太赫茲回旋行波管輸入耦合器仿真設(shè)計(jì)

曾志川，龍虹君，田旭峰，劉 佳，馬文桂，周 靜

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

太赫茲是指頻率范圍為0.1～10 THz 的電磁波，其介于毫米波與紅外線之間，目前是電磁波譜中唯一還沒有獲得充分開發(fā)的電磁頻段[1-2]。太赫茲波具有信噪比高、頻帶寬、量子能量低的特點(diǎn)，在大容量材料處理、生物成像、數(shù)據(jù)傳輸和等離子體診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

回旋行波管是重要的太赫茲源之一，具有寬頻段、高效率和大功率的優(yōu)點(diǎn)，非常貼合太赫茲的應(yīng)用場(chǎng)景，因此是天然的、優(yōu)良的太赫茲源。為了獲得更大的太赫茲電磁波的功率，一般通過增大腔體的橫截面，采用高階模式工作從而獲得更大的功率容量，但更大的腔體尺寸引入了模式競(jìng)爭(zhēng)，造成多模工作，容易引起寄生振蕩，進(jìn)而降低互作用的效率。

為了確?；匦胁ü艿恼９ぷ?，必須抑制寄生模式振蕩，保證回旋行波管的單模工作。準(zhǔn)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由兩片柱面鏡組成，由于在準(zhǔn)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩邊存在缺口導(dǎo)致電磁能量的衍射，而且不同模式的電磁分布導(dǎo)致其衍射損耗是不同的，高階模式的衍射損耗更大，這種特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)模式的抑制[3-5]。

回旋行波管輸入耦合器的轉(zhuǎn)換效率和帶寬直接限制了回旋行波管放大器的增益和帶寬[6-8]，不僅如此，其產(chǎn)生或引起的寄生模式也會(huì)影響到對(duì)電子注的調(diào)制，對(duì)注波互作用效率和輸出功率產(chǎn)生影響。從某種程度上講，輸入耦合器的工作狀態(tài)是回旋行波管穩(wěn)定工作的前提，高的模式轉(zhuǎn)換效率和一定的工作帶寬是回旋行波管輸入耦合器設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。本文對(duì)0.34 THz 準(zhǔn)光波導(dǎo)回旋行波管進(jìn)行了輸入耦合器的模擬仿真研究。

將準(zhǔn)光波導(dǎo)由MIT 的研究團(tuán)隊(duì)首次作為互作用結(jié)構(gòu)引入到回旋行波管的研制之中，在中心頻率0.14 THz得到了30 kW 的功率輸出，其增益和帶寬分別為34 dB和1.5 GHz[4]。不足之處是，MIT 的設(shè)計(jì)方案采用了矩形波導(dǎo)橫向輸入的注入結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致放大器的帶寬較小。而在真空中高斯波束的傳播具有損耗小、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，近年來獲得了大量研究，而準(zhǔn)光波導(dǎo)中的場(chǎng)在一個(gè)方向已經(jīng)是高斯分布，其轉(zhuǎn)換為高斯波束理應(yīng)更容易。結(jié)合此特點(diǎn)，本文為0.34 THz 準(zhǔn)光波導(dǎo)回旋行波管設(shè)計(jì)了準(zhǔn)光注入耦合器并進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

1 波紋波導(dǎo)的設(shè)計(jì)

太赫茲回旋行波管輸入耦合器的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)源到輸入端口的遠(yuǎn)距離傳輸，一般的輸入模式衰減比較大，難以實(shí)現(xiàn)此目的。高斯模式HE11 能量集中在軸線的中心，旁瓣電平較低，而且歐姆損耗較小，比較適合于遠(yuǎn)距離的傳輸。HE11 模式是一種混合模式，其包括TE11 和TM11 2 種模式，其中TM11 模式的相對(duì)功率約占總功率的16%，而TE11 模式的相對(duì)功率約占84%。采用周期性的圓周開槽的波紋波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)圓波導(dǎo)TE11-波紋波導(dǎo)HE11 的轉(zhuǎn)換，且開槽的深度從二分之一工作波長(zhǎng)變換到四分之一工作波長(zhǎng)，這種模式變換器的剖面結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 橫向開槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

