慢波结构的设计及其微波特性研究

兰州大学硕士学位论文慢波结构的设计及其微波特性研究姓名：吴节险申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：杨建红20060601慢波结构的设计及其微波特性研究作者：吴节险学位授予单位：兰州大学相似文献(10条)1.学位论文杨德欣W波段新型慢波结构的研究2007微型真空电子器件近期得到了蓬勃的发展，这种器件的小型互作用电路的研发也取得了令人瞩目的成果，已经成为当前真空电子学领域的研究热点。微型真空电子器件充分结合了微波真空电子器件的工作原理和微细加工的特点，既适合高频、大功率应用，能够适应宽广的温度范围和强辐射环境，又实现了微细加工技术高精度、低成本、高可重复性等优势，满足高频器件对加工十分苛刻的要求。折叠波导慢波结构是一种全金属结构，在高频应用中具有大功率、宽频带的特性；矩形栅波导慢波结构在微波及毫米波技术中有广泛的应用，尤其是它作为一种经典的慢波结构被大量的微波电子系统所采用，例如返波振荡器和行波管等等。而他最吸引人的优点是栅结构在小尺寸、短波长情况下的可量测性。与微机电系统技术(MEMS)的兼容可以使上述两种慢波结构实现可靠、精确、高重复性的加工工艺。目前应用最新的微加工技术，新型微真空电子器件作为毫米波或者太赫兹源的小型电路的精密制造已经成为真空微电子学中重要的研究领域之一，微型折叠波导行波管可以作为一种毫米波、甚至亚毫米波小型辐射源[35][36]。矩形栅慢波结构作为一种带状电子束行波管的慢波结构正成为现今研究的热点[10][32][34][38]。针对军事电子装备、雷达系统、通讯等应用的需求，W波段新型慢波结构的研究对于该波段的这种新型器件的开拓有重要作用。本文以W波段折叠波导慢波结构和矩形栅波导慢波结构为研究对象。研究的目的是为利用微细加工技术制造微型折叠波导行波管或者利用矩形栅慢波结构为高频系统的带状束行波管奠定理论基础和参考价值。本文首先对W波段折叠波导慢波结构和矩形栅慢波结构高频特性进行理论分析。通过MAFIA对两种慢波结构的高频特性进行模拟计算，并将模拟值跟理论值进行对比。从而验证计算机模拟计算方法的正确性，有效的利用电磁仿真软件对慢波结构进行模拟设计。在折叠波导慢波结构高频特性研究的基础上，进而确定在W波段折叠波导行波管注-波互作用的参数。最后对带状束行波管的输能装置进行仿真设计。为带状束行波管的初期测试和制造提供有意义的参考。2.期刊论文董水金.佘守宪非线性波导耦合器开关特性的计算机模拟-四川大学学报（自然科学版）2004,41(6)用MATLAB软件模拟了二阶和三阶非线性二波导耦合器的开关特性,列出了相关源程序,并比较了两者的开关特性,可为设计波导耦合器光开关提供一种实用的研究手段.3.学位论文李大治毫米波段自由电子激光器的研究1999毫米波段自由电子激光器一般简称FEM，是自由电子激光器的一个十分重要的分支。该文对毫米波段自由电子激光器(FEM)及相关技术做了广泛深入的研究。该文通过对毫米波段自由电子激光器的理论和实验研究，取得了一系列具有应用价值的研究成果:1)独立开发了FEM放大器计算机模拟软件，该软件可在微机上运行，具有操作简单、使用方便等特点，能够对相关器件进行辅助设计;2)对3mm波段圆柱波导FEM放大器作了比较详细的数值分析。研究了电子注发射度和空间电荷波的影响，以及直流引导磁场和变参数摇摆器的作用;3)创新性地提出在FEM放大器中使用圆开槽波导结构，并详细地进行了理论和数值分析;4)提出了两种用于新一代雷达的FEM放大器方案，约出了主要参数及性能指标;5)开发了波束分裂模拟程序，可以辅助设计注波分离器、多窗输出器等器件;6)三反射镜谐振腔Smith-PurcellFEM方案取得了重要的实验进展，为发展新型FEM奠定了良好的基础。4.会议论文冯秀琴.陈亚孚三层平板波导中光场能量分布的理论分析1997该文从光流线量子力学的理论出发，利用三层平板波导（突变波导、渐变波导）中光流线的传输模式，进一步分析三层平板波导中光场的能量分布，并验证光场中能量分布遵从能量守恒定律。