具有金屬光子帶隙結構的相對論Cherenkov輻射源研究.pdf

1、高功率毫米波及亞毫米波在雷達、受控熱核聚變波加熱、通信、生物醫(yī)學及材料科學等軍事及民用領域有廣泛的應用前景。Cherenkov器件是產生高功率電磁波輻射的有效手段，但是受物理機制的約束，工作到毫米波及亞毫米波段時，器件慢波系統(tǒng)的尺寸將變得很小，而這會使通過慢波系統(tǒng)的電子注受到限制，導致電流下降，因而難以實現高功率。相對論Cherenkov器件采用大尺寸過模結構的慢波系統(tǒng)，提高了電流容量，從而有效提高了輻射功率，但是模式競爭很難抑制。

2、r>　　 為了解決毫米波及亞毫米波段相對論Cherenkov器件的模式競爭問題，本論文提出基于金屬光子帶隙結構的新型慢波系統(tǒng)，利用其帶隙特性，解決過模慢波系統(tǒng)中的模式競爭問題，從而提高器件的性能。其主要工作如下：
　　 1.采用時域有限差分(FDTD)方法研究了三角形及正方形金屬光子帶隙結構中TM極化波的能帶特性。結果表明，無論是三角形晶格還是正方形晶格，TM極化波存在多個禁帶區(qū)域，并且禁帶之間存在明顯的分界面，通過適當選取金

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

4、影響。
　　 3.提出了采用金屬PBG腔構建Ka波段周期性慢波系統(tǒng)。對慢波系統(tǒng)中TM01-like模式的色散特性及電場分布特點進行了研究。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，并利用場匹配法推導出色散方程，數值計算結果表明：當封閉圓邊界半徑取PBG缺陷的平均半徑時，TM01模式的色散曲線與模擬和實驗結果基本一致。模擬仿真發(fā)現，由于PBG腔的邊界呈現正六邊形使得TM

5、01-like模式的Ez場沿角向分布不均勻，從而導致耦合阻抗的角向不均勻性。
　　 利用三維粒子模擬手段，對PBG慢波系統(tǒng)中的注波互作用特性進行詳細研究。研究結果表明：由于PBG結構的模式選擇特性，顯著降低了模式競爭現象，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結構的最內層導體修正為圓排列的變態(tài)結構。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。研究結果表明，在變態(tài)PBG慢波系統(tǒng)中TM01-like模式的角向對稱性得到顯著改善，提高了器件的工作效率，有效抑制了非對稱模式。
　　 5.對PBG慢波系統(tǒng)進行了詳細的冷測實驗研究。設計、加工了慢波系統(tǒng)諧振腔，冷測實驗得到TM01-like模式的色散曲線與理論分析及模擬計算結果一致;進行了熱測實驗方案的研究，