基于人工电磁媒质的小型化高功率微波辐射源

Miniaturized, high power microwave radiation sources have very important applications in the military and civil fields.In order to realize the miniaturization and to improve the high power and electron efficiency,we propose a sub-wavelength, symmetrical, all-metal metamaterial with the single negative permittivity,which is suitable for the vacuum electron devices, and make use of this metamaterial to build a novel slow wave structure based on the reversed Cherenkov radiation.We use the effective medium theory to study the basic material properties such as resonance and materal parameters, adopt the electromagnetic theory to analyze the high-frequency characterizations such as dispersion,interaction impedence and attenuation constant, and set up one dimensional electron beam disk model and then use the nonlinear theory to study the beam-wave interation effect.Thus, we propose the oscillating condition for the coherent radiation and also a new approach to improving the output power and electron efficiency. This research can establish solid theoretical and technological foundations for the miniaturized, high power microwave radiation sources.

小型化高功率微波辐射源在军用和民用方面都具有极其重要的应用价值。为了实现器件的小型化同时提高其输出功率和电子效率，本项目基于"反向"切伦科夫辐射机理，提出一种适合真空电子器件的亚波长、全金属、具有对称特性的单介电常数人工电磁媒质，利用该人工电磁媒质构建一种全新的慢波结构。用有效媒质理论研究人工电磁媒质的谐振特性和电磁参数等基本材料特性；用电磁理论研究其色散特性、耦合阻抗和衰减常数等高频特性；建立一维的电子注圆盘物理模型，用非线性理论研究注-波互作用效应。提出产生相干辐射的起振条件和提高输出功率和电子效率的有效方法。通过对该项目的深入研究，为发展新型的小型化高功率微波辐射源奠定坚实的理论和技术基础。

本项目研究了人工电磁媒质的新奇电磁特性以及人工电磁媒质在真空电子器件和其他相关器件中的应用。近年来，包括反向切伦科夫辐射等在内的新奇电磁特性已经成为诸多研究领域的热点，并通过理论、模拟和实验所证实。这些新奇的电磁特性为发展新型的真空电子器件开拓了全新的研究方向，对于发展新一代高性能的真空电子器件具有重大的研究意义。本项目提出了两种适用于真空环境的全金属人工电磁媒质单元结构，并通过理论与实验相结合的方式，首次使用带电粒子的方法从实验上观测到了反向切伦科夫辐射；进一步地，在所提出的平板型人工电磁媒质结构基础上，发展了一种带状注的可工作在双频段的返波振荡器；在所提出的圆形人工电磁媒质结构基础上，发展了一种输出功率高达二十兆瓦的新型返波振荡器。研究结果表明，利用人工电磁媒质的强谐振、强耦合和亚波长结构的特点，本项目提出的基于人工电磁媒质的新型微波振荡器相对于传统返波振荡器具有诸多优势，包括小型化、高效率和高功率等。同时，通过引入人工电磁媒质单元结构，所提出的多输入多输出（MIMO）天线具有小型化、宽带宽和高隔离度等优势，这种天线在移动通信领域，特别是5G通信中具有重要的应用前景。