专利名称：基于复合缺陷电磁带隙波导的慢波结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电磁带隙结构的慢波结构，尤其涉及基于复合缺陷电磁 带隙波导的慢波结构，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，但是原有基于电磁带隙结构构成的慢波结构或谐振腔要 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，而直径/ 周期比较小将会带来工艺上的闲难，同时其Q值也没有大直径/周期比时高。发明内容有鉴于此，本发明的目的在丁提供一种基于复合缺陷电磁带隙波导的慢波结 构，能在较大的金属格点直径/周期比下实现单模工作，从而有效提高器件的Q值。本发明采用如下技术方案一种基于复合缺陷电磁带隙波导的慢波结构，包括电磁带隙结构，所述电磁 带隙结构上设有输入端口和输出端口，所述电磁带隙结构包括腔体，在腔体内 设有金属隔板、电子注通道及金属柱，其特征在于金属柱围绕电子注通道呈晶 格分布排列，内圈金属柱的直径比外圈金属柱的直径大。传统的完整的EBG结构，中心有一个金属柱。本发明采用的EBG结构，去除 了中心的金属柱构成第一缺陷，去除中心的金属柱后形成的空心通道即电子注 通道。金属柱围绕电子注通道呈晶格状分布，内圈金属柱直径比外圈金属柱直 径大，构成第二缺陷，因此称之为复合缺陷。本发明的慢波结构通过改变EBG缺陷结构的金属柱直径，即改变了金属格点 的直径/周期比，可以有效地实现器件在大直径/周期比下的单模工作状态和高Q 值工作状态。本发明的慢波结构在横向结构上选用两维EBG结构，利用EBG的限模与选频 特性，对电磁波进行限模与选频，其基模为TM01模；在纵向结构上利用金属隔 板构造慢波，从而使得电磁波可以高效地与输入粒子流进行能量交换。与现有技术相比，本发明具有如下优点本发明采用复合缺陷型电磁带隙结构，实现了器件在大直径/周期比下的单 模工作状态和高Q值工作状态，同时克服了小直径/周期比给制造工艺带来的困 难。本发明采用复合缺陷型电磁带隙结构，与原有慢波结构相比，在相同波段下， 结构尺寸比原有电磁带隙结构慢波结构进一步增大，因此具有更好的散热特性; 工作带宽比原有相同尺寸电磁带隙结构的慢波结构的工作带宽明显增大。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，优化了 原有慢波结构的色散特性，通过选择合适的色散特性，可以制造出符合不同需 求的慢波结构。
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左视图；图3是本发明慢波结构采用的复合缺陷型电磁带隙结构二维结构示意图；图4是图1所示电磁带隙结构在b=d=0. 3 A时的带隙图； 图5是图1所示电磁带隙结构在d=0. 3 A ， b=0. 6 A时的带隙图； 图6是固定外圈直径/周期比，改变内圈直径/周期比扫描得到的最低两阶频 率变化图；图7是固定内圈直径/周期比，改变外圈直径/周期比扫描得到的最低两阶频 率变化图；图8是图1所示结构在b/A=0. 9， d/A=0. 6以及d/A二0. 7时的最低两阶模场 分布图；图9是原有b=d的电磁带隙结构的Q值随b/A的变化图； 图10是本发明慢波结构采用的复合缺陷型电磁带隙结构的Q值随b/A的变 化图；图11是本发明慢波结构与基于均匀型EBG结构的慢波结构的耦合阻抗特性 比较图。
具体实施方式
参照图1及图2， 一种基于复合缺陷电磁带隙波导的慢波结构，包括电磁带 隙结构，电磁带隙结构上设有输入端口 l和输出端口 2，电磁带隙结构包括腔体 5，在腔体5内设有金属隔板6、电子注通道4及金属柱31。金属柱围绕电子注 通道4呈正六边形分布(本具体实施方式
