光子晶體回旋管相關問題的研究.pdf

1、太赫茲作為介于毫米波與紅外光之間的過渡波段，它既具有毫米波的特性同時又有光的特性，具有重要的應用前景，它的產(chǎn)生和應用是目前國際上的研究熱點。電子回旋器件已被證明是目前最有可能產(chǎn)生大功率太赫茲信號的器件。為了增大注-波互作用腔體的尺寸，增大功率容量，減小尺寸共渡效應引起的一系列問題，太赫茲回旋管通常工作于高階模式。然而高階模式工作時的相應競爭模式較多，為解決高階模式的模式競爭嚴重問題，新型回旋管高頻結構的研究成為必要。光子晶體結構由于具有

2、光子禁帶特性，通過在其禁帶中引入缺陷的方式，可以很好的實現(xiàn)模式選擇特性，降低模式密度，減少模式競爭，從而解決太赫茲回旋器件過模工作引起的一系列問題。因此，光子晶體回旋管相關問題的研究具有非常重要的意義。
　　本文根據(jù)固體物理的晶格理論，對光子晶體結構的帶隙特性進行了研究，通過引入缺陷的方式，利用光子晶體帶隙特性設計了0.1THz工作于類TE04模式的光子帶隙諧振腔，并對該光子晶體回旋管的電子光學系統(tǒng)及輸出窗等結構進行了研究分析。<

3、br>　　本文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新之處概述如下：
　　1、從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導了光子晶體結構的本征方程，并研究了光子晶體結構的縮放法則等特性。根據(jù)固體物理中的晶格理論求解出二維光子晶體結構介質(zhì)材料及金屬材料結構的帶隙特性，通過理論及仿真相結合的方法獲得無氧銅金屬柱三角形晶格及正方形晶格TE波全局帶隙圖。
　　2、為了獲得更好的模式選擇性，對二維正三角形陣列光子晶體結構進行了研究。根據(jù)二維三角形晶格TE波全局帶隙圖，通過

4、等效半徑的方法，得出不同缺陷情況時光子晶體全局禁帶內(nèi)所存在的模式分布圖。選擇競爭模式較少且模式分隔度較大的角向?qū)ΨQ性良好的 TE04模為工作模式。通過理論分析及軟件仿真研究了光子晶體諧振腔中的模式分布，并與圓柱腔進行對比，得出所設計的光子晶體諧振腔中TE04模場分布與圓柱波導中TE04模場分布很接近。通過回旋管相關理論定出工作于0.1THz波段時，該回旋器件的工作電壓，電流，磁場，引導中心半徑等工作參數(shù)。
　　3、根據(jù)0.1THz

5、光子晶體回旋管高頻結構對電子注性能要求，理論分析了該光子晶體回旋管的磁控注入式電子槍結構，根據(jù)其理論分析結果，初步確定出工作于0.1THz回旋管的電子槍結構。通過軟件仿真對其初始結構進行優(yōu)化分析，設計出滿足該回旋器件需求的電子槍結構。并介紹了已應用于實驗中的兩個電子槍結構，即應用于W波段回旋管引導中心半徑3mm，橫縱速度比為1.4，速度離散小于3％的單陽極電子槍結構和應用于420GHz二次諧波回旋管中引導中心半徑1.95mm，橫縱速度比

6、為1.4的雙陽極電子槍。實驗測得結果均較為理想，與理論設計相符，證明所編程序仿真優(yōu)化電子槍的正確性。
　　4、介紹了幾種常用的輸出窗結構，采用模式匹配的方法求得計算單窗片輸出窗傳輸理論，通過理論與現(xiàn)有商業(yè)軟件仿真結果進行對比驗證該理論方法的正確性，此理論方法相較于商業(yè)軟件仿真方法更加迅速快捷，從而大大降低了工程設計周期和計算成本。根據(jù)單窗片輸出窗理論，采用傳輸矩陣級聯(lián)的方法得出多窗片傳輸理論。通過合理的設計多窗片結構，獲得 TE0

7、4模式反射小于-20dB的帶寬為9.45GHz，相對帶寬為10%的雙窗片結構；通過對三窗片結構進行優(yōu)化設計，得出在78-131.4GHz范圍內(nèi)對TE04模反射均小于-20dB的三窗片結構，該窗片-20dB帶寬為53.37GHz。對于輸出模式為高斯模式的器件，輸出窗通常采用布魯斯特窗，而對于存在于波紋波導中的高斯模式通常為HE11模，為了更好的傳輸HE11模式，通過將布魯斯特窗與波紋波導相結合的方式，設計出一款新型布魯斯特窗。采用矢網(wǎng)分析