光子带隙结构在微真空电子器件中的应用基础研究

论文摘要

微波真空电子器件在国防建设和国民经济中占据重要地位,世界各国相继认识到一个稳健良好的微波真空电子器件研发环境对于全球通讯和本国军事防卫具有十分重要的影响。近年来,微波真空电子器件得到飞速发展。高频率、大功率、小体积是现代微真空电子器件的发展趋势,目前微真空电子器件正逐步朝着毫米波、亚毫米波甚至太赫兹区域扩展。太赫兹频段在生物成像、医疗诊断以及宽带通讯等方面有广阔的应用前景。微真空电子器件在太赫兹领域中可以大有作为,微细加工的返波振荡器、纳米速调管、纳米行波管等器件可以产生更高功率的太赫兹辐射。随着器件工作频率的提升和尺寸的减小,不可避免将产生功率容量降低、效率下降、脉宽缩短、易电击穿以及工作模式繁杂、模式间竞争激烈等问题,这将大大制约微真空电子器件的发展。光子晶体是近年来出现的一种新型人工材料,将其引入反射速调管、行波管、返波管等器件中,有望使微真空电子器件摆脱在向高频段和小型化进军中所受到的种种限制。本文将一维和二维光子带隙结构应用于高频段谐振腔和慢波系统中,采用理论和数值计算相结合的方法,分析具有光子带隙结构的谐振腔的谐振特性以及具有光子带隙结构的慢波系统的色散关系、耦合阻抗等冷特性。主要内容如下:简介微真空电子器件,论述微真空电子器件的发展方向、面临的困难以及本文的选题背景。概述光子晶体带隙理论,简介两种光子能带数值计算软件。采用平面波展开法,利用德国R-soft公司开发的软件Beam-PROP计算一维共轴环光子晶体、二维正方晶格和三角晶格光子晶体的光子能带。结果表明,对于一维共轴环状光子晶体,适当减小介质环的厚度有利于提高带隙宽度。在相同参数情形下,二维三角晶格光子晶体的带隙明显宽于正方晶格。简介大型电磁分析软件MAFIA和MWS以及仿真的具体方法。采用MWS模拟具有一维光子带隙结构的共轴环光子晶体微腔的谐振特性以及具有一维光子带隙结构的慢波系统的冷特性,详细分析了几何参数对此微腔、慢波系统特性的影响。结果表明,微腔中能够维持沿径向限制非常好的TM010缺陷谐振模式,腔体纵向长度和介质环介电常数对谐振特性影响较大。这种慢波系统带宽较大、色散特性良好,增大电子注开孔半径、减小周期长度对于提高系统的工作频率以及增加带宽颇为有效。构建具有二维光子带隙结构的太赫兹频段谐振腔和慢波系统,利用软件MWS和MAFIA模拟缺陷谐振模式的场分布,计算谐振腔的品质因数、功率损耗以及慢波系统的色散关系和耦合阻抗等特征参量,详细讨论了结构参数对于谐振腔和慢波系统冷特性的影响。数值结果表明,此谐振腔内存在单一、稳定的高阶振荡模式,缺陷横向尺寸越大,模式阶数越高。腔体纵向长度对品质因数的影响最大,例如文中所得到的TM330模式,当腔体纵向长度为1mm时,其品质因数高达12000以上。本文所构建的具有二维光子带隙结构的慢波系统适应于工作在返波状态,工作模式稳定,带宽可达10%以上,慢波比曲线平坦,色散特性非常优良,最高耦合阻抗则可达几十甚至上百欧姆。周期长度越长、电子注开孔半径越小,则耦合阻抗越大、带宽越窄。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 微真空电子器件发展概述
• 1.2 微真空电子器件简介
• 1.2.1 行波管
• 1.2.2 速调管
• 1.3 太赫兹技术
• 1.4 光子晶体
• 1.5 本文的选题背景和研究内容
• 第二章 光子晶体理论以及光子能带计算
• 2.1 光子晶体理论简介
• 2.1.1 能带结构理论
• 2.1.2 光子晶体的带隙结构
• 2.2 光子能带数值计算软件简介
• 2.2.1 软件Beam-PROP
• 2.2.2 软件XFDTD
• 2.3 一、二维光子晶体能带计算
• 2.3.1 共轴环状一维光子晶体
• 2.3.2 二维光子晶体能带计算
• 2.4 本章小结
• 第三章 电磁分析软件与仿真简介
• 3.1 软件MAFIA
• 3.2 软件MWS
• 3.3 计算机电磁仿真流程
• 3.4 本章小结
• 第四章 一维光子带隙结构在真空器件中的应用
• 4.1 共轴环光子晶体微腔
• 4.1.1 模型
• 4.1.2 谐振模式场分布
• 4.1.3 谐振特性
• 4.2 由共轴环光子晶体微腔构建的慢波系统
• 4.2.1 色散特性
• 4.2.2 数值结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 二维光子带隙结构在真空器件中的应用
• 5.1 具有二维光子带隙结构的THz谐振腔
• 5.1.1 谐振腔模型及其工作原理
• 5.1.2 缺陷谐振模式
• 5.1.3 结果讨论
• 5.2 具有二维光子带隙结构的THz慢波系统
• 5.2.1 慢波系统模型及工作原理
• 5.2.2 工作模式
• 5.2.3 色散特性
• 5.2.4 耦合阻抗
• 5.2.5 结构参数对慢波系统特性的影响
• 5.3 小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表