雙負(fù)材料慢波特性及其與線性注互作用的研究.pdf

1、基于切倫科夫效應(yīng)的行波管和返波管等切倫科夫器件是最重要的電磁波輻射源，在雷達(dá)、通信以及電子對抗等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。切倫科夫器件利用慢波結(jié)構(gòu)降低電磁波的相速，使慢波結(jié)構(gòu)中傳播的表面慢波與線性注同步進(jìn)而互作用來放大電磁場或產(chǎn)生電磁輻射。針對慢波結(jié)構(gòu)中所傳播的電磁慢波及其與線性注互作用的研究歷來是此類器件的研究重點。介質(zhì)平板類結(jié)構(gòu)是常見的慢波結(jié)構(gòu)之一，其中的介質(zhì)平板常采用介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為正的材料。雙負(fù)材料又名負(fù)指數(shù)材料（Negativ

2、e-Index Materials，NIM），是指介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)的材料。一般由人工合成，具有天然媒質(zhì)所不具有的特性。是否可以將此材料應(yīng)用于真空電子器件是目前的一個交叉研究方向。其關(guān)鍵在于有NIM存在的分界面上是否可以傳播表面慢波以及其慢波的特性。
　　本文將研究NIM介質(zhì)平板類慢波結(jié)構(gòu)，對此類結(jié)構(gòu)中傳播的表面慢波進(jìn)行基礎(chǔ)性理論研究。主要研究了帶金屬底板的 NIM介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)和有限厚 NIM介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)，以及三側(cè)封閉的NI

3、M介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)。首先研究這類結(jié)構(gòu)中介質(zhì)分界面上傳播的表面慢波存在的物理條件，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。再對結(jié)構(gòu)中傳播的表面慢波模式進(jìn)行了具體分析，研究其色散、截止頻率、場分布、功率流等特性。最后理論研究此類結(jié)構(gòu)中傳播的表面慢波與線性電子注的互作用。
　　本論文的主要創(chuàng)新點包括以下部分：
　　1.首先研究了表面慢波在 NIM介質(zhì)平板類慢波結(jié)構(gòu)中能傳播的物理條件。為簡化計算，建立了帶金屬底板的 NIM介質(zhì)平板模型和有限厚 NIM介質(zhì)平

4、板模型兩種二維理論分析模型。基于場匹配法，推導(dǎo)了這兩種模型的色散方程，得到了表面慢波在結(jié)構(gòu)中分界面上存在的物理條件，即介電常數(shù)εr和相對磁導(dǎo)率μr需要滿足的關(guān)系。
　　2.以帶金屬底板的NIM介質(zhì)平板和有限厚NIM介質(zhì)平板作為器件的慢波結(jié)構(gòu)時，電子注與有縱向電場分量的慢波模式互作用。在此類結(jié)構(gòu)中與電子注互作用的模式是橫磁模式（TM模式）。因此需要對慢波結(jié)構(gòu)中傳播的表面慢波TM模式進(jìn)行更詳細(xì)的研究。根據(jù)所推導(dǎo)的色散方程，通過理論和數(shù)

5、值計算的方式研究了半空間模型、帶金屬底板的介質(zhì)平板模型和有限厚介質(zhì)平板模型中傳播的各 TM模式的色散特性，并研究了其截止頻率、場分布和功率流等特性。當(dāng)NIM介質(zhì)平板的εr和μr位于(εr,μr)平面上不同區(qū)域時，結(jié)構(gòu)中傳播的表面慢波模式各有不同。
　　3.切倫科夫器件中的慢波結(jié)構(gòu)是電子注與慢波互作用的場所，對其中慢波與電子注互作用的線性理論的研究是理論研究切倫科夫器件的基礎(chǔ)。針對帶金屬底板的NIM介質(zhì)平板和有限厚NIM介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)

6、，根據(jù)流體動力學(xué)理論，研究了其加載電子注的小信號色散方程，推導(dǎo)了空間增長率和起振電流的表達(dá)式。同時研究了有限厚NIM介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)上下同時加載雙電子注的情況，研究結(jié)果表明加載雙注后，電磁場的空間增長率大幅度提高。
　　4.在帶底板的NIM介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)兩側(cè)添加金屬側(cè)壁，構(gòu)成了三側(cè)封閉的NIM介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)。建立三維分析模型，對其進(jìn)行了理論研究。經(jīng)過模式分析后發(fā)現(xiàn)，能在該結(jié)構(gòu)中傳播的基本模式是縱電模式（LSE模式）或縱磁模式（LSM模式）

7、。以LSM模式為例進(jìn)行了分析研究。研究發(fā)現(xiàn)，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率滿足不同條件時，結(jié)構(gòu)中傳播不同的LSM模式。詳細(xì)研究了該結(jié)構(gòu)中傳播的LSM模式的色散特性、截止頻率等特性。推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)中加載電子注的小信號色散方程，研究了電磁場的空間增長率。相同參數(shù)下，三側(cè)封閉的NIM介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)中傳播的表面波模式具有相對更高的頻率。
　　5.提出了“電子束團(tuán)激勵法”用于研究橫向開放或者縱向非周期型慢波結(jié)構(gòu)的慢波色散特性，從而驗證本文中得到的色散特性的理論