THz高阶模同轴布喇格结构带隙重叠现象的抑制Word文档下载推荐.docx
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2016年5月10日
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年月日
摘要
高功率毫米亚毫米波源，在雷达、等离子体加热、高能加速器、通信等方面有着重要的应用前景，一直以来受到各国的重视。
而高功率毫米波器件是高功率微波技术的一个重要方向，布喇格反射器（Braggreflector）是其中的一个重要分支，是目前国内外研究的热点。
在过去几年里，布喇格反射器一直被广泛应用在微波领域和光学元器件中，尤其是在模式耦合，回旋自谐振脉塞，和工作在毫米以及亚毫米波范围内的自由电子激光方面的应用。
在早期的工作中，大量的理论和实验研究都是针对圆柱或者平面布喇格结构，在这些结构中我们只能对一个导体或者介质提供周期性的扰动。
最近，由于在提高高功率自由电子器件中表现出很多独特的优越性，使得基于同轴波导的布喇格结构吸引了越来越多的关注。
本论文对内外导体单独或者同时开槽的正弦波纹同轴布喇格结构的特性，进行了较为全面的研究。
通过耦合模理论的方法通过Fortan软件实现对同轴布喇格带隙重叠现象的抑制研究，研究表明提出通过设置内外导体波纹的坡度方式和坡度角来对带隙的重叠进行有效地抑制。
进一步研究了在波纹幅度引入汉明窗分布后同轴布喇格结构的多波耦合时的带隙特性，提出了对同轴布喇格结构内外导体开槽幅度同时引入汉明窗分布来消除残留旁瓣的混叠。
【关键词】同轴布喇格结构，耦合模理论，带隙重叠，窗函数，残余旁瓣
Effectofrippletaperonband-gapoverlapinacoaxialbraggstructureoperatingatterahertzfrequency
Abstract
High-powerradiationsourcesinmillimeterandsub-millimeterwaveshaveagreatprospectofapplicationstoradar,plasmaheating,high-gradientlinearcolliders,andcommunications,andtherefore,attractmoreandmoreattentioninmanycountries.Microwavedevicesplayanimportantroleinhigh-powermicrowavetechnology.Andasoneofmicrowavedevices,Braggreflectorisfocusedbyresearchersintheworld.Inthepastyears,theBraggresonatorshavebeenwidelyemployedinmanymicrowaveandopticaldevices.Especially,itisthemostsuitablecavityforover-mode,high-powercyclotronauto-resonancemaser（CARM）andfree-electronlaser（FEL）inmillimeterandsub-millimeterwaveranges.
Inpreviousworks,extensivetheoreticalandexperimentalstudieshavebeendevotedtotheconventionalcylindricalandplanarBraggstructures,whereonlyoneconductorordielectricisprovidedperiodicperturbations.Recently,growingattentionhasbeenpaidtothecoaxialBraggstructuresrealizedbycoaxialmetallicwaveguidesduetotheirsattractivemeritsinimprovingtheperformanceofhigh-powerfree-electrondevice.comprehensiveinvestigationispresentedinthisdissertationtodemonstratethepeculiaritiesofthecoaxialBraggstructurewitheitheroneorbothoftheconductorssinusoidallycorrugated.Furthermore,band-gapspeculiaritiesoftheovermodedcoaxialBraggstructurewithHamming-windowdistributioncorrugationsareinvestigatedintermsofmultiwavecoupledtreatment,wheretheresultsrevealthattheresidualside-lobesinteractionoftheinvolvedmodescanbeentirelyeliminatedbyapplyingHamming-windowdistributiontoboththeouter-conductorandinner-rodcorrugations.
