一种光子晶体高频系统的研究

论文摘要

光子晶体是一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所形成的具有带阻特性的人造周期性结构。这种材料对应于上世纪五六十年代以来在人们日常生活中起着重要作用的半导体材料,有着另一番更为深远的用途和意义。众所周知,半导体实现的是对电子的控制,从而引导了世界的信息革命,对人类的影响是无法估量的。而光子晶体要实现的是对光的控制,其远景会更为诱人。自从80年代其概念被提出以来,已经受到世界许多领域的重大关注。光子晶体中介质折射率的周期性变化对光子的影响与半导体材料中周期性势场对电子的影响相类似,当介电常数在空间变化幅度较大且变化周期与波长相类似时,介质的布拉格(Bragg)散射将产生带隙,即光子禁带(Photonic Band Gap,PBG)。在可见光范围内,光子禁带的产生对两种介质的介电常数的变化幅度有较严格的要求,所以在可见光范围内,要产生带隙比较困难;而在微波频带范围内的实现却较容易,因为微波波长较长,用现有的技术很容易实现微波频段内的光子晶体,微波频段的光子晶体又称为电磁带隙(Electromagnetic Bnad Gpa,EBG)结构。正因为在微波频率范围内容易实现带隙,所以很多EBG结构相继被提出。本论文主要研究了光子晶体的电磁特性和应用。光子晶体带隙结构对光或其它电磁波通过时有一定的选择性,在仿真软件和其它工具的帮助下,理论分析这种结构特点,在分析的基础上,把这种结构与实际应用结合起来,以便对现在的微波管研究有更深一步的发现。第一章主要介绍了光子晶体的一般概念,这种材料在国内外研究的现状及应用情况,未来的发展前景。第二章主要介绍了一种类型的慢波结构,并对这种结构和光子晶体带隙结构的色散特性等进行了分析。第三章先介绍了一种新型的全金属慢波结构,并对具有光子晶体带隙结构的慢波结构作了分析。得出其工作特点。最后一章展望了该微波器件的前景。交代了今后工作的方向和重点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.1.1 基本概念
• 1.1.2 国内外研究情况
• 1.2 固体理论基础
• 1.3 光子晶体的能带
• 1.4 光子晶体的应用
• 1.4.1 电真空技术
• 1.4.2 天线技术
• 1.4.3 滤波器
• 1.4.4 放大器
• 第二章 光子晶体慢波结构的带隙分析
• 2.1 引言
• 2.2 周期电磁系统
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 周期电磁系统的一般特性
• 2.2.3 周期电磁系统的分析方法
• 2.3 光子晶体的分析方法
• 2.3.1 平面波法
• 2.3.2 转移矩阵法
• 2.3.3 N阶（Order-N）法
• 2.3.4 有限差分法
• 2.3.5 柱状金属光子晶体带隙结构的理论分析
• 2.4 小结
• 第三章 一种新型光子晶体慢波结构的分析
• 3.1 引言
• 3.2 全金属周期慢波结构简介
• 3.3 一种新型的全金属周期慢波结构的分析
• 3.3.1 结构设置
• 3.3.2 色散特性和耦合阻抗
• 3.4 一种新型的光子晶体慢波结构
• 3.4.1 结构设置
• 3.4.2 色散特性和耦合阻抗
• 3.4.3 选模特性
• 3.5 小结
• 第四章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果