表面等离子波导及应用

本文在介绍表面等离子波导基本理论的基础上,主要对表面等离子波导的若干应用进行综述, 包括基于表面等离子波导实现的光学和微波频段的慢波效应、类电磁感应透明现象、可调滤波器,以及通过对电磁波绕射而实现的隐身效应等。最后指出该领域存在的问题与挑战, 并对今后的发展趋势进行了展望。分析认为,通过引入增益介质、采用超导材料等方法降低表面等离子波导材料的损耗、减少工艺制作的难度是今后亟待解决的问题。     

各向异性特异材料波导中表面等离子体的共振性质

使用时域有限差分法,研究了各向异性特异材料(AMM)作为包层的AMM/介质/AMM波导中表面等离子体的共振性质.色散关系表明,当特异材料为负磁导率的always-cutoff型时,AMM/介质/AMM波导支持TE极化的表面等离子体,表面等离子体的波长随着中间介质层的厚度和特异材料磁等离子体频率的减小而变短.在有限长度AMM/介质/AMM波导中,由于两端界面的反射,表面等离子体模在波导中形成Fabry-Perot共振,而实现亚波长的表面等离子体微腔.在共振频率,电场强度在微腔的中部达到最大值,而磁场分别在两端界面处达到最大,电磁能强局域在中间介质层中,这一性质将在可调的具有强局域特性的亚波长微腔及腔量子电动力学中具有潜在的应用.     

含等离子体柱的介质慢波波导中的注波互作用分析

提出了一种新的注波互作用慢波系统——在部分填充介质的波导中放置一等离子体柱．利用线性自洽场理论，对这一新慢波系统中的相对论电子注与波的互作用进行了分析．具体针对薄环形相对论电子注包围等离子体柱和在等离子体柱内穿过慢波系统这两种情况，分别导出了决定注波互作用的色散方程．并对色散方程直接进行了数值求解，求得了系统的截止频率、工作频率和波增长率等．讨论了等离子体柱等有关参数对它们的影响． 关键词：     

微波频段表面等离子激元波导滤波器的实验研究

基于理论分析, 实验研究了二维磁单负材料/双正材料/磁单负材料表面等离子波导的滤波效应. 研究表明, 该波导结构具有低通滤波性质, 引入分支缺陷之后, 由于谐振效应该波导具有带阻滤波效应. 分支缺陷相当于亚波长谐振腔, 谐振腔的长度决定带阻滤波器的中心频率, 而中心频率几乎不受缺陷位置的影响; 滤波器透射率下降的幅度由耦合距离决定. 通过引入谐振腔及改变谐振腔的长度、数量以及耦合间距等参数, 可以实现可调节的表面等离子波导滤波器. 实验结果与理论分析符合得很好, 该性质将在可调的单通道或多通道带阻滤波器件中具有潜在的应用价值. 关键词： 表面等离子激元 特异材料波导 谐振腔 滤波器     

环形波导中非传播表面孤波

本文利用多重尺度微扰方法,研究在垂直外加激励下的环形波导中不可压缩流体的无旋运动,计算结果表明,在环的大半径近似下,可以得到流体表面位移满足的非线性Schrodinger方程及其单孤波解,与Wu.Keolian和Rudnick的实验观察符合。 关键词：     

基于传输线的特异材料

特异材料(metamaterials)是指自然界中不存在的具有奇异电磁特性的人工结构,通常指的是介电常数和磁导率同时为负值的左手材料(left\\|handed materials).自从2002年利用传输线制备左手材料的思想被提出后,人们对基于传输线的特异材料进行了大量的研究.文章着重概述了近年来人们所提出的几种典型的传输线特异材料的结构、制备方法、实现左手性的原理以及各自的特点.     

基于传输线的特异材料

特异材料（metamaterials）是指自然界中不存在的具有奇异电磁特性的人工结构，通常指的是介电常数和磁导率同时为负值的左手材料（left-handed materials）。自从2002年利用传输线制备左手材料的思想被提出后，人们对基于传输线的特异材料进行了大量的研究。文章着重概述了近年来人们所提出的几种典型的传输线特异材料的结构、制备方法、实现左手性的原理以及各自的特点。     

锥形慢波结构波导谐振腔微波发生器

 利用二维半的PIC等离子体物理程序设计了一种新的结构简单、体积小、重量轻、频率稳定的高功率、高效率的微波器件。此器件采用了锥形慢波结构波导谐振腔,不用外加引导磁场。微波频率可以设计为f=1.6 ~12GHz,功率P_out可达GW。     

锥形慢波结构波导谐振腔微波发生器

利用二维半的PIC等离子体物理程序设计了一种新的结构简单、体积小、重量轻、频率稳定的高功率、高效率的微波器件。此器件采用了锥形慢波结构波导谐振腔,不用外加引导磁场。微波频率可以设计为f=1.6 ~12GHz,功率Pout可达GW。     