【KeyWords】coaxialBraggstructure,coupledformulation,band-gapoverlap,windowingfunction,residualside-lobes
目录
1绪论1
1.1研究背景1
1.2国内外研究动态1
1.3论文的研究内容和意义2
2正弦波纹同轴布喇格结构多模耦合理论4
2.1引言4
2.2多波耦合理论分析模4
3带隙重叠现象的研究6
3.1过模工作导致的带隙重叠现象6
3.2相位差对带隙重叠现象的抑制7
4坡度对带隙重叠现象的抑制10
4.1坡度开槽同轴布喇格结构的引入10
4.2坡度对同轴布喇格结构频率响应的影响11
5窗函数消除残余旁瓣14
5.1窗函数14
5.1.1汉宁（Hanning）窗14
5.1.2汉明（Hamming）窗15
5.1.3布拉克曼（Blackman）窗15
5.2加窗技术抑制残余旁瓣16
6结论19
参考文献20
致谢21
附录21
1绪论
1.1研究背景
高功率微波（HighPowerMicrowave,HPM）[1]是20世纪70年代以来随着脉冲功率技术的发展而产生的一门新兴学科，是脉冲功率技术与等离子体物理学及电真空技术相结合的产物，它的崛起是近代微波理论和技术的迅速发展而推动起来的。
由于高功率微波研究使高功率和高能量电磁辐射的产生成为可能，近几年来，高功率微波已形成一门新技术，它既有一些新的应用，又能对现实的某些应用提供创新的方法。
它包括高功率微波电磁脉冲产生技术、相对论强流电子束产生与维持技术、HPM元器件技术、HPM定向发射和传输技术以及HPM应用技术等领域。
它极大地促进了高功率雷达、超级干扰机、等离子物理和HPM武器等的发展。
在实际应用需求的驱动下，更高功率、更高能量、更高频率及带宽微波源的研究和发展引起了国内外学者的极大兴趣，是目前国际上一个相当活跃的研究领域。
作为高功率微波源家族中的一员，自由电子激光和相对论CHERENKOV器件是最有前途的高功率微波器件之一，至今为止，人们对这类器件的研究兴趣正与日俱增。
布喇格反射器作为高功率微波器件的一种，也成为了国内外研究的热门[2]，布喇格反射器是一种典型的光子晶体结构，能够在一定频率范围内产生“光子禁带”，使落在“光子禁带”的电磁波全部得到反射。
布喇格结构最基本的特征就是具有电磁禁带。
对于给定的模式，存在着一系列的布喇格频率使得该模式的正反两个方向传播的波严格地满足布喇格条件。
在以这些布喇格频率作为中心频率的一定频率范围内，由于同相相干的相位匹配条件大致能够满足，正向波在这个频段会产生极大的反射而使传播受到抑制，这样就相当于在频谱上形成一段电磁波禁止传播的区域，即所谓的电磁禁带（Electromagneticstopband）或电磁带隙（Electromagneticbandgap）。
利用这种在频谱上形成的带隙特性，布喇格结构在其禁带可形成一个频率选择性的反射面起到反射器和滤波器的作用，而在其禁带两边的通带上则可形成一系列通带本征模起到传输型谐振腔的作用。
1.2国内外研究动态
高功率微波技术经过了几十年的发展，已逐渐走向成熟，其研究焦点已经相对稳定的集中在几个有限的高功率微波源上。
高功率微波源的研究工作除了向更高功率发展以外，最主要的还是向小型化，灵巧化，频率可调的可重复运行的高功率微波源发展。
除此之外，研制紧凑型的长脉冲高功率微波源是各国科学家追求的另一个目标。
虽然在研究过程中遇到了许多问题，而且这些问题制约着高功率微波源的发展，但是我们相信，因其潜在的军事应用前景和工业应用前景，在不远的将来这些问题会得到进一步解决，使高功率微波技术得到长足发展，成为21世纪人类科学技术进步的重要标志之一。
布喇格结构的带隙特性使其在光电子以及微波电子器件中得到了广泛的应用。
早在上个世纪七十年代，布喇格结构在集成光学的应用就得到了迅猛发展。
到目前为止，布喇格结构在光电子学的应用可以说几乎涉及光发射、光放大、光滤波、光交换、光接受以及色散补偿等各种领域。
在微波电子学领域，早在1968年，Kovalev等人就提出在金属波导内壁刻蚀周期性的螺旋型波纹来实现多模工作情况下的选择性模式转换[3]，这类螺旋波纹波导实际上就是一种二维布喇格结构，即构成媒质沿两个方向（角向与纵向）都具有周期性分布的结构。
在1980年，他们又提议利用这种金属布喇格结构来构建工作于毫米、亚毫米波段开放式谐振腔。
金属布喇格结构在CARM振荡器、自由电子激光振荡器及高功率微波模式转换器中得到广泛应用。
事实上，在诸如CARM振荡器这种高功率真空电子器件中采用布喇格结构其优点是显而易见的：
它不仅可以提供很好的选频、选模特性，而且不影响相对论电子束通过，从而避免了通常激光器采用端面反射镜阻
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