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金属柱平板慢波结构的三维模拟研究

作　者: 侯钧
导　师: 杨梓强
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学
关键词: 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
分类号: TN124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 46次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章引言  8-14
  1.1 背景和研究意义  8-9
  1.2 国内外的研究动态  9-13
  1.3 本论文的主要工作  13-14
第二章正方形排列平板周期结构三维 FDTD 色散特性分析  14-33
  2.1 周期性电磁系统与 Smith-Purcell 超辐射  14-15
  2.2 FDTD 简介  15
  2.3 正方形排列周期结构三维 FDTD 计算模型简介  15-17
  2.4 正方形排列周期结构三维 FDTD 程序介绍  17-29
    2.4.1 Maxwell 旋度方程 FDTD 形式的导出  17-19
    2.4.2 周期性边界和周期性吸收边界的引入  19-23
    2.4.3 网格尺寸和时间步长设置  23-24
    2.4.4 激励源  24-26
    2.4.5 傅里叶变换及色散特性的提取  26-27
    2.4.6 程序可行性证明  27-28
    2.4.7 程序分析流程总结  28-29
  2.5 正方形排列的数值计算结果及分析  29-32
  2.6 本章小结  32-33
第三章正三角排列平板周期结构三维 FDTD 色散特性分析  33-39
  3.1 正三角排列周期结构三维 FDTD 计算模型简介  33-34
  3.2 正三角排列的三维 FDTD 程序介绍  34-36
  3.3 正三角排列的计算结果及分析  36-38
  3.4 本章小结  38-39
第四章 PIC 粒子模拟  39-63
  4.1 PIC 模拟参数的选取  39-42
  4.2 正方形排列模型及计算结果  42-54
    4.2.1 观测方法  42-45
    4.2.2 观测结果  45-54
  4.3 正三角排列模型及计算结果  54-62
  4.4 本章小结  62-63
第五章结论  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
攻硕期间取得的研究成果  68-69

金属柱平板慢波结构的三维模拟研究

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