基于PBG结构的微型微波管高频系统研究

微型微波管以其功率高、体积小而成为太赫兹波源研究的热点。但普通微型微波管由于高频结构尺寸小造成电子束流通困难，研究工作受到了严重制约。本课题提出以光子带隙（PBG）结构作为高频系统，利用其选模特性消除模式竞争，可以扩大高频结构尺寸，突破电子束流传输的瓶颈，提高功率容量。. 课题首先研究含电子束通道缺陷的PBG结构电磁特性，以此为基础构建基于PBG的高频系统，研究PBG结构的选模特性，设计可工作于太赫兹波段的PBG大尺寸高频系统，并对所设计结构进行加工、测试。.课题以研究、设计工作在300GHz的行波放大器与返波振荡器所用PBG高频结构为目标，并总结设计与制作的思路、方法和经验，为基于PBG结构的太赫兹微型微波管研制奠定基础。

课题采用数值计算与电磁软件模拟的方法，研究了可应用于行波管的一维、二维光子晶体的带隙结构，特别是对于金属光子晶体，发展了基于有限积分的混合平面波展开法和有限差分法，分析了二维金属电磁带隙结构的电磁传播特性，并且编制了相应的计算代码，可以快速完成任意形状的二维金属阵列电磁传播特性。.采用二维金属电磁带隙结构的分析结果，结合电磁计算软件，初步设计出几种能工作与毫米波波段的新型电磁波源高频结构，包括谐振腔结构与慢波结构，并计算出这课题采用数值计算与电磁软件模拟的方法，研究了可应用于行波管的一维、二维光子晶体的带隙结构，特别是对于金属光子晶体，发展了基于有限积分的混合平面波展开法和有限差分法，分析了二维金属电磁带隙结构的电磁传播特性，并且编制了相应的计算代码，可以快速完成任意形状的二维金属阵列电磁传播特性。.采用二维金属电磁带隙结构的分析结果，结合电磁计算软件，初步设计出几种能工作与毫米波波段的新型电磁波源高频结构，包括谐振腔结构与慢波结构，并计算出这些新型高频结构的电磁传播特性。对设计结果进行了优化。研究了可工作于高次模式的光子晶体速调管谐振腔，研究了光子晶体尺寸与缺陷对谐振频率、品质因子、特性阻抗和场模式的影响，提出了消除残留竞争模式的原理与有效方法。研究了适合于采用微电子加工工艺的二维平面金属光子晶体结构作为行波管慢波线，包括PBG加载的矩形双栅结构与插指线结构。此外,还研究了适用于举行双栅结构的带状电子束流的传输与成型技术。.课题研究了以折叠波导作为慢波结构的毫米波与太赫兹波行波管，制作了工作在8mm波段在2GHz带宽内输出功率大于1000瓦的行波管，达到了国际先进水平，连续在两届国际真空电子学会议上做了口头报告。在深入研究电子束流群聚状态的基础上，提出了基于谐波效应的太赫兹倍频行波管，高次谐波行波管和回声型高次谐波行波管，可在100GHz输入信号下，分别得到700GHz及1THz的高功率信号输出，其中回声型高次谐波行波管可实现在高次模式工作而无模式竞争的风险，以简洁的慢波结构实现了PBG结构所具有的特点。研究成果发表于本领域的顶级刊物上。并申请了发明专利。