THz輸能窗及天線一體化結(jié)構(gòu)的研究*

王自成 ，田 宏，劉青倫，2，李海強(qiáng)，徐安玉

(1.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京1000190;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039)

太赫茲波是頻率在0.1 THz～10 THz之間的電磁波。就在幾年前，THz頻段的電磁波還是人們研究得較少的領(lǐng)域。因此，與太赫茲頻域兩邊的紅外頻域和毫米波以下頻域相比，人們對(duì)太赫茲波的認(rèn)識(shí)相對(duì)膚淺，對(duì)太赫茲的應(yīng)用相對(duì)貧乏。然而，隨著更大功率的太赫茲源和更加靈敏的探測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，目前太赫茲波在物質(zhì)特性分析［1-3］、成像［4］、探測(cè)［4-6］、遙感［7］和國(guó)防［8-9］上面的應(yīng)用日益突顯出來(lái)，由此引起了一場(chǎng)世界范圍內(nèi)的針對(duì)太赫茲波的研究熱潮。

無(wú)論要把太赫茲電磁波應(yīng)用于何種場(chǎng)合，都需要緊湊高效的太赫茲電磁波源。因此，同基于光學(xué)的太赫茲源和基于固態(tài)電子學(xué)的太赫茲源一樣［10-12］，基于真空電子學(xué)的太赫茲波源，如太赫茲返波管、太赫茲行波管振蕩器、太赫茲EIK和太赫茲回旋管等，也引起了世界領(lǐng)域的研究興趣。例如美國(guó)的 CCR(Calabazas Creek Research，Inc)［13-14］Utah 大學(xué)［15］、NASA 的 Lewis Research Center［16］及法國(guó)Thomson CSF DET［17］等研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展了THz返波管的研究;美國(guó)Northrop Grumman公司等開(kāi)展了太赫茲行波管振蕩器的研究［18］。在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)和中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所開(kāi)展了0.14 THz相對(duì)論返波管的研究［19-21］;中國(guó)電子科技集團(tuán)第12研究所及成都電子科技大學(xué)開(kāi)展太赫茲行波管(振蕩器)及回旋管振蕩器的研究［22-26］，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究開(kāi)展了太赫茲返波管、太赫茲 EIK 的模擬研究［27-29］。

上述基于真空電子學(xué)的太赫茲波源具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是需要一定的輸能結(jié)構(gòu)承擔(dān)從高真空的管體內(nèi)部向外導(dǎo)出太赫茲波的任務(wù)。在太赫茲頻域，輸能結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件的尺寸很小，而對(duì)公差的要求卻提高到了μm量級(jí)。在0.22 THz左右，模擬計(jì)算表明盒形窗的窗片厚度僅為0.15 mm。這時(shí)，如何使輸能結(jié)構(gòu)保證氣密性就成了研制太赫茲源過(guò)程中的主要挑戰(zhàn)。要解決此問(wèn)題，一方面是從工藝角度出發(fā)提高陶瓷窗片與金屬的封接水平，另一方面是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬尋求新的輸能窗結(jié)構(gòu)，使得所需的陶瓷窗片的厚度可以適當(dāng)增厚。

本文首次提出了一種太赫茲輸能窗-天線一體化結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究，結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)在0.20 THz～0.24 THz頻帶內(nèi)的駐波比小于1.5，而所需的藍(lán)寶石窗片厚度為0.3 mm，是已知的盒形窗的2倍。這意味著，在相同工藝技術(shù)水平下，這種太赫茲輸能窗-天線一體化結(jié)構(gòu)可以工作到相同厚度盒形窗的2倍頻率附近。

1 0.20 THz～0.24 THz輸能窗的計(jì)算機(jī)模擬

電真空器件是在真空條件下產(chǎn)生或放大電磁波的，它們所產(chǎn)生或放大的電磁波一般通過(guò)同軸導(dǎo)波系統(tǒng)或波導(dǎo)導(dǎo)波系統(tǒng)導(dǎo)出管體之外，并提供給用戶使用。為了保證電真空器件在與周圍的氣密隔離的條件下輸入(或輸出)電磁能量，還必須在上述導(dǎo)波系統(tǒng)的適當(dāng)位置引入適當(dāng)?shù)妮斈芙Y(jié)構(gòu)。已知的尚能工作于90 GHz以下頻段的一種代表性輸能結(jié)構(gòu)就是基于藍(lán)寶石窗片的盒形窗。盒形窗的一端與返波管的慢波結(jié)構(gòu)相連，另一端則設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，如圖1所示。