5.学位论文陈昌华MOPA器件的理论研究与可视化设计和模拟1997半导体主振功放(MOPA)是一种新型单模大功率光源,在广泛的应用前景.该文围绕MOPA进行了一些理论研究和计算机辅助设计与模拟的探讨,取得了一些有意义的结果.提出了复打靶法以求复折射率波导本征值.利用复打靶法,研究了缓变和非平面波导对光放大器模式增益差的影响,结果表明缓变波导增大了光放大器的偏振灵敏度,而非平面波导则可以降低放大器的偏振灵敏度,在一定条件下能完全消除偏振的影响.在考虑了端面反射率和ASE效应的影响后,研究人员建立了锥形激光功率放大器的Rigrod模型.结果表明:由于光束扩展,锥形激光功率放大器的ASE振荡阈值提高,放大器可在更高的注入电流下保持放大状态,其增益要比同样条件下普通激光功率放大器的高,端面反射率对锥形激光功率放大器的增益G和信噪比S/N的影响减弱,提高入射激光功率密度是抑制锥形激光功率放大器ASE的最有效的方法.修正了DFB和DBR激光器的耦合波方程,使它能同时包含缓变波导、复折射率波导的影响以及高阶分波包括辐射分波的耦合效应,得到了各个耦合系数新的表达,定义了等效耦合系数和自耦合系数.提出了半导体电子器件可视化模拟和CAD思想,基于该思想开发了可视化模拟软件SOEDS.6.学位论文张汛基于双模波导中光场横向模式的量子纠缠的经典模拟2006量子纠缠是量子力学中最基本也是最独特的性质之一，由于它是实现量子计算和量子隐形传态的关键，在国际上得到了广泛关注和深入研究。本文首先介绍了以量子计算为代表的量子信息学，量子纠缠的基本性质以及量子纠缠在量子信息学中的重要性。然后介绍了一种基于双模波导中光场横向模式的量子计算方案，该方案将波导中光场的横向模式编码为量子比特，并基于非线性光学实现了控制非门。在此基础上，本文提出了一种利用光场横向模式实现量子纠缠的经典模拟的思想，利用控制非门或线性光学器件实现的模式纠缠态作为量子纠缠态的经典模拟，并对这种模式纠缠态的性质进行了研究。这篇论文主要的工作如下：首先，利用有限差分光束传播方法(FD-BPM)对基于非线性光学实现模式纠缠态的方案进行计算机模拟，通过基于Bell不等式的相关测量，得到模式纠缠态中两个场的相关函数，这个相关函数能够对Bell不等式产生破坏，证明模式纠缠态中的两个光场之间存在一种非局域的关联，可以作为量子纠缠态的经典模拟。进一步，本文建立了一个由随机相位差标定的系综模型来对模式纠缠态进行描述。然后本文提出一种全新的基于线性光学的方案来实现两个光场的模式纠缠态。对这个方案进行的计算机模拟结果表明，这种模式纠缠态可以产生和量子纠缠态完全类似的相关函数，同样能够对Bell不等式产生破坏。这种方案更清晰地说明随机相位系综能够对模式纠缠态所显示的非局域性质进行准确的刻画，非局域性质很有可能就来源于这种随机相位机制。接下来对线性光学方案进行推广，利用三个光场实现三粒子GHZ态的经典模拟。由GHZ定理可知，三粒子的完全关联可以给出量子纠缠存在的非统计判据，这种判据比基于统计性质的Bell不等式更为可靠。进一步的计算机模拟结果显示三个经典光场实现的模式纠缠态的相关函数与量子GHZ态完全类似，并且得到了模式纠缠态中非局域关联的非统计判据。这进一步证明了利用波导中横向模式来实现量子纠缠的可行性。本文提出的实现量子纠缠的经典模拟方案在现有的实验条件下是完全可以实现的，因此我们进行了一些实验方面的工作，为进一步的实验验证作准备。文章的结尾给出了讨论和总结。7.会议论文张凤志.邴伟华ＭＭＩＣ中开、短路共面波导结构的电磁分析——时域有限差分（ＦＤＲＤ）方法19948.学位论文于海波应用于真空电子管的矩形栅慢波结构冷特性的数值模拟2007真空电子管作为大功率和高频率韵电子器件，在雷达、电子对抗和通信等方面获得了广泛的应用。行波管是真空电子管的一大家族，慢波结构是行波管的重要组成部分之一，是传输电磁波并使电磁波与电子注发生相互作用的部件。