發(fā)布時間：2018-06-22 13:02

  本文選題：回旋管 + 光子帶隙諧振腔��； 參考：《電子科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：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(yīng)用前景,它的產(chǎn)生和應(yīng)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(yīng)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(yīng)競爭模式較多,為解決高階模式的模式競爭嚴(yán)重問題,新型回旋管高頻結(jié)構(gòu)的研究成為必要。光子晶體結(jié)構(gòu)由于具有光子禁帶特性,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(guān)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(jié)構(gòu)的帶隙特性進(jìn)行了研究,通過引入缺陷的方式,利用光子晶體帶隙特性設(shè)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(xué)系統(tǒng)及輸出窗等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析。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(dǎo)了光子晶體結(jié)構(gòu)的本征方程,并研究了光子晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)介質(zhì)材料及金屬材料結(jié)構(gòu)的帶隙特性,通過理論及仿真相結(jié)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。根據(jù)二維三角形晶格TE波全局帶隙圖,通過等效半徑的方法,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(jìn)行對比,得出所設(shè)計的光子晶體諧振腔中TE04模場分布與圓柱波導(dǎo)中TE04模場分布很接近。通過回旋管相關(guān)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(dǎo)中心半徑等工作參數(shù)。3、根據(jù)0.1THz光子晶體回旋管高頻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),根據(jù)其理論分析結(jié)果,初步確定出工作于0.1THz回旋管的電子槍結(jié)構(gòu)。通過軟件仿真對其初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析,設(shè)計出滿足該回旋器件需求的電子槍結(jié)構(gòu)。并介紹了已應(yīng)用于實驗中的兩個電子槍結(jié)構(gòu),即應(yīng)用于W波段回旋管引導(dǎo)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(jié)構(gòu)和應(yīng)用于420GHz二次諧波回旋管中引導(dǎo)中心半徑1.95mm,橫縱速度比為1.4的雙陽極電子槍。實驗測得結(jié)果均較為理想,與理論設(shè)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(jié)構(gòu),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(jié)果進(jìn)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(shè)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(shè)計多窗片結(jié)構(gòu),獲得TE04模式反射小于-20dB的帶寬為9.45GHz,相對帶寬為10%的雙窗片結(jié)構(gòu);通過對三窗片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu),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(dǎo)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(dǎo)相結(jié)合的方式,設(shè)計出一款新型布魯斯特窗。采用矢網(wǎng)分析儀對該新型布魯斯特窗冷測得出,在頻段84-102GHz范圍內(nèi)的反射均小于-22dB,通過理論仿真及實驗結(jié)果可知,該新型布魯斯特窗具有很高的帶寬,適用于對帶寬要求更高的行波管返波管等器件。
[Abstract]:Terahertz, as a transition band between millimeter wave and infrared light, has the characteristics of both millimeter wave and light, which has an important application prospect. The generation and application of THz is a hot topic in the world. Electronic gyrotron has been proved to be the most likely device to produce high power terahertz signal at present. Increasing the size of the cavity with the injection wave interaction, increasing the power capacity and reducing a series of problems caused by the size common effect, the terahertz gyrotron usually works in the high order mode. However, there are more competition modes in the high order mode. In order to solve the severe competition problem of the high order mode, the high frequency structure of the new gyrotron is studied. As a result of the photonic band gap, the photonic crystal structure can realize the mode selection characteristic, reduce the mode density and reduce the mode competition by introducing the defect in the band gap. Thus, a series of questions caused by the overmold work of the terahertz gyrotron are solved. Therefore, the research on the related problems of the photonic crystal Gyrotron It is of great significance. Based on the lattice theory of solid physics, this paper studies the band gap characteristics of the photonic crystal structure. By introducing the defect mode, the photonic band gap resonant cavity of 0.1THz in the TE04 mode is designed by the band gap characteristics of the photonic crystal, and the electronic optical system and output of the photonic crystal gyrotron are also given. The main contents and innovations of this paper are summarized as follows: 1, from the Maxwell equation, the intrinsic equation of the photonic crystal structure is derived, and the scaling law of the photonic crystal structure is studied. The two-dimensional photonic crystal structure medium is solved according to the lattice theory in solid physics. The band gap characteristics of material and metal structure are obtained by combining theoretical and simulation methods to obtain the triangular lattice of oxygen free copper metal column and the global band gap diagram of square lattice TE wave.2. In order to obtain better mode selectivity, the two-dimensional triangular array photonic crystal structure is studied. According to the global band of the two-dimensional triangular lattice TE wave Through the method of the equivalent radius, the pattern distribution of the photonic crystal in the global band gap is obtained by the method of equivalent radius. The mode of TE04 mode with good angular symmetry is selected as the working mode with less competition mode and larger mode separation degree, and the mode distribution in the photonic crystal resonator is studied through theoretical analysis and software simulation. Compared with the cylindrical cavity, it is concluded that the TE04 mode field distribution in the designed photonic crystal resonator is close to the TE04 mode field distribution in the cylindrical waveguide. The working voltage, current, magnetic field, guiding center radius and other working parameters of the gyrotron are determined by the theory of gyrotron related to the 0.1THz band, which is based on the 0.1THz photonic crystal gyrating. According to the theoretical analysis results, the structure of the electron gun which works on the 0.1THz gyrotron is preliminarily determined according to the theoretical analysis results, and the initial structure is optimized by software simulation, and the electronics to meet the needs of the gyrotron are designed. The structure of the two electron gun, which has been applied to the experiment, is introduced, which is used in the W band gyrotron guide center radius 3mm, the transverse and longitudinal velocity ratio of 1.4, the velocity discrete less than 3% of the single anode electron gun structure and the dual anode electron gun used in the 420GHz two harmonic gyrotron with the guide center radius 1.95mm and the transverse longitudinal velocity ratio of 1.4. The experimental results are all ideal and agree with the theoretical design. It proves that the program compiled and optimized for the correctness of the electronic gun is.4. Several common output window structures are introduced. The transmission theory of single window output window is calculated by mode matching method. The theoretical method is compared with the existing commercial software simulation results to verify the theoretical method. The theory method is more rapid and faster than the commercial software simulation method, thus greatly reducing the engineering design cycle and calculation cost. According to the single window output window theory, the multi window transmission theory is obtained by the transfer matrix cascade method. The TE04 mode reflection is less than -20dB through the rational design of the multi window structure. With a bandwidth of 9.45GHz and a double window with a relative bandwidth of 10%, by optimizing the three window structure, the three windows of the TE04 module in the 78-131.4GHz range are less than -20dB, and the -20dB bandwidth of the window is 53.37GHz. for the output mode of Gauss mode, and the output window is usually used as a window, and for the output window. The Gauss mode in the corrugated waveguide is usually HE11 mode. In order to transmit the HE11 mode better, a new Brewster window is designed by combining the Brewster window with the corrugated waveguide. A vector net analyzer is used to test the new Brewster window, and the reflection in the range of 84-102GHz is less than -22dB. Theoretical simulation and experimental results show that the new Brewster window has a high bandwidth and is suitable for traveling wave tube backward wave tubes with higher bandwidth requirements.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN12

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本文編號：2052919