傳輸也有一定的損耗。同時，衰減器是在基板材料與慢波電路之間的特定位置處，利用鍍膜工藝建立涂層或者插入損耗陶瓷片，這就增加了工藝復(fù)雜性，不利于提高慢波結(jié)構(gòu)的可靠性。
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。電磁帶隙結(jié)構(gòu)具有明顯的通帶與禁帶，可以進(jìn)行有效的選頻設(shè)計。同時，利用微電子工藝，可以直接在基板材料上，通過刻蝕工藝形成電磁帶隙結(jié)構(gòu)。因此，將電磁帶隙結(jié)構(gòu)應(yīng)用在慢波電路結(jié)構(gòu)中，是實現(xiàn)小型化、平面化慢波電路的重要選項。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，提供一種共面電磁帶隙曲折線微波慢波結(jié)構(gòu)，不僅制作工藝簡單，還能有效的提高慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，抑制返波振蕩，增加耦合效率。
本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案
一種共面電磁帶隙 曲折線微波慢波結(jié)構(gòu)，包括介質(zhì)基板，在介質(zhì)基板上設(shè)有電磁帶隙結(jié)構(gòu)，所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)是由呈周期排列的金屬貼片構(gòu)成的兩維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，通過平面曲折線結(jié)構(gòu)連接電磁帶隙結(jié)構(gòu)的格點(diǎn)，且連接兩格點(diǎn)之間的平面曲折線應(yīng)具有對稱性。
本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明結(jié)構(gòu)通過曲折線連接電磁帶隙結(jié)構(gòu)，引入了電磁帶隙結(jié)構(gòu)的選頻特性，提升了慢波結(jié)構(gòu)的性能。曲折線連接電磁帶隙格點(diǎn)，改變了電磁帶隙結(jié)構(gòu)的電容和電感特性， 從而可以增大帶隙。該結(jié)構(gòu)利用電磁帶隙在導(dǎo)帶內(nèi)導(dǎo)波，在禁帶內(nèi)禁波的特性，降低了基模的傳輸損耗，提高了慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗；設(shè)計電磁帶隙結(jié)構(gòu)的禁帶包含返波振蕩頻率，可有效抑制返波振蕩，避免電磁波能量的分散，提高了基模的耦合效率。同時，該結(jié)構(gòu)可采用現(xiàn)有的微電路刻蝕技術(shù)直接在基板材料上制作相應(yīng)結(jié)構(gòu)，工藝簡單。由于采用該結(jié)構(gòu)，可有效抑制返波振蕩，因此避免了采用集中衰減器帶來的工藝復(fù)雜、降低基模耦合效率的缺點(diǎn)。





圖1是本發(fā)明共面電磁帶隙曲折線結(jié)構(gòu)單元示意圖；圖2是本發(fā)明單元結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖3是矩形金屬貼片斜45度晶格電磁帶隙結(jié)構(gòu)及矩形曲折線組成的兩單元示意
圖4是六角晶格電磁帶隙結(jié)構(gòu)的帶隙圖5是慢波結(jié)構(gòu)的色散比較圖，比較分析了電磁帶隙結(jié)構(gòu)、曲折線結(jié)構(gòu)、共面電磁帶隙曲折線結(jié)構(gòu)的色散；
圖6是慢波 結(jié)構(gòu)的耦合阻抗比較圖，比較分析了電磁帶隙結(jié)構(gòu)、曲折線結(jié)構(gòu)、共面電磁帶隙曲折線結(jié)構(gòu)的耦合阻抗；
圖7是輸入信號的頻譜圖8是信號經(jīng)過曲折線結(jié)構(gòu)后的頻譜圖9是信號經(jīng)過本發(fā)明結(jié)構(gòu)后的頻譜圖10是圓形金屬貼片正方形晶格電磁帶隙結(jié)構(gòu)及弧形曲折線組成的兩單元示意具體實施方式
一種共面電磁帶隙曲折線微波慢波結(jié)構(gòu)，包括介質(zhì)基板1，在介質(zhì)基板I上設(shè)有電磁帶隙結(jié)構(gòu)，所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)是由呈周期排列的金屬貼片31構(gòu)成的兩維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，通過平面曲折線結(jié)構(gòu)2連接金屬貼片。在本實施例中，所述平面曲折線結(jié)構(gòu)2是U形曲折線、S形曲折線；所述金屬貼片31為矩形金屬塊或圓形金屬塊；所述由金屬貼片31組成的電磁帶隙結(jié)構(gòu)是正方形晶格或六邊形晶格或斜45度晶格。
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)明的平面慢波結(jié)構(gòu)由曲折線和電磁帶隙結(jié)構(gòu)組成，曲折線可以是U形曲折線或S形曲折線；電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以是正方形晶格或六邊形晶格或斜45度晶格；電磁帶隙結(jié)構(gòu)的格點(diǎn)可以是矩形金屬塊或圓形金屬塊；電磁帶隙格點(diǎn)部分或全部由曲折線相連。下面以U形曲折線和斜45度晶格電磁帶隙結(jié)構(gòu)矩形金屬塊加以說明。
如圖1和圖2所示，本實施例中的共面電磁帶隙曲折線結(jié)構(gòu)的一個最基本單元包括介質(zhì)基板1、U形曲折線2、一個完整的電磁帶隙格點(diǎn)31及兩個半電磁帶隙格點(diǎn)32。為保證單元具有周期性，因此處于邊界處的電磁帶隙格點(diǎn)32為半個格點(diǎn)。一個完全的慢波結(jié)構(gòu)，由這樣的一個基本單元在一維方向上復(fù)制。
