一种应用于回旋器件的平面型共焦高频电路

1.本发明属于真空电子

技术领域

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：，具体为一种超材料介质加载的平面型高频电路系统，适用于毫米波及太赫兹波段回旋器件。

背景技术

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：：2.回旋行波管放大器兼具高宽带和高功率的优点，可产生100kw级宽带放大源，在高速通信和先进雷达等领域有广泛的应用前景。在往更高频率发展的过程中，受尺寸共度效应限制，高频电路尺寸急剧减小，选用高阶模作为工作模式是一种有效放大电路尺寸的手段，但同时会加剧模式竞争问题，传统回旋行波放大器的高频电路类型难以缓解模式竞争，让放大器高性能工作，亟需探索新型的注波高频电路。共焦波导是一种横向开敞的准光波导系统，由于横向衍射损耗的存在，共焦波导不需要加载损耗材料也具有损耗特性，并且这种损耗对不同模式是不同的。故而这种模式选择特性可以缓解在高阶模状态时的模式密度。3.共焦高频电路的应用引起了广泛研究，但这种曲线波导结构在高频段由于尺寸小、加工精度高难以实现。近年来，国际上已经有将超材料技术应用于kw级的线性注电真空器件(如行波管、速调管、返波振荡器件)，成功实现了带宽扩展、注-波互作用效率更高、更利于小型化等某一方面的器件性能提升，但国际上还没有将超材料应用于100kw级宽带回旋器件中的先例。超材料对波的相位调控，能在平面上实现波的调控，基于超材料设计的器件更利于小型化和平面化，同时大多数可以采用平面电路工艺制造，具有加工精度提升、装配难度降低等优势。例如文献《jichaofuetal,“metasurfaceforconstructingastablehigh-qplano-planaropencavity,”advancedopticalmaterials,2019,7(5):1801339-n/a》中，研究人员利用超表面材料实现了凹面谐振腔的平面化，他们提出的超构腔具有平面谐振腔的结构，同时具有凹面谐振腔的高q值特性，这启发了我们提出将超材料应用于回旋器件的发明思路，即通过引入合理的超材料结构，来模拟和构建共焦波导等相位面，“以平代曲”，用平板波导结构加载超材料的方案来代替共焦波导曲面，实现准高斯波束激励和传输。技术实现要素：4.本发明基于反射型超材料相位调制原理，提出了一种应用于回旋器件的平面型共焦高频电路。该高频电路由平板波导合理加载介质晶柱构成反射超材料，利用反射超材料形成不同反射相位构建等相位面，传输聚焦高斯波束(例如共焦波导模式)，实现凹面镜波束聚焦功能，代替传统共焦波导高频电路的功能。由于所构建的等相位面是基于工作模式设计，低阶类高斯模式不满足相位匹配条件，可从原理上滤除。5.本发明采取以下技术方案：6.一种用于回旋器件的平面型共焦高频电路，该结构既是上下对称结构，也是左右对称结构；包括一对平行设置的平面金属板、以及平面金属板相对面上设置的若干介质晶柱；所述介质晶柱为矩形柱状，中轴线与波的传输方向平行，且长度与平面金属板的长度相同；所述介质晶柱用于模拟凹面镜波束聚焦功能，构建共焦波导等相位面，实现共焦波导的相位补偿。7.进一步地，所有介质晶柱的中心距δx相同、高度h相同，宽度a根据相位补偿取值。8.进一步地，相邻介质晶柱的中心距δx为0.17λ-0.27λ，λ为真空波长。9.进一步地，所述介质晶柱的高度h为0.1λ-0.17λ。10.进一步地，所述介质晶柱的材料为高介电常数陶瓷材料，例如蓝宝石、batiq4等。11.本发明结构通过改变介质晶柱的尺寸来实现不同位置处的相位补偿。为了构造合适的晶柱尺寸和排列分布，首先要得到介质晶柱在不同宽度a下，构成的超表面单元的反射系数的频率响应，尺寸合理选择时超表面几乎能实现全反射；同时，介质晶柱的不同宽度将对应着不同的反射相位，能覆盖0-2π的相位范围。其次，在确定共焦波导的尺寸之后，就可以确定波的反射相位差，也就是共焦波导相位与横向距离的关系。最后，根据加工制造对单元间的缝宽要求和加工精度，确定δx后，利用反射相位差的映射关系，确定超材料单元的尺寸和排布，值得注意的是，波导在纵向是连续均匀才能传播行波，所以设计中使用横向具有超表面结构、纵向连续均匀的介质晶柱。12.本发明具有以下优点：13.(1)高阶模式工作下超高密度模式谱稀疏化及低阶类高斯模式滤除：传统大功率回旋器件工作于高阶模式时，低阶寄生模式众多，且模式密度随工作频率提高急剧增加，在太赫兹频段难以实现稳定放大。本发明通过在平行板波导中加载介质晶柱来代替共焦波导结构，由于辐射损耗机制可大大降低模式谱密度，同时该结构是基于固定工作频率下工作模式he0n匹配条件设计，低阶类高斯模式无法匹配所构造的等相位面，可以从本质上进行滤除。14.(2)平面型的高频结构：传统共焦波导高频结构由于波束聚焦采用曲面结构，导致实际加工困难。本发明在平行板波导中加载介质晶柱，应用了超表面材料的相位调控原理，使本发明实现曲面共焦波导的相位补偿，实现与传统共焦波导相同的波束聚焦功能。这种“以平代曲”的方案有望推动大功率源向平面化、集成化发展。附图说明15.图1为实施例的平面型共焦波导高频电路示意图。16.图2为反射超材料的结构及曲面镜原理示意图。17.图3为不同介质晶格宽度下超材料的反射幅值和相位幅值。18.图4为共焦波导的反射相位差及对应间距晶格横向尺寸示意。19.图5为不同频率下平面型共焦高频电路的端口模式。20.附图标号说明：1为金属铜板，2为介质晶柱，3为介质晶格，4为超材料单元。具体实施方式21.以下结合100ghz中心频率的平面型共焦高频电路实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：22.图2(a)为一种超材料结构示意图，其中超材料单元周期δx＝0.6mm，晶格高度h＝0.5mm，超材料单元沿x方向和y方向呈无限周期分布。采用的介质材料为batiq4，其相对介电常数εr＝35，平面波在正上方垂直入射，通过改变晶格尺寸a的大小来实现超表面反射相位的调制。如附图3所示为不同晶格尺寸下超材料反射系数和反射相位，由图可见尺寸合理选择时100ghz超表面几乎能实现全反射，同时反射波相位随超材料单元尺寸的变化关系图，当单元尺寸由小逐渐增大到0.15mm时反射系数幅值保持在0.99以上，通过改变单元尺寸a可实现反射波相位在0-2π范围内连续调节。23.在超材料单元方案确定后，需要基于共焦波导等相位分布情况，确定给定模式和工作带宽要求内不同位置处超材料单元的尺寸，以此来构建满足要求的等相位面，最终实现共焦波导“平面化”。24.如附图2(b)所示，对于抛物面的曲面型镜面，如果入射波为从o点出发的柱面波，经过反射，波重聚焦于o点，则曲面上各点对波相位的调制为：[0025][0026]式中f为曲面镜曲率半径，x为镜面某点与垂直入射点的横向距离，λg为波导波长。[0027]在各需要相位补偿的位置处选择相应的超材料单元尺寸，可以实现相位补偿代替凹面镜。[0028]以7mm共焦波导传输he04模式为例：首先根据传统共焦波导的尺寸及传输模式确定共焦波导相位与横向距离x的关系和平面型共焦波导的镜面距离；然后基于超材料的相位调控原理，调节各介质晶柱的间距及各介质晶柱的宽度ai(i＝1,2,3…10)；最后建立完整模型并仿真优化，实现如附图4所示的相位补偿。需要指出的是附图4中仅显示了x正半轴的介质柱，实际中介质柱从波导中心向两边延伸呈对称分布,完整结构如附图1所示。其中，平面型共焦波导的宽度wid＝11.5mm，波导长度为len＝10mm，上下镜面高度lt＝7mm，介质晶柱的间距为δx＝0.6mm，高度h＝0.5mm，介质晶柱ai(i＝1,2,3…10)分别取0.4098，0.4092，0.4074，0.4043，0.4001，0.3880，0.3731，0.3520，0.3330，0.3158mm。[0029]附图5分别为波导中各中心频率下的端口模式和传播常数，可见该平面型共焦波导能取代共焦波导的金属凹面镜，传输he04高斯模式，因此采用超材料来实现平面型共焦波导的方案是可行的。同时经仿真验证，本发明在进行注波互作用时能更好的避免回旋行波管近截止振荡问题。[0030]以上实例仅为方便说明本发明结构，本发明提出的平面型共焦波导高频电路可应用于不同频率、工作于任意高斯模式的共焦波导回旋放大器。当前第1页12当前第1页12

