一种基于耦合谐振的慢波结构

技术领域

本公开属于微波真空电子器件领域，具体涉及一种基于耦合谐振的慢波结构。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成现有技术。

作为一种前景广阔的微波源，电真空器件已被广泛应用于雷达、通信等军用及民用相关领域。当工作频率超过100GHz甚至达到太赫兹频段时，因互作用耦合阻抗降低和高频损耗的增加导致全金属慢波结构电子效率的降低。由于自然界中的大多数材料对太赫兹波的响应较差，使得太赫兹信号源成为当前太赫兹技术发展的壁垒。因此，利用新型太赫兹材料设计和研究各种功能器件成为当前科研界的一大热门研究领域。

近年来，科学界提出了一种工作于太赫兹频段狄拉克半金属材料，可实现在其导带和价带的离散狄拉克点接触并沿着三个方向线性色散形成3D狄拉克费米子结构，被称为“3D石墨烯”。作为一种非常稳定的复合物，狄拉克半金属具有极高的电子迁移率，不易受介电环境干扰、无表面过剩电子且具有制备容易及性能稳定等优点。同时，狄拉克半金属也可通过碱性表面掺杂实现其费米能级的动态调谐。通过调节狄拉克半金属材料参数可在其表面激发表面等离子体极化波(SPPs)，进而能够突破衍射极限实现亚波长尺度的光学器件。

作为行波管的核心部件之一，慢波结构通过降低在其内部传输的电磁波的相速度以达到与电子注的速度同步，从而实现二者的能量交换。由于散热性能和机械特性的优越性，全金属结构的耦合腔行波管可工作在更高的频率并能产生更高的平均功率。但是，由于谐振腔自身特点使耦合腔行波管慢波结构带宽相对比较窄，因此利用太赫兹频段的新型材料来设计太赫兹宽频带慢波结构是目前亟需解决的难题。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出了基于耦合谐振的慢波结构，具体为基于双层狄拉克半金属半圆环型耦合腔慢波结构。

本公开提供了一种基于耦合谐振的慢波结构，包括：

周期性结构的谐振腔结构单元；

所述谐振腔结构单元在同一周期内设有两个耦合腔，耦合腔之间具有耦合间隙，耦合腔内用于传输电磁波，耦合间隙用于通入电子注并与电磁波进行能量交换。

与现有技术对比，本公开具备以下有益效果：

1、本公开利用双层狄拉克半金属夹持SiO

2、本公开采用耦合模式分裂技术来拓宽谐振带宽，在耦合间隙处耦合腔之间耦合产生空间谐波并使得电场纵向幅值增大到10

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为基于双层狄拉克半金属半圆环型耦合谐振慢波结构原理图。

图2为费米能级E

图3为E

图4为E

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释

狄拉克半金属：自从石墨烯和拓扑绝缘体被发现后，狄拉克费米子系统引起了科学界广泛的研究兴趣。石墨烯因其二维单原子厚度的狄拉克费米子结构产生独特光学和电学特性而闻名于世。作为一种“3D石墨烯结构”，狄拉克半金属具有独特的晶体对称保护特性并可产生超高的载流子迁移率，同时还可通过化学掺杂等方式来调控其费米能级，使其在光电子学的许多领域具有重大的应用前景。

根据随机相位近似理论，利用Kubo方程得到狄拉克半金属材料表面电导率。以AlCuFe为例，狄拉克半金属的厚度设为0.2μm。通过调整其材料参数，可使狄拉克半金属在太赫兹频段电导率实部值为负，具有金属特性并满足在其表面激发并传输SPPs波。

实施例1

如图1所示，一种基于双层狄拉克半金属耦合谐振的慢波结构，包括：

周期性结构的谐振腔结构单元；

所述谐振腔结构单元在同周期内设有两个耦合腔，耦合腔之间具有耦合间隙，耦合腔内用于传输电磁波，采用半圆环耦合腔结构可使电磁波以低于光速的相速度在慢波结构内传输，耦合间隙用于通入电子注并与电磁波进行能量交换。利用耦合模式分裂方法来拓宽慢波结构的频带宽度，并利用耦合腔之间的耦合间隙完成电子注与电磁波的能量交换。

作为其中一种实施方式，所述谐振腔采用双层狄拉克半金属夹持SiO

进一步的，所述同周期的相邻的两个耦合腔之间交错布设，且两个耦合腔的尺寸相同。慢波结构两耦合腔尺寸相同且交错放置，在谐振状态下由耦合模式分裂在谐振频点两侧分裂出两个峰值，分别对应为对称模式和反对称模式，并且在两个峰值频点之间产生满足一定频带宽度的传输通带。

进一步的，所述谐振腔结构单元在同周期内还设有耦合槽，耦合槽的一端与当前周期的耦合腔连通，另一端与下一周期的耦合腔连通；作为其中一种实施方式，所述耦合槽采用双层狄拉克半金属夹持SiO

作为其中一种实施方式，所述慢波结构还包括输入端和输出端，所述输入端的出口与第一周期的第一耦合腔的入口处同轴布设，可用于传输电磁波，且在输入端的出口与第一周期的前端耦合腔的入口之间具有耦合间隙；所述输出端的入口与最后一周期的末端耦合腔的入口处同轴布设，可用于传输电磁波；作为优选的一种实施方式，所述输入端和输出端均采用双层狄拉克半金属材料夹持SiO

本实施例利用双层狄拉克半金属夹持SiO

具体的，本实施例采用横磁(TM)波激发图1所示的ε

利用等效表面电流值作为两层介质之间的边界条件求解麦克斯韦方程便可得出双层狄拉克半金属之间传输SPPs波的色散关系模型为

其中，符号“+”和“-”分别对应于双层狄拉克半金属SPPs波导的非对称与对称传输模式。本次研究采用波导内SPPs的基模，即对称传输模式。公式(1)中k

将方程(2)带入方程(1)，可求得双层狄拉克半金属中SPPs波的传播常数值β

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。