具有金屬光子帶隙結(jié)構(gòu)的相對(duì)論Cherenkov輻射源研究.pdf

1、高功率毫米波及亞毫米波在雷達(dá)、受控?zé)岷司圩儾訜帷⑼ㄐ?、生物醫(yī)學(xué)及材料科學(xué)等軍事及民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。Cherenkov器件是產(chǎn)生高功率電磁波輻射的有效手段，但是受物理機(jī)制的約束，工作到毫米波及亞毫米波段時(shí)，器件慢波系統(tǒng)的尺寸將變得很小，而這會(huì)使通過(guò)慢波系統(tǒng)的電子注受到限制，導(dǎo)致電流下降，因而難以實(shí)現(xiàn)高功率。相對(duì)論Cherenkov器件采用大尺寸過(guò)模結(jié)構(gòu)的慢波系統(tǒng)，提高了電流容量，從而有效提高了輻射功率，但是模式競(jìng)爭(zhēng)很難抑制。

2、r>　　 為了解決毫米波及亞毫米波段相對(duì)論Cherenkov器件的模式競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，本論文提出基于金屬光子帶隙結(jié)構(gòu)的新型慢波系統(tǒng)，利用其帶隙特性，解決過(guò)模慢波系統(tǒng)中的模式競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，從而提高器件的性能。其主要工作如下：
　　 1.采用時(shí)域有限差分(FDTD)方法研究了三角形及正方形金屬光子帶隙結(jié)構(gòu)中TM極化波的能帶特性。結(jié)果表明，無(wú)論是三角形晶格還是正方形晶格，TM極化波存在多個(gè)禁帶區(qū)域，并且禁帶之間存在明顯的分界面，通過(guò)適當(dāng)選取金

3、屬桿半徑(r)與晶格常數(shù)(a)的比值，可使光子帶隙結(jié)構(gòu)中只存在唯一禁帶。
　　 2.研究了金屬光子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG)單諧振腔特性。結(jié)果表明，合理選取腔體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使腔體只支持TM01-like模式以及少數(shù)幾個(gè)非對(duì)稱模式，TM02-like模及更高階的模式都不在腔體中存在；TM01-like模式的Q值主要受最內(nèi)幾層金屬桿影響，通過(guò)減少外層金屬桿層數(shù)，能有效降低高次通帶模式的Q值，同時(shí)工作模式(TM01-like模)的Q值不受太大

4、影響。
　　 3.提出了采用金屬PBG腔構(gòu)建Ka波段周期性慢波系統(tǒng)。對(duì)慢波系統(tǒng)中TM01-like模式的色散特性及電場(chǎng)分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究。為了快速獲得色散曲線，提出用封閉圓邊界慢波系統(tǒng)中TM01模式代替PBG慢波系統(tǒng)中TM01-like模式，并利用場(chǎng)匹配法推導(dǎo)出色散方程，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)封閉圓邊界半徑取PBG缺陷的平均半徑時(shí)，TM01模式的色散曲線與模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。模擬仿真發(fā)現(xiàn)，由于PBG腔的邊界呈現(xiàn)正六邊形使得TM

5、01-like模式的Ez場(chǎng)沿角向分布不均勻，從而導(dǎo)致耦合阻抗的角向不均勻性。
　　 利用三維粒子模擬手段，對(duì)PBG慢波系統(tǒng)中的注波互作用特性進(jìn)行詳細(xì)研究。研究結(jié)果表明：由于PBG結(jié)構(gòu)的模式選擇特性，顯著降低了模式競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，器件工作模式單一、頻譜良好。
　　 4.為了改善慢波系統(tǒng)中工作模式電場(chǎng)在角向分布的均勻性，創(chuàng)新性提出了變態(tài)PBG慢波系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)中PBG結(jié)構(gòu)的最內(nèi)層導(dǎo)體修正為圓排列的變態(tài)結(jié)構(gòu)。研究了變態(tài)PBG慢波系

6、統(tǒng)的色散特性、腔體Q值以及TM01-like模式場(chǎng)的角向分布等特性；利用PIC模擬方法研究了變態(tài)PBG慢波系統(tǒng)的輻射特性。研究結(jié)果表明，在變態(tài)PBG慢波系統(tǒng)中TM01-like模式的角向?qū)ΨQ性得到顯著改善，提高了器件的工作效率，有效抑制了非對(duì)稱模式。
　　 5.對(duì)PBG慢波系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的冷測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)、加工了慢波系統(tǒng)諧振腔，冷測(cè)實(shí)驗(yàn)得到TM01-like模式的色散曲線與理論分析及模擬計(jì)算結(jié)果一致;進(jìn)行了熱測(cè)實(shí)驗(yàn)方案的研究，