兩維電磁帶隙平面交叉波導周期型慢波結構的製作方法

2023-06-27 17:51:46

專利名稱：兩維電磁帶隙平面交叉波導周期型慢波結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種兩維電磁帶隙平面交叉波導周期型慢波結構，屬於物理電子 學技術領域。
背景技術：
電磁帶隙結構(在光頻領域稱為光子帶隙(Photonic Band Gap)，在微波領 域一般稱為電磁帶隙(Electromagnetic Band G即，EBG))是一種人造周期結 構，能夠在電磁波波長量級上製作器件並限制其中電磁波運行方向。利用金屬 電磁帶隙結構實現諧振腔等功能器件具有非常優良的優點，可以使器件在較大 尺寸上工作在S波段。但現有技術一般採用EBG缺陷腔體構造慢波結構，且要 求金屬格點的直徑/周期比在0.4以下才能保證器件的單模工作狀態，而較小的 直徑/周期比將會帶來生產工藝上的困難，其Q值也沒有大直徑/周期比時高。發明內容有鑑於此，本發明的目的是提供一種兩維電磁帶隙平面交叉波導周期型慢波 結構，採用EBG波導構成慢波結構，能在較大直徑/周期比下實現單模工作，有 效的提高了器件的Q值，並能提高器件的耦合阻抗。本發明採用如下技術方案一種兩維電磁帶隙平面交叉波導周期型慢波結構，包括金屬電磁帶隙波導結 構，所述電磁帶隙波導結構上設有輸入埠和輸出埠，所述電磁帶隙波導結 構包括腔體，在腔體內設有金屬隔板、電子注通道及金屬柱，其特徵在於所述 電磁帶隙波導結構的波導形狀為S型。本發明採用的EBG波導結構，沿其倒格矢方向去除金屬柱子，構成線缺陷， 在線缺陷的開始和結束處，與金屬板上的通孔相連，在電子注傳播方向上構成 改進耦合腔式電磁波通道，而在電子注傳播方向的垂直方向上則構成S形電磁 帶隙波導。在慢波結構的橫向結構上採用EBG結構，利用EBG結構的限模與選 頻特性，對電磁波進行限模與選頻；在縱向結構上利用金屬隔板構造慢波。沿 波導進行傳輸的電磁波，其縱向傳播速度得到了有效的降低，從而使得電磁波 可以在器件中心與輸入粒子流進行高效的能量交換，有效的提高了器件的耦合 阻抗。本發明的慢波結構在縱向方向上波導結構呈周期性分布，而其電磁波通 道開口在縱向呈交叉分布，故稱為交叉波導周期型慢波結構。與現有技術相比，本發明具有如下優點本發明利用S形EBG波導結構，實現了器件在大直徑/周期比下的單模和高 稱合阻抗工作。口本發明利用電磁帶隙結構的周期結構特性，與現有的慢波技術結合，利用電 磁帶隙結構構造合適的慢波結構，優化原有慢波結構的耦合阻抗特性。本發明採用EBG波導結構結合盤荷波導構成慢波結構(盤荷波導是一種原有 的慢波結構，在兩個金屬板間是空氣，金屬板沿電子注傳播方向排列，與電子 注傳播方向垂直)，在相同波段下，結構尺寸比原有慢波結構增大，因此具有更 好的散熱特性；與相同尺寸的原有慢波結構相比，耦合阻抗明顯提高。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的闡述。 圖1是本發明慢波結構的結構剖視圖； 圖2是本發明慢波結構的頂視剖面圖；圖3是本發明採用的波導型電磁帶隙結構二維結構示意圖；圖4是本發明S型EBG波導的線路形成示意圖；圖5是本發明中電磁帶隙結構帶隙計算區域示意圖；圖6是本發明中電磁帶隙結構的帶隙圖；圖7是本發明慢波結構在直徑/周期比為0. 3時的基模模場圖； 圖8是本發明慢波結構在直徑/周期比為0. 3時的高階模模場圖； 圖9是本發明在直徑/周期比為0, 3時的色散曲線和耦合阻抗特性圖； 圖10是本發明在直徑/周期比為0. 6時的色散曲線和耦合阻抗特性圖； 圖11是本發明在直徑/周期比為0. 3時最低四階模場的色散曲線圖。
具體實施方式
