光子晶體行波管研究.pdf

1、由于無法使用完全自動化的工藝實現(xiàn)加工，行波管的成本一直居高不下，并且一致性和可靠性差，加之隨著頻率的提高，尺寸共渡現(xiàn)象給電子注的渡越帶來了障礙，使得中高功率行波管在毫米波段的加工成本成倍增加，并難以在亞毫米波及以上頻段實現(xiàn)工作，因而成本和尺寸共渡因素嚴(yán)重限制了行波管的應(yīng)用和發(fā)展。使用能夠利用自動化工藝加工的新材料和新結(jié)構(gòu)是降低行波管成本最理想的辦法，而解決尺寸共渡現(xiàn)象，突破現(xiàn)有頻率上限，則需要建立在新的電磁傳輸機理之上。 光子晶

2、體是一種具有特殊電磁響應(yīng)的新材料和新結(jié)構(gòu)，它的出現(xiàn)為實現(xiàn)行波管的自動化加工和一致性生產(chǎn)，以及突破現(xiàn)有頻率上限帶來了新的希望。光子晶體為發(fā)展現(xiàn)有行波管提供了三種可能性：首先，光子晶體結(jié)構(gòu)改變了電磁波在介質(zhì)中的場分布，因此可以改變行波管的介質(zhì)負載度，利用光子晶體代替介質(zhì)材料，可以改善介質(zhì)基底印制電路行波管中業(yè)已存在的效率問題，實現(xiàn)行波管的印刷電路化，因而可以降低行波管的成本，并提高產(chǎn)品的可靠性和一致性；其次，當(dāng)工作頻率特別高時，電磁波在金屬

3、波導(dǎo)中傳播的衰減加劇，這時可以使用介質(zhì)光子晶體來取代金屬波導(dǎo)，提高慢波電路的傳輸性能；第三，為了解決尺寸共渡問題，可以利用高次模式工作以便獲得更大的電子束通道，保證電子注的流通率，但當(dāng)使用金屬波導(dǎo)慢波電路的高次模式工作時，則會存在著模式競爭問題，如果利用光子晶體代替金屬波導(dǎo)，存在于光子晶體禁帶中的高次模式則可以實現(xiàn)單模工作，這為解決尺寸共渡問題提供了可能。 本論文以光子晶體在行波管中的應(yīng)用為研究對象，研究內(nèi)容包括有限光子晶體中的

4、電磁波模式和傳播行為、光子晶體行波管慢波電路的基本原理和設(shè)計原理、帶狀束和圓電子束光子晶體行波放大器的具體設(shè)計，以及大截面慢波電路行波管電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。本文的組織結(jié)構(gòu)為： 第一章為緒論，介紹現(xiàn)有行波管的困難和光子晶體的概念和特性，闡明論文的研究意義和范圍。 第二章針對有限光子晶體進行研究，具體內(nèi)容包括光子晶體金屬波導(dǎo)、開敞結(jié)構(gòu)有限光子晶體和具有缺陷的有限光子晶體中的電磁波模式和電磁波傳播。 第三章討論了光子晶

5、體行波放大器的基本原理，確定了光子慢波電路的三層基本結(jié)構(gòu)，討論了光子晶體慢波電路的設(shè)計困難和解決辦法，和光子晶體慢波電路的本征值設(shè)計方法和散射參數(shù)設(shè)計方法。 第四章討論了利用缺陷模式工作的二維光子晶體柵慢波電路和光子晶體對插銷帶狀束行波放大器，和光子晶體．截止波導(dǎo)曲折線慢波電路行波放大器的設(shè)計方法。 第五章首先討論了圓電子束環(huán)類慢波電路的拓樸結(jié)構(gòu)，包括介質(zhì)加載環(huán)板慢波電路和四類發(fā)展型溝道梯型慢波電路，在這些討論的基礎(chǔ)上，

6、選擇了準(zhǔn)環(huán)桿結(jié)構(gòu)作為圓電子束光子晶體慢波電路的基本慢波結(jié)構(gòu)，并對使用高阻抗表面光子晶體的準(zhǔn)環(huán)桿慢波電路進行了設(shè)計和討論。 由于使用光子晶體作為慢波電路會給行波管帶來大截面問題，因此第六章對具有大截面慢波電路的行波管的電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計進行了討論。該章以一個大截面慢波電路行波管設(shè)計實例為基礎(chǔ)，從定義和計算相關(guān)性系數(shù)和敏感性系數(shù)入手討論了如何利用軌跡計算軟件快速而有效地進行設(shè)計和在慢波電路結(jié)構(gòu)與電子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間進行折衷和平衡。