电磁波在波导中传播的一般讨论

电磁波在矩形波导中的传播问题在许多文献中都作了较详细的分析，本文着重讨论电磁波在平行双线、同轴电缆、三角形和圆形截面的空心波导中传播的波型和截止频率等问题。     

等离子体部分填充的波纹慢波结构中电磁波色散特性

对有限厚环形等离子体层填充的波纹慢波结构中电磁波色散特性进行了分析。研究结果表明,对于ω＞ωp的高频TM0n模,模式色散曲线随等离子体密度的增加而上移;ω≤ωp的低频等离子体模为一系列呈周期变化的密度谱,部分模式能与电子注发生较强的同步互作用。等离子体模的时间增长率随等离子体密度的增加快速增加,而TM0n模则快速减小或缓慢增加,因此在较高的等离子体密度下,高频模式可能被抑制。     

毫米波折叠波导行波管输入输出过渡波导设计

折叠波导以其宽频带、加工方便而成为一类重要的毫米波与太赫兹波段行波管慢波线。针对折叠波导慢波系统与标准波导的匹配过渡连接,通过等效电路分析与电磁计算软件模拟,设计出了直渐变波导、双曲圆弧渐变波导、切比雪夫阶梯渐变波导3种输入输出过渡波导结构,分析了各种过渡波导的优缺点及结构尺寸对性能的影响。计算表明,经过合理优化的设计,3种过渡结构均可以使反射系数在28~40 GHz波段小于0.05。     

毫米波折叠波导行波管输入输出过渡波导设计

折叠波导以其宽频带、加工方便而成为一类重要的毫米波与太赫兹波段行波管慢波线。针对折叠波导慢波系统与标准波导的匹配过渡连接,通过等效电路分析与电磁计算软件模拟,设计出了直渐变波导、双曲圆弧渐变波导、切比雪夫阶梯渐变波导3种输入输出过渡波导结构,分析了各种过渡波导的优缺点及结构尺寸对性能的影响。计算表明,经过合理优化的设计,3种过渡结构均可以使反射系数在28～40 GHz波段小于0.05。     

慢波结构爆炸发射对高功率太赫兹表面波振荡器的影响

随着真空电子学器件的工作频率达到太赫兹波段, 表面波振荡器的横截面尺寸变小, 慢波结构的加工精度难以得到保证, 同时由于表面波振荡器的电磁场集中在慢波结构表面, 在高电压工作情况下, 太赫兹波段的表面波振荡器慢波结构爆炸发射电子会影响器件的工作特性. 本文分析了高电压工作情况下0.14 THz表面波振荡器慢波结构中电场的分布特性, 研究表明, 在慢波结构区域沿着轴线方向上存在电场幅度的包络分布, 在慢波结构中心位置处靠近慢波结构内半径处电场的幅度最大, 最易爆炸发射产生电子, 采用粒子模拟软件UNIPIC模拟了慢波结构处爆炸发射的电子对器件工作特性的影响, 同时考虑了电子回流所产生的二次电子倍增效应, 数值模拟结果表明, 慢波结构电子产生会导致器件的输出功率下降, 从数十兆瓦下降到兆瓦量级.     

同轴膜片加载圆波导相对论行波管注-波互作用线性理论研究

从改善圆盘加载波导作为相对论行波管慢波结构的特性入手,加入同轴内导体,着重研究其小信号理论。利用场匹配法导出了“热”色散方程并计算求解,具体分析了系统的电子注参量及慢波结构几何尺寸对小信号增益及慢波相速的影响,为同轴圆盘加载相对论行波管的设计提供了理论基础。     

矩形波导栅慢波系统的实验研究

 从实验上研究了矩形波导栅慢波系统的色散特性及其耦合装置的驻波系数,用分布加工的方法分别制作了矩形、燕尾形、梯形3种不同槽形的矩形波导栅慢波结构模型和带输入输出结构的矩形波导栅慢波结构实体模型。采用谐振法测量它们的色散特性和驻波系数,实验结果与理论计算值和模拟值吻合良好。     

圆棒介质波导的电磁波传播特性

通过简单的数学分析,推导圆棒介质波导的导模传播条件及特征方程,讨论电磁波在圆棒介质波导中的传播特性。     

650 GHz正弦波导返波管的模拟计算

提出了一种利用正弦波导慢波结构设计的太赫兹频段大功率返波管的新方案。3维粒子模拟研究结果显示:在20 kV的工作电压和5 mA的驱动电流下,该返波管在645.9 GHz频率处将具有1.55 W的峰值功率输出,互作用效率为1.55%,频谱纯净,输出模式为TE10模。通过在15～25 kV之间进行电压调谐,可获得80 GHz的调谐带宽,且峰值输出功率都在1 W以上。     

650 GHz正弦波导返波管的模拟计算

提出了一种利用正弦波导慢波结构设计的太赫兹频段大功率返波管的新方案。3维粒子模拟研究结果显示:在20 kV的工作电压和5 mA的驱动电流下,该返波管在645.9 GHz频率处将具有1.55 W的峰值功率输出,互作用效率为1.55%,频谱纯净,输出模式为TE10模。通过在15～25 kV之间进行电压调谐,可获得80 GHz的调谐带宽,且峰值输出功率都在1 W以上。