Page 96 - 《真空与低温》2025年第3期

段兆云等：受超构材料启发的真空电子器件研究进展 367

[2]
特征不同于 Veselago 的经典结论 。 x
z 端口2
o 放大
在理论研究的基础之上，电子科技大学基于巴 y
端口1 P
比涅原理，首次提出了一种新颖的方形全金属互 h 1
补电开口谐振环（Complementary electric Split-Ring h 2
Resonator，CeSRR）单元结构 ，如图 3（a）所示。其
[13]
具有亚波长特性，同时适用于高真空环境。将其周 L t L
7P
期加载到空方波导中，从而发展出了一种全金属超 （a）超构材料慢波结构
构材料，如图 3（b）所示。通过有效媒质理论分析、 栅控电子枪 磁聚焦系统 收集极
色散特性和传输相位特性研究证明了该超构材料
具有“双负”特性。

a e
磁屏蔽结构A 输出装置 磁屏蔽结构B
g CeSRR
h 1 （b）反向切伦科夫辐射振荡器
o
a e j a m y z
d a e v 0 −
x p 功率计
h 2 矩形波导
铜 y 频谱仪
真空 a e x z
a m 带状注 o
（a）CeSRR单元 （b）双负材料仿真模型 定向耦合器
输出端
特斯拉变压器 螺线管 示波器
栅控电子枪
真空计 功率吸收负载
调节 衰减器1
触发器 高压电源
衰减器2
标准同轴线 （c）测试平台
检波器
图 4 超构材料慢波结构和反向切伦科夫辐射振荡器
螺线管电源 Fig. 4 Metamaterial slow-wave structure and reversed
系统
Cherenkov radiation oscillator
（c）测试平台

图 3 全金属双负材料和测试平台 在此超构材料慢波结构的基础上，研制出反向
[17]
Fig. 3 All-metal double-negative materials and the 切伦科夫辐射振荡器 ，如图 4（b）所示。采用图 4
test platform （c）的实验平台，经测试，当圆形注电压和电流分别

为 26 kV 和 2 A，轴向磁感应强度为 0.086 1 T 时，反
首次采用真实的带电粒子与上述的超构材料
向切伦科夫辐射振荡器在 2.221 GHz 频点处，输出
相互作用，在实验上观测到了超构材料中的反向切
功率可达 10.16 kW，电子效率高达 19.54%。该器
伦科夫辐射，如图 3（c）所示。实验还发现，通过改
件具有显著的大功率、高效率以及小型化的特点。
变带电粒子的动能可调谐该新型电磁辐射的频率。
在反向切伦科夫辐射振荡器的实验基础之上，
这一研究为超构材料真空电子器件的发展奠定了
又提出了一种双输出端口的反向切伦科夫辐射放
[13]
坚实的理论基础 。 [18]
大器 ，如图 5 所示。三维电磁仿真软件 CST Stu-
2 反向切伦科夫辐射器件 dio Suite（以下简称为 CST）模拟结果表明，当输入
2.286 GHz/7.8 W 的微波信号时，双端口的输出功率
在超构材料反向切伦科夫辐射机理研究的基
分别为 307 W 和 5.48 kW，该器件的总电子效率高
础之上，首次提出一种圆形全金属超构材料单元 [14-16] 。
达 33.84%。
将其周期加载到空金属圆波导中，创造性地构造出
一种超构材料慢波结构，其横向尺寸仅为 0.33λ 3 增强渡越辐射器件
（λ 为自由空间中的波长），纵向长度仅为 0.78λ，如 带电粒子穿过两种不同介质之间的非连续界
图 4（a）所示。 面时产生的一种电磁辐射，称为渡越辐射，如图 6（a）