撰稿|由课题组供稿
近日，电子科技大学电子科学与工程学院段兆云研究小组，在超构材料速调管的研究中取得了重要进展。他们利用具有亚波长和强谐振特性的全金属超构材料单元，首次提出并实验验证了一种大功率、高效率、小型化的S波段超构材料速调管。研究成果以“Experimental Demonstration of Compact S-Band MW-Level Metamaterial-Inspired Klystron”为题，于2022年11月23日发表在国际电子器件领域顶级的专业期刊《IEEE Electron Device Letters》最新一期。
粒子加速器广泛采用数量众多和类型不同的大功率、高效率、高稳定性和低相位噪声的速调管作为高能微波驱动，将粒子加速到所需的高能量。这些速调管集中工作在微波频率低端，如P/L/S/C/X波段，导致加速器系统整体的体积和重量较大，成为了其占地空间大和运行成本高的因素。为了进一步减小加速器系统的体积并降低能耗，急需新的手段发展紧凑型高性能的大功率微波器件。超构材料作为一种新型的人工构建的亚波长电磁结构，因其独特的电磁特性受到研究人员的广泛关注。将这种亚波长、强谐振结构创造性地应用于速调管中，构建的超构材料速调管不仅将具有大功率和高效率的优势，在单电子注条件下还能够实现器件的长度和直径的同时缩短，这无疑为微波真空电子器件带来了新的发展机遇。
电子科技大学和合作单位特别是昆山国力电子科技股份有限公司，利用一种全金属超构材料单元—互补电开口谐振环，首次实现了S波段MW量级的超构材料速调管。这种超构材料单元具有的亚波长特性，使超构材料速调管突破了传统速调管由于尺寸共渡的限制；而超构材料单元特有的强谐振性质有利于速调管的大功率、高效率和高增益。加载互补电开口谐振环的互作用结构具有小型化的特点，其体积仅约为传统结构的0.44。对基于该互作用结构的超构材料速调管进行了理论分析、优化设计、以及加工装配。在热测实验中，采用120kV/80A的圆形电子注，在2.852GHz处观测到最大的脉冲输出功率为5.51MW，增益为55.6dB，电子效率为57.4%，较同类传统速调管的电子效率提升了近10%。
图1 全金属互补电开口谐振环及对应的超构材料谐振腔模型及样件。
图2 超构材料速调管样件。
图3 超构材料速调管的测试结果。(a)饱和输出功率与频率的关系；(b)饱和增益和电子效率与频率的关系。
该工作巧妙地将具有亚波长和强谐振特性的全金属超构材料单元引入到速调管中，构建出一种新型的大功率、高效率和紧凑型的S波段MW量级速调管。实验结果表明这种新型速调管有望应用到加速器系统、质子治疗设备、医疗成像和工业辐照领域。
论文共同第一作者为电子科技大学王新博士和张宣铭博士生，通讯作者为电子科技大学段兆云教授。昆山国力电子科技股份有限公司、中国工程物理研究院、美国新墨西哥大学（UNM）和印度瓦拉纳西理工学院（IIT-BHU）为合作单位。该成果得到了国家自然科学基金（62131006, 61871095, 61921002）等项目的大力支持。
文章信息
http://doi.org/10.1109/LED.2022.3223909
期刊简介
《IEEE Electron Device Letters》的当前影响因子为4.816，作为国际电子器件领域的顶级专业期刊，通常发表真空电子器件、半导体电子器件、光电子器件和传感器等领域极具原创性的学术论文。
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