[论文解读] Electrodynamical properties of a "grid" volume resonator for travelling wave tube and backward wave oscillator

V.G. Baryshevsky, A. A. Gurinovich|ArXiv.org|Sep 21, 2004

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用 4

一句话总结

本论文研究了由矩形波导中金属丝组成的'网格'体谐振器的电磁动力学特性，证明此类结构可通过类似于X射线动态衍射中Bormann效应的衍射效应，实现电磁波的异常透射。研究表明，由于周期性散射导致的偏振依赖波传播和模式甄别，可在行波管和返波振荡器中实现高效相互作用，提升功率处理能力并降低电子束导引约束。

ABSTRACT

The electrodynamical properties of a volume resonator formed by a perodic structure built from the metallic threads inside a rectangular waveguide ("grid" volume resonator) is considered for travelling wave tube and backward wave oscillator operation. Peculiarities of passing of electromagnetic waves with different polarizations through such volume resonator are discussed.

研究动机与目标

• 分析在毫米波和亚毫米波应用中，由矩形波导内周期性金属丝构成的体谐振器的电磁动力学行为。
• 解决传统慢波结构的局限性，如严格的电子束导引要求以及因横向尺寸限制导致的低功率处理能力。
• 探讨金属丝阵列中的衍射光栅效应如何实现体分布式相互作用，提升行波管和返波振荡器的效率和功率容量。
• 研究在Bragg类衍射条件下，谐振器中的偏振依赖透射和模式甄别特性。
• 建立基于波导本征模展开和等效折射率建模的理论框架，用于描述此类周期性金属结构中的波传播与散射。

提出的方法

• 使用贝塞尔函数和散射场的积分表示，对单个金属圆柱体的电磁波散射进行建模。
• 通过在横向位置上求和，将单圆柱解推广至周期性圆柱体阵列，并推导整个结构的等效折射率。
• 从散射振幅A₀推导复折射率n = n' + in''，包含x和y方向周期性引起的相位延迟和衰减效应。
• 采用慢变振幅法，推导波导中模式振幅的耦合波方程，考虑光栅引起的色散和耦合效应。
• 在波导本征模Yλmn上展开电场，推导模式振幅Cλmn(z,t)的耦合微分方程组，通过磁化率张量χ引入非局域和色散效应。
• 将该理论框架应用于分析光栅旋转和Bragg条件接近时的模式混合，实现对谐振器中耦合波相互作用的描述。

实验结果

研究问题

• RQ1 在矩形波导中，周期性排列的金属丝阵列是否能支持类似于X射线衍射中Bormann效应的电磁波异常透射？
• RQ2 不同波的偏振态（平行于丝轴与垂直于丝轴）如何影响网格谐振器中的透射和模式耦合？
• RQ3 该体谐振器的有效折射率是多少？其与丝间距、半径和频率的关系如何？
• RQ4 通过多波Bragg衍射，可在多大程度上实现谐振器中的模式甄别？这对器件效率有何影响？
• RQ5 金属丝结构中的色散和非局域效应如何影响不同波导模式之间的耦合以及整体波放大过程？

主要发现

• 网格谐振器的有效折射率被推导为丝间距、半径和频率的复函数，在共振条件下实部超过1，表明相速度异常。
• 当满足衍射条件时，谐振器中可发生异常透射——表现为透射增强和相位突变，类似于X射线晶体学中的Bormann效应。
• 对于横磁（TM）偏振，散射振幅A₀(∥)以贝塞尔函数和诺伊曼函数表示，得到的复折射率依赖于kR与丝半径的乘积。
• 对于横电（TE）偏振，散射振幅A₀(⊥)涉及贝塞尔函数的导数，导致其色散和衰减特性与TM偏振不同。
• 在Bragg条件下，系统支持强模式耦合，光栅旋转可实现不同波导模式的混合，可用于返波振荡器中可调谐放大。
• 理论模型预测，网格谐振器中的体分布式相互作用可实现高功率运行，且电子束导引约束降低，因整个体积均参与波-电子相互作用。