0.24 THz帶狀注行波放大管交錯柵慢波結(jié)構(gòu)研究

舒國響，曹利紅，熊 浩，陳 樂，范姝婷，何文龍，錢正芳

1)深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東深圳 518060；2)深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東深圳 518060

太赫茲技術(shù)在高速寬帶無線通信、雷達(dá)系統(tǒng)、材料檢測和生物醫(yī)學(xué)等諸多軍民應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景．太赫茲源是太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是太赫茲系統(tǒng)中必不可少的核心電子器件．寬頻帶和高功率是太赫茲源的兩個核心指標(biāo)．例如，在通信系統(tǒng)中，頻率帶寬越寬，數(shù)據(jù)傳輸率越高；在雷達(dá)系統(tǒng)中，輸出功率越大，其探測距離越遠(yuǎn)[1-2]．在眾多太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中，大輸出功率和寬工作頻帶的太赫茲源是研究人員始終追求的目標(biāo)．

與傳統(tǒng)圓形注器件相比，帶狀注能通過拓展電子注的寬邊長度提高電子注的電流，從而提高整管的輸出功率．另外，與帶狀電子注進(jìn)行互作用的平面慢波結(jié)構(gòu)，能夠利用二維加工技術(shù)加工．帶狀注行波管由于兼具寬頻帶和大功率等優(yōu)點，近年來受到海內(nèi)外的高度關(guān)注和研究[3-12]．美國加州大學(xué)戴維斯分校研制了一支高增益和一支寬頻帶的基于交錯柵慢波結(jié)構(gòu)220 GHz帶狀注行波管，其峰值功率分別為107 W和11W，3 dB帶寬分別為14 GHz和6 GHz[3]．美國國家海軍實驗室利用UV-LIGA技術(shù)對220 GHz帶狀注行波管的單柵慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工裝配[4]，研制了Ka波段的耦合腔行波管，其峰值功率為10 kW，帶寬為5 GHz．國內(nèi)眾多研究單位，包括電子科技大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)第十二研究所、中科院電子所、北京航天航空大學(xué)、中國工程物理研究院和深圳大學(xué)等，先后對不同頻段(Ku/Q/W/G波段)和不同慢波結(jié)構(gòu)類型(交錯柵、折疊波導(dǎo)等)的帶狀注行波管展開研究[6-12]．

慢波結(jié)構(gòu)是帶狀注行波管的核心部件，其性能好壞直接影響整管性能．近年來國內(nèi)外學(xué)者提出多種帶狀注行波管的慢波結(jié)構(gòu)，包括耦合腔[4]、交錯柵慢波結(jié)構(gòu)[8-13]、單柵慢波結(jié)構(gòu)[14-15]、折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)[16]、正弦波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)[17]和對稱柵慢波結(jié)構(gòu)[18]等．其中，交錯柵慢波結(jié)構(gòu)具有潛在的寬頻特性．因此，將帶狀電子注和交錯柵慢波結(jié)構(gòu)相結(jié)合，便能在很寬頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生大功率的太赫茲波．

本文研究交錯柵慢波結(jié)構(gòu)的色散耦合阻抗特性及傳輸反射特性．以寬頻帶和大功率為目標(biāo)，對交錯柵慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計．還對帶狀電子注和交錯柵慢波結(jié)構(gòu)的互作用進(jìn)行粒子模擬(particle-in-cell， PIC)仿真，以研究整管的放大性能．

1 交錯柵慢波結(jié)構(gòu)冷腔分析

1.1 交錯柵慢波單元的色散耦合阻抗特性

交錯柵慢波結(jié)構(gòu)由對稱柵慢波結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，將對稱柵慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行半周期的錯位便可獲得交錯柵慢波結(jié)構(gòu)．圖1(a)是該慢波單元的仿真模型．仿真模型的材料為真空，背景材料為理想導(dǎo)體．利用電磁仿真軟件CST-Microwave Studio(CST-MS)的本征模求解器，可獲得該慢波單元的電場分布圖，如圖1(b)．該慢波單元可激勵起TM11-like模，其與TM11模類似，存在z方向的電場分量，從而為注波縱向換能提供保證．

圖1 交錯柵慢波單元Fig.1 Single cell of a staggered double vane slow wave structure

色散特性和耦合阻抗是慢波結(jié)構(gòu)的兩個重要參量．慢波結(jié)構(gòu)和帶通濾波器相似，具有一定工作帶寬，其工作帶寬大小與慢波結(jié)構(gòu)的色散特性緊密相關(guān)．慢波結(jié)構(gòu)的相速隨工作頻率的變化而越小，慢波結(jié)構(gòu)的工作帶寬將越寬．交錯柵慢波結(jié)構(gòu)的色散方程[19]為

(1)

(2)

其中，Ez為電場的軸向分量；P為通過慢波結(jié)構(gòu)橫截面的功率．慢波結(jié)構(gòu)的色散特性和耦合阻抗特性均可以通過CST-MS的本征模求解器獲得．

本文研究慢波結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)對色散和耦合阻抗特性的影響．模擬仿真發(fā)現(xiàn)，慢波單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其色散和耦合阻抗特性有較大影響．圖2為慢波單元寬度w和柵齒高度hv對色散特性和耦合阻抗的影響．可見，w越大，工作模式1的通帶寬度越大．這是因為w越大，對應(yīng)矩形波導(dǎo)的截止頻率越小，導(dǎo)致通帶的低頻端下降．但w越大，電場越分散，耦合阻抗會越?。?dāng)hv減小時，慢波結(jié)構(gòu)的特性會接近矩形波導(dǎo)的特性，因此工作頻帶將會變寬，但hv的減小會引起耦合阻抗的降低．因此，在選取結(jié)構(gòu)參數(shù)時，需要折中考慮．

