用于速调管的一维光子晶体谐振腔研究

摘要

传统速调管随着工作频率的上升，相应的速调管谐振腔的尺寸就必须减小，特别是当频率处于太赫兹频段时，谐振腔的实际尺寸加工已经变得非常困难。虽然通常可以使用高次模谐振腔增加谐振腔的尺寸，但随之相邻模式与工作模式的频率间隔会变窄，对工作模式产生严重的干扰，不仅限制了带宽极限，而且使杂模振荡问题变得难以克服。针对这些不足和问题，我们把光子晶体引入谐振腔结构中。光子晶体具有光子禁带，利用光子禁带囚禁谐振频率处于禁带的电磁波，而使其它频率的电磁波向谐振腔外传播，从而有效减小相邻模式之间的影响。本文主要工作概述如下:
　　1、X波段的速调管一维光子晶体圆柱腔的研究。
　　首先使用HFSS软件设计了带隙中心频率为10GHz的一维光子晶体结构，然后运用ISFEL3D软件对采用一维光子晶体结构的圆柱腔和金属圆柱腔进行仿真和分析。研究结果表明，一维光子晶体圆柱腔中与TM010模相邻的TM910模只存在于最外层介质中，频率间隔为213 MHz，不会影响TM010模;一维光子晶体圆柱腔的特性阻抗(94.9Ω)比金属圆柱腔(129Ω)要小，但均匀性要好;在一维光子晶体圆柱腔两端连接漂移管后，TM010模所受影响很小，说明一维光子晶体圆柱腔具有较强的抗干扰能力，这是将一维光子晶体圆柱腔应用在高射频段速调管方面的前提条件。
　　2、太赫兹波段的速调管一维光子晶体同轴腔的研究。
　　使用HFSS软件分别设计了500GHz和650GHz的一维光子晶体带隙结构，500GHz的一维光子晶体结构能很好的限制TM810模，这从理论上论证了用于THz波段多注速调管的一维光子晶体同轴腔的可行性。但由于该同轴腔外壁介质层太薄，只有0.05mm，没有机械支撑力，因而不具有实际应用价值。650GHz的一维光子晶体同轴腔由两种环形介质层交替排列而成，可采用薄膜工艺制作，因此具有工艺可实现性。研究结果表明，采用6个周期的一维光子晶体外壁能很好地锁住TM10,1,0模，在TM10，1，0模以下的模式都不存在于腔体内，在TM10,1，0模以上到710 GHz的范围内也没有模式存在于一维光子晶体谐振腔中，这表明一维光子晶体同轴腔能有效的增大模式间的频率间隔，从而有效的减小模式之间的相互干扰。因此在消除相邻模式干扰方面，一维光子晶体同轴腔要优于金属同轴腔。在一维光子晶体同轴腔两端连接漂移管后，腔体中TM10,1,0模的影响很小，这说明一维光子晶体同轴腔具有较好的抗干扰能力。但由于一维光子晶体同轴腔采用介质层外壁，电磁场因侧漏而导致特性阻抗比金属同轴腔低很多，而且均匀性也差一些，但这并不会对谐振腔的性能产生严重影响。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 速调管简介

1．2 速调管谐振腔理论

1．2．1 谐振腔的一般特性

1．2．2 谐振腔品质因数

1．2．3 谐振腔特性阻抗

1．2．4 圆柱形谐振腔

1．2．5 同轴谐振腔

1．3 速调管谐振腔的发展过程及存在的问题

1．4 本论文的研究内容与安排

第二章 光子晶体理论

2．1 光子晶体简介

2．2 光子晶体的性质

2．2．1 光子晶体禁带

2．2．2 光子晶体的局域性

2．2．3 光子晶体的偏振性

2．3 光子晶体的制备方法

2．4 光子晶体的应用

2．5 光子晶体在真空电子器件中的应用及研究进展

2．6 计算光子晶体带隙的有限元法

第三章 X波段速调管一维光子晶体圆柱腔研究

3．1 引言

3．2 一维光子晶体圆柱腔的带隙计算

3．3 一维光子晶体圆柱腔的结构和仿真结果

3．3．1 相邻模式对工作模式的干扰分析

3．3．2 特性阻抗大小及其均匀性分析

3．3．3 漂移管微扰分析

3．4 结论

第四章 太赫兹波段速调管一维光子晶体同轴腔研究

4．1 引言

4．2 500GHz一维光子晶体同轴腔研究

4．2．1 500GHz一维光子晶体带隙计算

4．2．2 500GHz TM810模的一维光子晶体同轴腔仿真

4．3 650GHz一维光子晶体同轴腔研究

4．3．1 650GHz一维光子晶体带隙计算

4．3．2 650GHz TM10．1．0模的一维光子晶体同轴腔仿真

4．3．3 相邻模式对TM10，1，0的干扰分析

4．3．4 特性阻抗大小及其均匀性分析

4．3．5 漂移管微扰分析

4．4 结论

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