毫米波與亞毫米波傳輸功能器件理論及應(yīng)用研究.pdf

1、毫米波與亞毫米波在目標(biāo)識別與探測、精確制導(dǎo)、受控核聚變、通信等領(lǐng)域有著廣泛的開發(fā)應(yīng)用前景。毫米波與亞毫米波系統(tǒng)通常包括源、傳輸系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和接收檢測系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)是保障有效發(fā)揮系統(tǒng)效能的關(guān)鍵。傳輸變換功能器件是應(yīng)用系統(tǒng)的核心關(guān)鍵組件,主要包括輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)、模式變換與無源控制器件等。
　　本文對同軸布拉格反射器、模式變換器、過渡器和準(zhǔn)光型濾波器等毫米波亞毫米波傳輸功能器件進行了理論和實驗研究,對解決傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題提供了有

2、效的途徑。
　　本文的主要工作和研究成果如下:
　　1.提出了一種用于相對論繞射輻射振蕩器(relativistic diffraction generator,RDG)的錐度型同軸正弦內(nèi)開槽布拉格反射器結(jié)構(gòu)。基于復(fù)功率守恒技術(shù)(conservation of complex power technique,CCPT)導(dǎo)出了同軸布拉格反射器的廣義散射矩陣,編制了分析和優(yōu)化同軸布拉格反射器的數(shù)值計算程序。數(shù)值計算結(jié)果表明,反射

3、器對8毫米波段的 TM模式具有良好的反射特性和模式選擇特性。數(shù)值計算結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致,驗證了理論方法的正確性。對基于該反射器的8毫米波段RDG進行了三維粒子模擬(particle-in-cell,PIC),分析了陰極位置、反射器位置和磁場強度對器件輸出功率和模式的影響。實驗研究表明,輸出功率達到756 MW,效率超過20％,實驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致,表明引入反射器可顯著提高RDG的性能。
　　2.提出了一種半徑和周期雙重擾

4、動的非均勻圓波導(dǎo)模式變換器結(jié)構(gòu)。推導(dǎo)了徑向擾動和軸向擾動圓波導(dǎo)模式變換器的耦合波方程,編制了基于Nelder-Mead優(yōu)化算法的模式變換器數(shù)值優(yōu)化計算程序。通過數(shù)值計算和分析對0.22 THz TE03-TE01、TE01-TE11和TE01-TM11模式變換器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,數(shù)值計算結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)均勻微擾結(jié)構(gòu),非均勻結(jié)構(gòu)TE03-TE01變換器總長度縮短44.18％,變換效率95％以上的帶寬增加了150％。開展了非均勻圓波導(dǎo)模式變

5、換器實驗研究,獲得了對稱性良好的TE02和TE01模式分布,表明變換器具有良好的模式變換效果。
　　3.提出了一種可以根據(jù)不同工作條件調(diào)整徑向變化率的二次多項式正弦型模式過渡器結(jié)構(gòu)。數(shù)值計算表明,中心頻率0.22 THz的近截止型和過模型TE01模過渡器傳輸率均高于99.9％,駐波比小于1.02,數(shù)值計算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。本文提出的過渡器結(jié)構(gòu)在傳輸率、帶寬和緊湊性方面,相比三角函數(shù)型和線性過渡器有明顯的優(yōu)勢。
　　4.

6、對一種基于頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS)的四裂縫互補結(jié)構(gòu)電感電容諧振(four-split complementary electric-LC,FCELC)帶通濾波器提出改進型結(jié)構(gòu)。實驗果表明,中心頻率0.281 THz寬帶濾波器和中心頻率0.315 THz窄帶濾波器的3dB相對帶寬分別為26.7％和7.6％,插損分別為2.6 dB和1.9 dB,帶外抑制分別超過30 dB和40 dB,實