其中，p為開槽周期，w為開槽寬度，d為開槽深度，a為波導(dǎo)內(nèi)半徑，波的傳播方向?yàn)閦軸方向。波紋波導(dǎo)的模型如圖2 所示，開槽深度從右向左從二分之一波長(zhǎng)漸變減小至四分之一波長(zhǎng)，波紋波導(dǎo)輸出端口TE11 和TM11 的場(chǎng)分布如圖3（a）和圖3（b）所示。TE11 和TM11 模式的歸一化能力占比如圖4 所示，從圖4 中可以看出，輸出端口的TE11 模式和TM11 模式各占到了輸出模式成分的85%和13%。高斯模式HE11 由TE11 模式和TM11 模式組成，因此，輸出模式的高斯模式HE11 成分占到了98%以上。

圖2 波紋波導(dǎo)

圖3 準(zhǔn)光波導(dǎo)輸出端口模式場(chǎng)分布圖

圖4 HE11 中TE11 和TM11 模式的轉(zhuǎn)換效率

波紋波導(dǎo)輸出端口的綜合場(chǎng)分布如圖5 所示，可以明顯看出其呈中心高四周低的高斯分布，即能量集中在傳輸軸線的中心部分，且越靠近中心能量分布越強(qiáng)。從圓波導(dǎo)TE11 模式到波紋波導(dǎo)高斯模式HE11的轉(zhuǎn)換效率如圖6 所示，從圖中可以看出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%以上，且在330~350 GHz 的寬頻段范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率均在97%以上，為后面高斯波束在空間中的傳播及進(jìn)入準(zhǔn)光高頻結(jié)構(gòu)激勵(lì)起相應(yīng)的工作模式做好了鋪墊。

圖5 波紋波導(dǎo)輸出端口的HE11 模式

圖6 TE11 到HE11 模式的轉(zhuǎn)換效率

2 輸入耦合器的設(shè)計(jì)

將圓波導(dǎo)的TE11 模式轉(zhuǎn)換成波紋波導(dǎo)中的HE11 模式，為了在準(zhǔn)光波導(dǎo)中激勵(lì)起想要的工作模式TE06，需要經(jīng)過鏡面的反射進(jìn)入準(zhǔn)光波導(dǎo)，這里選用了2 個(gè)球面鏡作為反射鏡，將自由空間中傳播的HE11經(jīng)過2 個(gè)反射鏡的反射，在準(zhǔn)光波導(dǎo)中激勵(lì)起TE06模式，如圖7 所示。將圓波導(dǎo)中的TE11 模式經(jīng)過鏡面2 次反射后進(jìn)入準(zhǔn)光波導(dǎo)，成功地激勵(lì)起TE06 模式。

從圖7 中可以看出由于反射鏡1 與波紋波導(dǎo)、反射鏡2 與準(zhǔn)光波導(dǎo)，以及2 個(gè)反射鏡之間不可避免地存在空間間隙，電磁波不可避免地存在衍射，加之波導(dǎo)壁的歐姆損耗，以及準(zhǔn)光波導(dǎo)段的衍射損耗，不可避免會(huì)有相當(dāng)一部分的電磁能量被浪費(fèi)。經(jīng)過不斷優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了從圓波導(dǎo)基模TE11 到準(zhǔn)光波導(dǎo)TE06模式的轉(zhuǎn)換效率如圖8 所示，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到68%。

圖8 圓波導(dǎo)TE11 模式到準(zhǔn)光波導(dǎo)TE06 模式的轉(zhuǎn)換效率

3 結(jié)論

本文開展了太赫茲回旋行波管準(zhǔn)光高頻結(jié)構(gòu)的研究，選取“波紋波導(dǎo)+反射鏡面+準(zhǔn)光波導(dǎo)”組合設(shè)計(jì)輸入耦合器，主要對(duì)輸入耦合器的設(shè)計(jì)及模擬驗(yàn)證，根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)穆窂?，依次?duì)輸入波紋波導(dǎo)、準(zhǔn)光波導(dǎo)的距離和反射鏡鏡寬、輸入波導(dǎo)與準(zhǔn)光波導(dǎo)的相對(duì)位置和尺寸進(jìn)行優(yōu)化。最終確保最低的輸入耦合器反射系數(shù)，以獲得最高的模式轉(zhuǎn)換系數(shù)，并得到最大的工作帶寬。設(shè)計(jì)的340 GHz 波紋波導(dǎo)，能有效將圓波導(dǎo)TE11 模式轉(zhuǎn)換為高斯波束HE11，并經(jīng)過反射鏡反射進(jìn)入準(zhǔn)光波導(dǎo)成功地激勵(lì)起工作模式TE06，最高轉(zhuǎn)換效率接近70%。