基于圓柱二維周期表面晶格結(jié)構(gòu)微波源的研究.pdf

1、隨著高功率微波技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用需求的提高，提高器件工作頻率和功率容量是高功率微波源技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)。對(duì)于高頻段器件，其橫向尺寸相對(duì)較小，這嚴(yán)重制約了微波源功率容量的提高。一種有效的解決辦法就是增加器件的橫向尺寸和使用大直徑環(huán)形電子束。然而，這種過(guò)模結(jié)構(gòu)的微波源常面臨模式競(jìng)爭(zhēng)，輸出頻譜復(fù)雜等問(wèn)題。因此研究微波源在高頻率、高功率容量的條件下，保持模式選擇能力的方法，成為近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)。二維周期表面晶格結(jié)構(gòu)是一種在過(guò)模條件下保持模式選

2、擇能力的新型結(jié)構(gòu)，具有高功率容量的潛力。國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了一些基于圓柱二維周期表面晶格結(jié)構(gòu)的微波源的初步的理論和仿真研究。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)基于圓柱二維周期表面晶格結(jié)構(gòu)的微波源開(kāi)展了進(jìn)一步的探索和研究。
　　論文首先開(kāi)展了相關(guān)理論研究。建立了圓柱二維周期表面晶格結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了基于電介質(zhì)圓柱波導(dǎo)模型的相關(guān)理論表達(dá)式。主要結(jié)論有：本征模式中的耦合條件為 Bragg條件；電介質(zhì)圓柱波導(dǎo)模型的參數(shù)與工作頻率、晶格參數(shù)有關(guān)；根據(jù)電壓可以

3、將器件分為高、低電壓工作狀態(tài)，并且不同的工作狀態(tài)需要和器件的幾何結(jié)構(gòu)相匹配。
　　其次，研究了該結(jié)構(gòu)的高頻特性。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)內(nèi)本征模式為體積波TM0l和表面波HE7n的疊加；隨著本征頻率增加，體積波和表面波的徑向周期數(shù)增加，角向周期數(shù)保持不變，并且本征模式中的體積波為接近截止的體積波；該結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為電介質(zhì)圓柱波導(dǎo)模型來(lái)研究；晶格上分布有表面電流，表面波和體積波通過(guò)表面電流發(fā)生了耦合，這種耦合成為該結(jié)構(gòu)在較大過(guò)模比時(shí)保持模式選

4、擇能力的原因。
　　最后，采用VSim軟件進(jìn)行了三維粒子模擬。結(jié)果表明，當(dāng)輸入電壓170kV，電流20A，磁場(chǎng)1.8T，電子束發(fā)射位置距軸線2.0mm時(shí)，得到了50kW，923GHz的微波輸出；電子束的縱向動(dòng)量空間分布比較混亂，但是仍存在著電流調(diào)制現(xiàn)象；電子束在腔體內(nèi)的角向運(yùn)動(dòng)不可忽略；束波同步條件理論推導(dǎo)結(jié)果和粒子模擬結(jié)果相差較大，但仍能夠揭示器件的工作規(guī)律；通過(guò)研究電壓、磁場(chǎng)、電子發(fā)射位置對(duì)微波輸出的影響可以為器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化提