金属柱平板慢波结构的三维模拟研究

作     者：侯钧 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨梓强

授予年度：2009年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：金属柱平板慢波结构 色散特性 三维FDTD算法 周期性PML层 PIC粒子模拟 

摘      要：真空电子学太赫兹(THz)辐射源,由于具有较高的功率,所以在军事和民用领域都有广泛的应用。 真空电子学辐射源中慢波结构的特性在很大程度上决定了器件的性能。为了提高真空电子学辐射源工作的频率、效率和功率,本文对新型金属柱光子晶体慢波结构的性能进行了研究。采用三维FDTD方法研究了正方形和正三角两种排列的金属柱平板慢波系统的色散特性;在此基础上,利用PIC模拟软件对两种慢波系统中注波互作用的物理过程和太赫兹波的辐射机理进行了研究。 论文首先推导了正方形排列的金属柱平板周期结构的三维FDTD差分方程,引入周期性边界条件并运用了三维周期性PML层,以便能够模拟无限长周期性的自由空间,运用三维FDTD法计算了它的色散曲线,分析了金属柱的高度、周期长度等参量对色散特性的影响,结果表明这种结构的色散曲线均与传统慢波结构的色散曲线极为相似。研究了将金属柱由正方形排列变为正三角形排列的情况,计算过程中,对传统Yee网格经行了切割,以适应按60°倾斜的周期边界,从而避免运用复杂的非正交网格。色散特性的计算结果表明,该结构的频率略高于正方形排列。论文最后运用PIC粒子模拟程序分别对正方形和正三角排列的金属柱平板周期结构分别进行了粒子模拟,研究了它们在三维空间内的Smith-Purcell辐射特性。观测结果表明,这两种结构的表面波特性都与传统慢波结构相似,另外,在工作过程中观测到了正方形排列周期结构的Smith-Purcell超辐射现象,发生在与表面波频率相对应的三次谐波和四次谐波上,并且四次谐波的辐射的强度大于三次谐波。