如圖l、圖2所示，本發明的兩維電磁帶隙平面交叉波導周期型慢波結構包 括金屬電磁帶隙波導結構，電磁帶隙波導結構上設有輸入埠 1和輸出埠 2， 電磁帶隙波導結構包括腔體5，在腔體5內設有金屬隔板6、電子注通道4及金 屬柱31，電磁帶隙波導結構的波導形狀為S型。腔體5上設有電子注通道4的 電子注入口 41和電子注出口 42，在金屬隔板6上設有窗口 61和電磁波通道62。工作時，電磁波從輸入埠 1進入到平面一，沿EBG波導電磁波通道62進 行傳輸，再沿平面一與平面二之間的窗口 61進入到平面二，窗口 61兼做電磁 波通道和電子注通道的窗口。以此類推，電磁波最終在輸出埠2輸出。這樣， 電磁波在電子注通道4的傳播方向上形成慢波，電磁波與電子注在電子注通道4 中進行有效的能量交換，從而實現波注互作用。圖3是本發明採用的波導型電磁帶隙結構二維結構示意圖，定義金屬晶格周 期為A，金屬柱直徑為d。可以清楚地看出，本發明採用的金屬電磁帶隙波導的 形狀為S型。圖4示出本發明S型EBG波導的線路形成示意圖。本實施方式中，每一圈金 屬柱按正六邊形分布排列。設定開始點在第二圈(中間一圈)金屬柱的一個頂 角(金屬柱A)，去除一條邊上的金屬柱(三個金屬柱A、 B、 C,包括正六邊形 的兩個頂點)，再去除接著一條邊上的一個金屬柱D。接著去除第一圈(內圈) 金屬柱中與金屬柱D最接近的一個金屬柱E，且金屬柱D與金屬柱E的連線和金 屬柱C與金屬柱D之間的連線構成120度的夾角。去除最中心的金屬柱F (形成 的空心通道即電子注通道)，沿金屬柱E與金屬柱F連線，去除金屬柱G，再去 除位於第二圈金屬柱中的金屬柱H(金屬柱G與金屬柱H的連線和金屬柱F與金 屬柱G之間的連線構成120度的夾角)，再去除同樣位於第二圈的金屬柱I (金 屬柱H與金屬柱I的連線和金屬柱G與金屬柱H之間的連線構成120度的夾角)， 以金屬柱I為頂點，去除位於第二圈金屬柱中的一條邊(三個金屬柱I、 J、 K)， 這樣去除金屬柱A K後的空間形成了 S型通道，就構成了 S形EBG波導。圖5給出了di.6A時的帶隙計算區域示意圖，其格矢為rM、 rK，夾角成60 度，黑點代表金屬圓柱，完整EBG結構沿rM方向有5排金屬柱，但構成波導時 中間一排的金屬柱沿rK方向已去除，因此圖中共標識出4排金屬柱。 圖6給出了本發明採用的電磁帶隙結構的帶隙圖。 由圖7、圖8可見，本發明的模場保持了很好的單模特性。 圖9、圖10給出了直徑/周期比分別為0. 3、 0. 6時，該結構的基模色散特性 以及耦合阻抗特性。可以看出，其帶寬較窄，但耦合阻抗很高。在圖10所示直 徑/周期比為0.6的情況下，耦合阻抗最低值可以達到544Q，與傳統耦合結構 相比，耦合阻抗有了很大的提高。與此同時，該結構的不同模式，在橫截面上， 與波導傳播方向垂直的方向上始終保持單模特性。因此，該結構的所有模式都 可以用于波注耦合作用，這可以增加其應用的頻率範圍。圖11給出了直徑/周 期比為0.3時本發明慢波結構最低四個模式(Model Mode4)的色散曲線。
權利要求
1.一種兩維電磁帶隙平面交叉波導周期型慢波結構，包括金屬電磁帶隙波導結構，所述電磁帶隙波導結構上設有輸入埠(1)和輸出埠(2)，所述電磁帶隙波導結構包括腔體(5)，在腔體(5)內設有金屬隔板(6)、電子注通道(4)及金屬柱(31)，其特徵在於所述電磁帶隙波導結構的波導形狀為S型。
2. 如權利要求1所迷的兩維電磁帶隙平面交叉波導周期型慢波結構，其特 徵在於所迷腔體(5)上設有電子注通道(4)的電子注入口 (41)和電子注出 口 (42)，在金屬隔板(6)上設有窗口 (61)和電磁波通道(62)。
全文摘要
本發明公開一種兩維電磁帶隙平面交叉波導周期型慢波結構，包括金屬電磁帶隙波導結構，所述電磁帶隙波導結構上設有輸入埠和輸出埠，所述電磁帶隙波導結構包括腔體，在腔體內設有金屬隔板、電子注通道及金屬柱，其特徵在於所述電磁帶隙波導結構的波導形狀為S型。本發明利用EBG波導結構，實現了器件在大直徑/周期比下的單模和高耦合阻抗工作。本發明採用EBG波導結構結合盤荷波導構成慢波結構，在相同波段下，結構尺寸比原有慢波結構增大，具有更好的散熱特性；與相同尺寸的原有慢波結構相比，耦合阻抗明顯提高。
文檔編號H01P3/00GK101242019SQ200810019658
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月11日 優先權日2008年3月11日
發明者孫小菡, 柏寧豐 申請人:東南大學