U形曲折線2、一個完整的電磁帶隙格點(diǎn)31及兩個半電磁帶隙格點(diǎn)32均貼附于介質(zhì)基板之上。圖2給出了圖1的側(cè)視圖。
圖3給出了由2個基本單元組成的慢波結(jié)構(gòu)示意圖。圖中虛線框表示一個基本單元，基本單元I和基本單元II組成了 2個周期的慢波結(jié)構(gòu)?；締卧狪和基本單元II連接處的兩個半格點(diǎn)32組成了一個完成格點(diǎn)31。
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O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I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I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 12. 5GHz，帶隙范圍為 10GHz-15GHz。
利用帶有上述共面電磁帶隙曲折線結(jié)構(gòu)構(gòu)成慢波電路，圖5給出了慢波結(jié)構(gòu)的色散比較圖，比較分析了電磁帶隙結(jié)構(gòu)、曲折線結(jié)構(gòu)、共面電磁帶隙曲折線結(jié)構(gòu)的色散特性。 可見單純的電磁帶隙結(jié)構(gòu)色散特性較差，相速較高，不利于與電子注的互作用。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，其色散特性與曲折線色散特性相近，變化較小。圖6給出了慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗比較圖，比較分析了電磁帶隙結(jié)構(gòu)、曲折線結(jié)構(gòu)、共面電磁帶隙曲折線結(jié)構(gòu)的耦合阻抗?？梢姴捎帽景l(fā)明結(jié)構(gòu)的耦合阻抗比傳統(tǒng)曲折線結(jié)構(gòu)有了顯著提高。
圖7給出了輸入4GHz小信號的頻譜；圖8和圖9分別顯示了輸入4GHz小信號后， 經(jīng)過60個周期的曲折線微波慢波結(jié)構(gòu)與本發(fā)明所示慢波結(jié)構(gòu)，與 電子注進(jìn)行互交換后信號得頻譜?？梢?，經(jīng)過傳統(tǒng)曲折線結(jié)構(gòu)信號存在明顯的返波振蕩(8GHz處出現(xiàn)了返波信號)， 而由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計得電磁帶隙禁帶包括返波頻率在內(nèi)，所以抑制了返波振蕩，其頻譜只有輸入信號頻譜，且功率有了明顯放大。
圖10給出了本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)示意圖，由2個基本單元組成。晶格為正方晶格， 曲折線為S形曲折線，格點(diǎn)為圓形金屬塊。
權(quán)利要求
1.一種共面電磁帶隙曲折線微波慢波結(jié)構(gòu)，包括介質(zhì)基板(I)，在介質(zhì)基板(I)上設(shè)有電磁帶隙結(jié)構(gòu)，所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)是由呈周期排列的金屬貼片(31)構(gòu)成的兩維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，通過平面曲折線結(jié)構(gòu)(2 )連接金屬貼片。
2.如權(quán)利要求1所述微波慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述平面曲折線結(jié)構(gòu)是U形曲折線或S形曲折線。
3.如權(quán)利要求1所述微波慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述由周期排列的金屬貼片(31)組成的電磁帶隙結(jié)構(gòu)是正方晶格或六邊形晶格或斜45度晶格。
4.如權(quán)利要求1所述微波慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述由金屬貼片(31)可以是矩形金屬貼片或圓形金屬貼片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種共面電磁帶隙曲折線微波慢波結(jié)構(gòu)，包括介質(zhì)基板，在介質(zhì)基板上設(shè)有電磁帶隙結(jié)構(gòu)，所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)是由呈周期排列的金屬貼片構(gòu)成的兩維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，通過平面曲折線結(jié)構(gòu)連接金屬貼片，且連接兩金屬貼片之間的平面曲折線應(yīng)具有對稱性。該結(jié)構(gòu)利用電磁帶隙在導(dǎo)帶內(nèi)導(dǎo)波，在禁帶內(nèi)禁波的特性，降低了基模的傳輸損耗，提高了慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗；可有效抑制返波振蕩，提高了基模的耦合效率。同時，該結(jié)構(gòu)可采用現(xiàn)有的微電路刻蝕技術(shù)直接在基板材料上制作相應(yīng)結(jié)構(gòu)，工藝簡單。由于采用該結(jié)構(gòu)，可有效抑制返波振蕩，因此避免了采用集中衰減器帶來的工藝復(fù)雜、降低基模耦合效率的缺點(diǎn)。
文檔編號H01J23/24GK103035460SQ20121059259
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者柏寧豐, 谷磊磊, 孫小菡, 袁慧宇 申請人:東南大學(xué)