的电磁带隙结构的晶格分布呈正六边 形，电磁带隙结构的晶格分布也可以是别的形状，如正方形、正八边形等，金属柱围绕电子注通道4按晶格分布排列即可)，内圈(围绕电子注通道4分布的 第一圈)金属柱的直径比外圈金属柱的直径大。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上设有兼做电磁波通道和电子注 通道的窗口 61。工作时，电磁波从输入端口 l进入到平面一，沿电磁带隙缺陷传播，再沿平 面一与平面二之间的窗口 61进入到平面二，以此类推，最终在输出端口 2输出。 这样，电磁波在电子注传播方向4上形成慢波，并且电磁波此时能与电子注进 行有效的能量交换，从而实现波注互作用。如图3所示，为本发明慢波结构采用的复合缺陷型电磁带隙结构二维结构示 意图。图中，传统电磁带隙结构中心的金属柱已经去除构成第一缺陷。定义金 属格点晶格直径为A，内圈金属柱直径为b，外圈金属柱直径为d， b〉d构成第二缺陷。图4给出了当bdi.3A时，只有第一缺陷时该电磁带隙结构的带隙图。图 5给出了(^0.3A，b^.6A时，具有复合缺陷时该电磁带隙结构的带隙图。比较 图示可以看出，通过采用复合缺陷结构，该电磁带隙结构的最低阶频率已经有 了明显升高，但高阶频率变化不大。改变内圈金属柱直径(直径/周期)比，经扫描分析得到图6所示的频率变 化图。当外圈直径/周期比d/A为0.3时，在b/AX).75后，图3所示电磁带隙 结构对应的最低两个本征频率十分接近，这就说明此时在该电磁带隙结构中不 存在基模，其模式是不在缺陷区域的模式。当外圈直径/周期比d/A为0.8时， 其最低两个模式的频率不会接近，也就是说无论b/A如何变化，始终存在两个 模式。因此要实现单模工作状态，必须要找到合适的外圈直径/周期比d/A。固定内圈直径/周期比b/A，改变外圈直径/周期比d/A，可以得到图7所示 频率变化图。当d/A较小时，最低两阶频率基本重合，说明此时没有形成缺陷 模；当d/A增大时，两个模式渐渐分开，但最低阶模式基本保持不变，而次高 阶模式在d/A增大到一定程度后，也会保持不变，此时已形成稳定的模式分布。 因此，b/A越大，允许单模工作时的d/A也越大。图8给出了图3所示结构在b/A=0. 9， d/A=0. 6以及d/A=0. 7时的最低两阶 模场分布图。可以看出，当b/A^.9时，d/A〈i.6可以保证该结构的单模工作 特性。固定d/A值改变b/A，可以得到不同b/A比值下图3所示正六角晶格EBG 结构Q值的变化。图9给出了b二d的传统结构中，当d改变时，Q值随b/A变 化的情况。图10给出了 d/A=0. 3以及d/A=0. 6时，图3所示正六角晶格EBG 结构Q值随b/A改变的情况。可以看出，当(]/八=0.3时，b/A小于0.7时Q值 随b/A增大而增大；但是当b/A大于0.7后，Q值发生了突降，说明此时模式已经不再限制在缺陷区域；当d/A^.6时，b/A小于0.4时，Q值也随b/A增 大而增大，但b/A大于0. 4后，Q值则基本保持不变，这说明其基模模场已经 稳定，不再随b/A改变而变化。这些结论与上面频率分析以及模场分析的结论是一致的。由图11可知，本发明慢波结构的耦合阻抗特性明显优于基于均匀型EBG结 构的慢波结构。
权利要求
1.一种基于复合缺陷电磁带隙波导的慢波结构，包括电磁带隙结构，所述电磁带隙结构上设有输入端口(1)和输出端口(2)，所述电磁带隙结构包括腔体(5)，在腔体(5)内设有金属隔板(6)、电子注通道(4)及金属柱(31)，其特征在于金属柱围绕电子注通道(4)呈晶格分布排列，内圈金属柱的直径比外圈金属柱的直径大。
2. 如权利要求1所述的基于复合缺陷电磁带隙波导的慢波结构，其特征在 于所述腔体(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)上设有兼做电磁波通道和电子注通道的窗口 (61)。
全文摘要
本发明公开一种基于复合缺陷电磁带隙波导的慢波结构，包括电磁带隙结构，所述电磁带隙结构上设有输入端口和输出端口，所述电磁带隙结构包括腔体，在腔体内设有金属隔板、电子注通道及金属柱，其特征在于金属柱围绕电子注通道呈晶格分布排列，内圈金属柱的直径比外圈金属柱的直径大。本发明采用复合缺陷型电磁带隙结构，实现了器件在大直径/周期比下的单模工作状态和高Q值工作状态，同时克服了小直径/周期比给制造工艺带来的困难，具有更好的散热特性；工作带宽比原有相同尺寸电磁带隙结构的慢波结构的工作带宽明显增大，优化了原有慢波结构的色散特性。
文档编号H01P3/12GK101232116SQ20081002077
公开日2008年7月30日 申请日期2008年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者孙小菡, 柏宁丰 申请人:东南大学