技术特征：

1.一种应用于回旋器件的平面型共焦高频电路，其特征在于，该结构既是上下对称结构，也是左右对称结构；包括一对平行设置的平面金属板、以及平面金属板相对面上设置的若干介质晶柱；所述介质晶柱为矩形柱状，中轴线与波的传输方向平行，且长度与平面金属板的长度相同；所述介质晶柱用于模拟凹面镜波束聚焦功能，构建共焦波导等相位面，实现共焦波导的相位补偿。2.如权利要求1所述的一种应用于回旋器件的平面型共焦高频电路，其特征在于，所有介质晶柱的中心距δx相同、高度h相同，宽度a根据相位补偿取值。3.如权利要求2所述的一种应用于回旋器件的平面型共焦高频电路，其特征在于，相邻介质晶柱的中心距δx为0.17λ-0.27λ，λ为真空波长。4.如权利要求3所述的一种应用于回旋器件的平面型共焦高频电路，其特征在于，所述介质晶柱的高度h为0.1λ-0.17λ。5.如权利要求2所述的一种应用于回旋器件的平面型共焦高频电路，其特征在于，所述介质晶柱的材料为高介电常数陶瓷材料。6.如权利要求5所述的一种应用于回旋器件的平面型共焦高频电路，其特征在于，所述介质晶柱的材料为蓝宝石或batiq4。

技术总结

本发明公开了一种应用于回旋器件的平面型共焦高频电路，属于真空电子技术领域。该结构上下对称且左右对称；包括一对平行设置的平面金属板、以及平面金属板相对面上设置的若干介质晶柱；介质晶柱为矩形柱状，中轴线与波的传输方向平行，且长度与平面金属板的长度相同；介质晶柱用于模拟凹面镜波束聚焦功能，构建共焦波导等相位面，实现共焦波导的相位补偿。本发明利用反射超材料形成不同反射相位构建等相位面，传输聚焦高斯波束，实现凹面镜波束聚焦功能，代替传统共焦波导高频电路的功能；由于所构建的等相位面是基于工作模式设计，还能够有效滤除低阶类高斯模式。还能够有效滤除低阶类高斯模式。还能够有效滤除低阶类高斯模式。