圖1 盒形窗CST模型

首先，本文通過(guò)對(duì)Ka波段的盒形窗的基本尺寸進(jìn)行縮尺的方法，確定了0.20 THz～0.24 THz的盒形窗的基本尺寸。然后通過(guò)CST大型三維電磁計(jì)算軟件對(duì)0.20 THz～0.24 THz的盒形窗進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，盒形窗的匹配性能非常好，在0.20 THz～0.24 THz頻段的駐波比可以小于2。也就是說(shuō)，盒形窗理論上可以工作在0.20 THz～0.24 THz頻段。但是，模擬結(jié)果也表明，藍(lán)寶石窗片厚度僅為0.15 mm，使得盒形窗在保證氣密性方面面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

圖2 0.22 THz附近盒形窗模擬特性

考慮到目前0.20 THz以上頻段的太赫茲波主要被應(yīng)用于成像、探測(cè)、通信等領(lǐng)域，都需要適當(dāng)?shù)奶炀€將太赫茲波發(fā)射出去。而在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)與天線的過(guò)渡區(qū)域，導(dǎo)波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸存在逐漸放大的過(guò)渡段。如果在此過(guò)渡段中設(shè)置陶瓷窗片，那么所需的陶瓷窗片的尺寸(包括厚度)有可能可以適當(dāng)放大。基于這種設(shè)想，本文首次提出0.20 THz～0.24 THz輸能窗及天線一體化結(jié)構(gòu)，下面將進(jìn)一步展示其計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。

圖3 0.22 THz輸能窗-天線一體化結(jié)構(gòu)

2 0.20 THz～0.24 THz輸能窗-天線一體化結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬

我們提出的這種輸能窗及天線一體化結(jié)構(gòu)如圖3所示。在其陶瓷窗片一側(cè)為波導(dǎo)，可以與返波管行波管振蕩器或EIK等的輸出端相連接，另一側(cè)被直接設(shè)計(jì)為一個(gè)輻射天線。利用這個(gè)輻射天線，可以把行波管等的太赫茲能量直接輻射出去，供給太赫茲成像或檢測(cè)設(shè)備使用。圖4示出了這種輸能窗-天線一體化結(jié)構(gòu)的反射特性，表明在0.20 THz～0.24 THz范圍內(nèi)駐波比小于1.5，其匹配性能與上面計(jì)算過(guò)的盒形窗一樣優(yōu)良。同時(shí)，計(jì)算表明這種結(jié)構(gòu)的陶瓷窗片厚度為0.3 mm，是盒形窗的2倍多。由于所使用軟件的可靠性已經(jīng)在Ka波段得到驗(yàn)證，因此，盡管我們因?yàn)椴痪邆?.20 THz～0.24 THz W頻段的測(cè)試條件而沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，也可以推斷這一結(jié)果是可信的［30］。

圖4 0.22 THz輸能窗—天線一體化結(jié)構(gòu)的反射特性

3 結(jié)論

在返波管、EIK和行波管振蕩器等基于真空電子學(xué)的太赫茲源的研究中，由于保持管內(nèi)高真空是這些器件正常工作的必要條件，因此承擔(dān)氣密隔離和太赫茲能量傳輸雙重功能的輸能窗就是這些器件的關(guān)鍵部件。隨著工作頻率升高，輸能結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件的尺寸變得很小，相應(yīng)地所需陶瓷窗片的厚度變薄，因而機(jī)械強(qiáng)度減弱，保證管體氣密的能力下降。因此，除了通過(guò)提高工藝技術(shù)水平以提高已知輸能結(jié)構(gòu)的氣密能力以外，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬研究尋求新的具有更高機(jī)械強(qiáng)度和氣密能力的輸能結(jié)構(gòu)也是研究上述基于真空電子學(xué)的太赫茲源的主要途徑。

為此，本文提出了上述太赫茲輸能窗及天線一體化結(jié)構(gòu)，并采用三維大型電磁計(jì)算軟件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究，結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)在0.20 THz～0.24 THz頻帶內(nèi)的駐波比小于1.5，而所需的藍(lán)寶石窗片厚度為0.3 mm，是已知的盒形窗的2倍。這意味著，在相同工藝技術(shù)水平下，這種太赫茲輸能窗—天線一體化結(jié)構(gòu)可以工作到相同厚度盒形和形窗的2倍頻率附近。此外這種結(jié)構(gòu)還集成了小型天線，減省了太赫茲源使用中的外圍輔助部件，方便了使用。

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