光子带隙结构在微真空电子器件中的应用基础的研究

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1、山东大学硕士学位论文光子带隙结构在微真空电子器件中的应用基础研究姓名：刘晓杰申请学位级别：硕士专业：无线电物理指导教师：雷虹20080415原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：刻蕊、如日论文作者签名：芝旦丝：!：!日关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学

2、校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：趱导师签日期：圣!堕：至!!山东大学硕士学位论文摘要微波真空电子器件在国防建设和国民经济中占据重要地位，世界各国相继认识到一个稳健良好的微波真空电子器件研发环境对于全球通讯和本国军事防卫具有十分重要的影响。近年来，微波真空电子器件得到飞速发展。高频率、大功率、小体积是现代微真空电子器件的发展

3、趋势，目前微真空电子器件正逐步朝着毫米波、亚毫米波甚至太赫兹区域扩展。太赫兹频段在生物成像、医疗诊断以及宽带通讯等方面有广阔的应用前景。微真空电子器件在太赫兹领域中可以大有作为，微细加工的返波振荡器、纳米速调管、纳米行波管等器件可以产生更高功率的太赫兹辐射。随着器件工作频率的提升和尺寸的减小，不可避免将产牛功率容量降低、效率下降、脉宽缩短、易电击穿以及工作模式繁杂、模式间竞争激烈等问题，这将大大制约微真空电予器件的发展。光予晶体是近年来出现的一种新型人工材料，将其引入反射速调管、行波管、返波管等器件中，有望使微真空电子器件摆脱在向高频段和

4、小型化进军中所受到的种种限制。本文将一维和二维光予带隙结构应用于高频段谐振腔和慢波系统中，采用理论和数值计算相结合的方法，分析具有光子带隙结构的谐振腔的谐振特性以及具有光子带隙结构的慢波系统的色散关系、耦合阻抗等冷特性。主要内容如下：简介微真空电子器件，论述微真空电子器件的发展方向、面临的困难以及本文的选题背景。概述光子晶体带隙理论，简介两种光子能带数值计算软件。采用平面波展开法，利用德国R-soll公司开发的软件Beam-PROP计算一维共轴环光子晶体、二维正方晶格和三角晶格光了晶体的光子能带。结果表明，对于一维共轴环状光予晶体，适当减

5、小介质环的厚度有利于提高带隙宽度。在相同参数情形下，二维三角晶格光子晶体的带隙明显宽于正方晶格。简介大型电磁分析软件MAFIA和MWS以及仿真的具体方法。采用MWS模拟具有一维光了带隙结构的共轴环光了晶体微腔的谐振特性以及具有一维光山东大学硕士学位论文子带隙结构的慢波系统的冷特性，详细分析了几何参数对此微腔、慢波系统特性的影响。结果表明，微腔中能够维持沿径向限制非常好的TMolo缺陷谐振模式，腔体纵向长度和介质环介电常数对谐振特性影响较大。这种慢波系统带宽较大、色散特性良好，增大电子注开孔半径、减小周期长度对于提高系统的工作频率以及增加带

6、宽颇为有效。构建具有二维光子带隙结构的太赫兹频段谐振腔和慢波系统，利用软件MWS和MAFIA模拟缺陷谐振模式的场分布，计算谐振腔的品质因数、功率损耗以及慢波系统的色散关系和耦合阻抗等特征参量，详细讨论了结构参数对于谐振腔和慢波系统冷特性的影响。数值结果表明，此谐振腔内存在单一、稳定的高阶振荡模式，缺陷横向尺寸越大，模式阶数越高。腔体纵向长度对品质因数的影响最大，例如文中所得到的TM330模式，当腔体纵向长度为lmm时，其品质因数高达12000以上．本文所构建的具有二维光予带隙结构的慢波系统适应于工作在返波状态，工作模式稳定．带宽可达10％

7、以上，慢波比曲线平坦，色散特性非常优良，最高耦合阻抗则可达几十甚至上百欧姆。周期长度越长、电予注开孔半径越小，则耦合阻抗越大、带宽越窄。关键词：微真空电子器件；太赫兹；光子晶体；谐振腔；慢波系统：品质因数；功率损耗；色散关系；耦合阻抗山东大学硕士学位论文ABSTRACTMiCI'o—VSCUtLInelectronicdeviceshavebeenplayingallimportantroleinnationaldefendandcivileconomy．Manycountrieshavebeenconvincedthatasoundre

8、searchofmicro-vacuumelectronicdevicescallbringsignificanceeffectforOobalcommunicationandnational