本文選題：光子帶隙　切入點(diǎn)：模式競(jìng)爭(zhēng)　出處：《華北電力大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在毫米、亞毫米及太赫茲波段的注-波相互作用回旋器件中,采用基模工作的回旋管由于尺寸小加工困難和熱損耗高,往往需要采用過(guò)模結(jié)構(gòu),然而隨之帶來(lái)了更加嚴(yán)重的模式競(jìng)爭(zhēng),光子晶體的出現(xiàn)無(wú)疑是解決這一問(wèn)題的有效途徑。本文在計(jì)算了光子晶體結(jié)構(gòu)的能帶特征和全局帶隙圖的基礎(chǔ)上,針對(duì)光子晶體回旋管的Q值較高和模式潔凈等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,分析總結(jié)了一套比較完善對(duì)特定頻率的光子晶體回旋管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。首先,針對(duì)光子晶體諧振腔Q值較高的問(wèn)題,分別采用加載介質(zhì)柱的混合結(jié)構(gòu)和介質(zhì)微擾兩種方法對(duì)其進(jìn)行有效的控制,并分析了兩種方法對(duì)光子晶體諧振腔模式選擇性的影響。結(jié)果表明,兩種方法都能在不改變諧振腔的頻率選擇性和場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上有效降低Q值,而介質(zhì)微擾的方法還同時(shí)清除了與TE04模競(jìng)爭(zhēng)的兩種雜模,提高了模式選擇性。然后,針對(duì)PBG諧振腔中仍存在模式競(jìng)爭(zhēng)且晶格尺寸仍然較小的問(wèn)題,以TE04模為例,通過(guò)對(duì)工作點(diǎn)的位置和電子注入?yún)?shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),將TE04模光子晶體諧振腔中的競(jìng)爭(zhēng)模式全部清除,使諧振腔在整個(gè)工作頻段達(dá)到單模工作,并且增加了晶格常數(shù)和金屬柱半徑,使之能夠承受更大的熱損耗,有助于提高諧振腔的功率容量。最后,通過(guò)進(jìn)一步研究TE模式的全局帶隙圖和模式分布特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)在高階帶隙內(nèi),光子晶體結(jié)構(gòu)雖然能抑制競(jìng)爭(zhēng)模式,但諧振腔未達(dá)到單模工作狀態(tài)。通過(guò)對(duì)光子晶體回旋管的電子注參數(shù)進(jìn)行注-波非線性理論的數(shù)值模擬研究,使270GHz三次諧波類TE15�；匦苓_(dá)到單模運(yùn)行,有效的抑制了模式競(jìng)爭(zhēng)。理論上的獲得了43kW的輸出功率和約為14.3%的注-波互作用效率。
[Abstract]:In millimeter, submillimeter and terahertz waveband beam-wave interaction gyrotron, the gyrotron operating in the base mode is often required to adopt the over-mode structure because of the difficulty of small size machining and the high heat loss. However, the emergence of photonic crystals is undoubtedly an effective way to solve this problem. In this paper, the band characteristics of photonic crystal structures and the global band gap diagram are calculated. Aiming at the problems of high Q value and mode cleanliness of photonic crystal gyrotron, a set of optimized design scheme for photonic crystal gyrotron with specific frequency is analyzed and summarized. Aiming at the problem of high Q value of photonic crystal resonator, the mixed structure of loaded dielectric column and the dielectric perturbation method are used to control it effectively. The effects of two methods on the mode selectivity of photonic crystal resonators are analyzed. The results show that both methods can effectively reduce the Q value without changing the frequency selectivity and field distribution of the resonators. The dielectric perturbation method also eliminates two kinds of heteromode competing with TE04 mode and improves mode selectivity. Then, for the problem that mode competition still exists in the PBG resonator and the lattice size is still small, the TE04 mode is taken as an example. By optimizing the position of the working point and the parameters of the electron injection, the competition mode of the TE04 mode photonic crystal resonator is eliminated, which makes the resonator work in a single mode in the whole operating frequency band, and increases the lattice constant and the radius of the metal column. It is helpful to increase the power capacity of the resonator. Finally, by studying the global bandgap diagram of te mode and the characteristics of mode distribution, it is found that in the high-order bandgap, Although the photonic crystal structure can suppress the competitive mode, the resonator does not reach the single-mode working state. The beam parameters of the photonic crystal gyrotron are numerically simulated by the beam-wave nonlinear theory. The 270GHz third-harmonic TE15 mode gyrotron is operated in a single mode, which effectively suppresses the mode competition. The output power of 43kW and the beam-wave interaction efficiency of about 14.3% are obtained theoretically.
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN12

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