正弦波纹同轴布喇格结构研究

论文摘要

布喇格（Bragg）结构是一类具有电磁禁带特性的周期结构,即电磁波在这种结构中传播时,某些频率范围内的电磁波由于受到相干布喇格散射的影响使传播受到极大抑制。在微波电子学领域,布喇格结构一般是由导体表面加工成正弦或者矩形波纹状的金属波导构成,它的一个重要应用是以反射器的形式为过模工作的高功率回旋自谐振脉塞（cyclotron auto-resonance maser,简称CARM）振荡器组建布喇格谐振腔。在早期的工作中,大量的理论和实验研究都是针对圆柱或者平面布喇格结构,在这些结构中我们只能对一个导体或者介质提供周期性的扰动。最近,由于在提高高功率自由电子器件中表现出很多独特的优越性,基于同轴波导的布喇格结构吸引了越来越多的关注。针对现有关于同轴布喇格结构理论研究的不足,本论文对内外导体单独或者同时开槽的正弦波纹同轴布喇格结构的特性,进行了较为全面的研究。全文主要包括以下方面内容:在第一章绪论中,详细介绍了布喇格结构的研究背景,分析了目前所存在的主要问题,提出了本文的研究目标和研究的内容。第二章推导了不同行波模式在正弦波纹同轴布喇格结构中相互作用的多波耦合理论模型,包括在考虑带隙重叠以及布喇格失配项的基础上的多波耦合方程组以及相应耦合系数的具体表达式,并给出求解多波耦合方程组的数值方法。而后,对已有的国外实验报道的两例同轴布喇格结构,用多波耦合模型进行了数值分析,用实验测试结果验证了多波祸合理论及其数值方法的正确性。通过对两模耦合和多波耦合处理方式进行的比较研究,发现了过模工作的同轴布喇格结构中存在的带隙重叠现象,并以此肯定了多波耦合分析的重要性。第三章研究了高阶模同轴布喇格反射器的特性,并对其进行了概念性设计。利用单模情况下的两波耦合模型对同轴布喇格反射器和原有的圆柱布喇格反射器进行了比较研究。结果表明,相比于圆柱布喇格反射器,所设计的同轴布喇格反射器不仅在大尺寸结构下可以具有更大的本征值间距,而且还能通过一个开槽的内导体来对反射器的反射特性进行调节。在此基础上,提出内外导体同时以恰当参数开槽来抑制反射器中寄生杂模的产生,从而确保反射器在高阶模、数百GHz下工作的可行性,并对此利用多波耦合分析进行了验证。第四章研究了以高阶模工作于THz频段的正弦波纹同轴布喇格结构在不同开槽情况下带隙分布特性,发现不论内外导体是否单独或者同时开槽,过模工作的同轴布喇格结构均可能发生带隙的重叠;提出通过设置内外导体波纹的相位差为π来对带隙的重叠进行有效地分离。进一步研究了在波纹幅度引入汉明窗（Hamming-window）分布后同轴布喇格结构在多波耦合下的带隙特性,提出了对同轴布喇格结构内外导体开槽幅度同时引入汉明窗分布来消除残留旁瓣的混叠。此外,上述介绍中涉及到的数值方法,作者都编写了相应的基于FORTRAN语言的计算程序。本论文所有的算例分析都是基于这些数值程序。本论文的研究建立的理论方法以及相应的计算程序,有望为同轴布喇格结构的应用研究提供理论基础及工程参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 回旋自谐振脉塞（CARM）概述
• 1.1.1 电子回旋脉塞（ECM）原理
• 1.1.2 回旋自谐振脉塞（CARM）工作特性
• 1.1.3 回旋自谐振脉塞（CARM）研究现状
• 1.2 回旋自谐振脉塞振荡器的反馈系统——布喇恪结构
• 1.2.1 布喇格结构的特性、应用及研究现状
• 1.2.2 布喇格结构的研究方法——耦合波理论
• 1.3 本论文的研究目标及主要内容
• 1.3.1 目前同轴布喇格结构研究存在的问题
• 1.3.2 本论文的目标和主要内容
• 第2章 正弦波纹同轴布喇格结构多波耦合理论
• 2.1 引言
• 2.2 多波耦合理论分析模型
• 2.2.1 数学物理基础
• 2.2.2 多波耦合方程组
• 2.2.3 耦合系数的具体表达式
• 2.2.4 数值方法
• 2.3 实验验证及理论比较
• 2.4 本章小节
• 第3章 高阶模式同轴腔CARM振荡器的布喇格反射器研究与设计
• 3.1 引言
• 3.2 同轴布喇格反射器的概念性设计与比较
• 3.3 高阶模式工作的可行性
• 3.4 本章小结
• 第4章 THz频段高阶模同轴布喇格结构带隙特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 过模工作导致的带隙重叠现象
• 4.3 同轴布喇格结构中带隙重叠的分离方法
• 4.4 消除旁瓣混叠的方法
• 4.5 本章小节
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间参加的科研项目及发表的论文