基于圆柱二维周期表面晶格结构微波源的研究

摘要

随着高功率微波技术的发展及其应用需求的提高，提高器件工作频率和功率容量是高功率微波源技术发展的重要目标。对于高频段器件，其横向尺寸相对较小，这严重制约了微波源功率容量的提高。一种有效的解决办法就是增加器件的横向尺寸和使用大直径环形电子束。然而，这种过模结构的微波源常面临模式竞争，输出频谱复杂等问题。因此研究微波源在高频率、高功率容量的条件下，保持模式选择能力的方法，成为近几年来的研究热点。二维周期表面晶格结构是一种在过模条件下保持模式选择能力的新型结构，具有高功率容量的潜力。国外已经开展了一些基于圆柱二维周期表面晶格结构的微波源的初步的理论和仿真研究。在此基础上，本文对基于圆柱二维周期表面晶格结构的微波源开展了进一步的探索和研究。
　　论文首先开展了相关理论研究。建立了圆柱二维周期表面晶格结构的数学模型，推导了基于电介质圆柱波导模型的相关理论表达式。主要结论有：本征模式中的耦合条件为 Bragg条件；电介质圆柱波导模型的参数与工作频率、晶格参数有关；根据电压可以将器件分为高、低电压工作状态，并且不同的工作状态需要和器件的几何结构相匹配。
　　其次，研究了该结构的高频特性。结果表明，该结构内本征模式为体积波TM0l和表面波HE7n的叠加；随着本征频率增加，体积波和表面波的径向周期数增加，角向周期数保持不变，并且本征模式中的体积波为接近截止的体积波；该结构可以简化为电介质圆柱波导模型来研究；晶格上分布有表面电流，表面波和体积波通过表面电流发生了耦合，这种耦合成为该结构在较大过模比时保持模式选择能力的原因。
　　最后，采用VSim软件进行了三维粒子模拟。结果表明，当输入电压170kV，电流20A，磁场1.8T，电子束发射位置距轴线2.0mm时，得到了50kW，923GHz的微波输出；电子束的纵向动量空间分布比较混乱，但是仍存在着电流调制现象；电子束在腔体内的角向运动不可忽略；束波同步条件理论推导结果和粒子模拟结果相差较大，但仍能够揭示器件的工作规律；通过研究电压、磁场、电子发射位置对微波输出的影响可以为器件设计和优化提供指导规律。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 高功率微波源的研究现状

1.2 基于周期表面晶格结构微波源的研究进展

1.3 课题研究意义与研究内容

第二章基于圆柱2D PSL结构微波源的理论分析

2.1圆柱2D PSL结构的数学模型

2.2圆柱2D PSL结构的相关理论

2.3 小结

第三章基于圆柱2D PSL结构微波源的高频特性分析

3.1 基本模型

3.2 本征模式研究

3.3 电介质圆柱波导模型分析

3.4 模式选择性原因分析

3.5 小结

第四章基于圆柱2D PSL结构微波源的粒子模拟研究

4.1 粒子模拟方法简介

4.2 基本模型

4.3 束波互作用分析

4.4 工作机制

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要工作

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果