慢波结构有螺旋线、耦合腔、梯形线、折叠波导、矩形栅等多种结构形式。随着雷达和通信系统工作频率的提高，微细加工技术的发展为微波管的小型化和微型化提供了广阔的前景。矩形栅慢波结构是一种全金属全封闭的慢波结构，这种慢波结构制造工艺相对简单、成本低，适合大规模生产，对于实际应用具有重要的意义。随着计算机软件技术的发展和计算机速度的提升，计算机模拟仿真技术在微波管设计中得到广泛的应用，世界上许多国家都积极发展计算机辅助设计技术，利用电子计算机来精确模拟微波管中电子与高频场的相互作用，与必要的实验相结合，可节省大量的设计时间，缩短研发周期。本文文采用理论分析与计算机模拟相结合的方法，研究了矩形栅慢波结构的色散和耦合阻抗，以及折叠波导慢波结构损耗特性。1.根据改进的单模近似理论，研究了应用于微波管的矩形栅慢波结构的工作原理及电磁波在其中传播的特性，如色散特性和耦合阻抗等，分析总结出相关的理论公式。论文系统总结了折叠波导慢波结构色散和耦合阻抗的理论公式，以及其衰减特性的近似理论公式。2.利用大型电磁场软件MAFIA和MWS对双面矩形栅慢波结构的特性进行模拟，利用周期性边界条件对单个周期进行研究，分析其场分布特性，计算了单个周期相移与谐振频率的关系，利用MATLAB编制程序并绘出色散特性的模拟曲线。通过曲线可以看出，双面矩形栅慢波结构对电磁波相速的降低作用并不很强，慢波比v/c的数值在0.5以上。3.探讨了用MAFIA计算双面矩形栅慢波结构耦合阻抗的方法，利用MATLAB编制程序并绘出了耦合阻抗曲线。通过曲线可以看出，双面矩形栅慢波结构在频率为112-124GHz之间的耦合阻抗数值为0-40Ω。分析了双面矩形栅慢波结构的栅高度、周期长度、栅间距以及单叶面到z轴的距离对其色散特性和耦合阻抗的影响，上下叶面错位对色散及耦合阻抗的影响。结果表明：增大槽深和周期长度，系统通带变窄，耦合阻抗增大；周期长度不变，改变栅间距对冷特性影响不大；增大叶面间距，系统通带变宽，耦合阻抗减小；上下叶面沿轴有半个周期的错位时，系统的冷特性基本不变。对折叠波导慢波结构的损耗特性进行了近似理论分析，数值计算了折叠波导慢波结构中心工作频率附近不同频率点的功率损耗值，得到的结果与理论分析一致。分析了折叠波导慢波结构波导窄边尺寸及制管材料对其损耗的影响。结果表明：随着金属电导率的增大，衰减常数减小；随着波导窄边尺寸的增大，衰减常数也呈减小趋势。本文所用到的计算机模拟方法可以应用于其它的慢波结构中，数值模拟结果对于大功率的短毫米波源和太赫兹真空器件理论分析有一定参考价值，对实际制管工作有一定指导意义。9.学位论文周华霞三叶草慢波结构的特性分析及仿真2006三叶草慢波结构是一种高耦合阻抗的耦合腔慢波线。耦合腔慢波结构尺寸大，散热性能好，也可以在高电压下工作，能够得到很高的平均功率、脉冲功率输出，目前被广泛应用于大功率行波管。在国内，三叶草慢波结构被首次应用于行波速调管的输出段。本论文对三叶草慢波结构行进了特性分析。该结构是一段周期性加载的圆波导传输线，第一通带为腔体通带，具有正色散前向基波，而且，与常用的耦合腔慢波结构相比，具有更高的耦合阻抗。以一具体的三叶草结构工程设计为例，分别介绍了各部分的设计原理及尺寸。由于三叶草慢波回路腔体结构的复杂性，很难由场论分析法直接计算得到其高频特性，更难以定量地解决该系统的设计计算问题。利用软件模拟耦合腔慢波结构，计算得到慢波特性数据的方法，避免了解析模型中的假设条件，提高了求解精度，节省了加工和测量所花费的人力、时间和费用。本论文运用Isfel3d、Mafia、HFSS等软件对三叶草慢波回路的高频特性进行模拟。对色散特性的模拟，采用测试不同相移角度对应着相应谐振频率的谐振法，对耦合阻抗的模拟采用于腔体中置入微扰棒后得到微扰频率变化值的微扰法。且对相应结构进行了实验测试，将模拟结果与实验测试值相比较，色散特性的平均误差小于0.03﹪，耦合阻抗的平均误差小于8﹪，说明用计算机模拟对其进