圖2 慢波單元結(jié)構(gòu)參數(shù)對耦合阻抗和 色散特性的影響．Fig.2 Dispersion characteristic and coupling impedance property dependent on structural parameters

最后確定的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為w=0.75 mm、L=0.55 mm、hbt=0.13 mm、 柵齒厚度tv=0.09 mm及hv=0.27 mm．圖3為優(yōu)化后的色散特性和耦合阻抗特性．由圖3(a)可見，電子注色散曲線和慢波結(jié)構(gòu)色散曲線在很寬的一段頻率范圍內(nèi)相互平行，表明電子注的傳輸速度和電磁波的相速基本相等，即為注波互作用所需達(dá)到的條件．在215～260 GHz，電子注色散曲線和工作模式1基本平行，帶寬為45 GHz．在該頻率范圍內(nèi)，耦合阻抗在44.0～100.3 Ω，具有良好的連續(xù)性，如圖3(b)．

圖3 色散特性及耦合阻抗特性Fig.3 Dispersion characteristic and coupling impedance property

1.2 交錯柵慢波結(jié)構(gòu)的傳輸反射特性

交錯柵慢波結(jié)構(gòu)由90個慢波單元級聯(lián)而成，如圖4．振蕩抑制是交錯柵慢波結(jié)構(gòu)能否正常工作的一個核心問題．帶狀注行波管的振蕩主要有反射振蕩、返波振蕩和寄生振蕩等．因為端口反射過大所引起的振蕩屬于反射振蕩．為抑制反射振蕩，需要慢波結(jié)構(gòu)的端口反射盡量低．此外，為抑制振蕩，本研究還提出在交錯柵慢波結(jié)構(gòu)的兩個H面分別加載一個介質(zhì)衰減器．介質(zhì)衰減器的高度在兩端呈漸變分布，這樣可以降低介質(zhì)衰減器所帶來的端口反射．輸入信號在介質(zhì)衰減器前對電子注進(jìn)行調(diào)制．通過衰減器時，輸入信號的幅值得到很大衰減，而調(diào)制后的電子注將繼續(xù)向前傳輸．采用該結(jié)構(gòu)有利于抑制寄生振蕩．另外從輸出端口傳來的返向波也會被介質(zhì)衰減器所衰減，用以抑制返波振蕩．

利用電磁仿真軟件CST-MS對慢波結(jié)構(gòu)的傳輸反射特性進(jìn)行研究．在仿真模型中，介質(zhì)衰減器的

圖4 PIC注波互作用仿真模型Fig.4 PIC beam wave interaction simulation model

材料設(shè)置為：相對介電常數(shù)εr=12, 損耗角正切值tanδ=0.6．
圖5為介質(zhì)衰減器的參數(shù)變化時，慢波結(jié)構(gòu)傳輸反射特性(S參數(shù))的變化情況．介質(zhì)衰減器的錐形漸變形狀有利于減小慢波結(jié)構(gòu)的端口反射，與上述的設(shè)計分析相吻合．而介質(zhì)衰減器的長度La和相對介電常數(shù)對反射系數(shù)的影響較小，如圖5(a)．介質(zhì)衰減器的各個參數(shù)對S21的影響較大，如圖5(b)．衰減器的體積越大，即長度La越長或采用矩形形狀，S21越小，損耗越大．另外，介質(zhì)衰減器的εr越大，S21越小，損耗越大．利用CST-MS對介質(zhì)衰減器的介電參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終優(yōu)化的結(jié)果如圖6．可見，當(dāng)不引入介質(zhì)衰減器時，該慢波結(jié)構(gòu)在201～250 GHz的傳輸S21>-0.5 dB，其反射S11<-12 dB，具有優(yōu)良的傳輸反射特性，如圖6(a)．且該模擬結(jié)果和上述色散特性分析結(jié)果相吻合．當(dāng)引入介質(zhì)衰減器時，該慢波結(jié)構(gòu)在200～260 GHz傳輸S21<-35 dB，其反射S11<-12 dB，如圖6(b)．仿真結(jié)果表明， 加入介質(zhì)衰減器后，整個慢波結(jié)構(gòu)的端口反射依然較??；介質(zhì)衰減器對太赫茲波的衰減較大，從而為太赫茲波的有效衰減提供保障．

圖6 慢波結(jié)構(gòu)傳輸反射特性Fig.6 Transmission-reflection property of slow wave structure

2 注波互作用熱腔分析

本節(jié)對交錯柵慢波結(jié)構(gòu)饋入帶狀電子注進(jìn)行熱腔分析．PIC仿真模型如圖4，電子注的形狀為矩形狀，尺寸為0.63 mm×0.07 mm．工作電壓和電流分別為30 kV和0.2 A．采用1 T的縱向均勻磁場對電子注進(jìn)行聚焦．

在端口1輸入一個正弦波，工作模式為TE10模，工作頻率為0.24 THz，輸入功率為0.5 W．輸入信號將在介質(zhì)衰減器前對電子注進(jìn)行調(diào)制，并在慢波結(jié)構(gòu)末端實現(xiàn)注波換能．PIC仿真結(jié)果如圖7．圖7(a)給出在第4.8 ns時，輸出端口處監(jiān)測到的電子注能量分布圖．由仿真結(jié)果可知，電子注能量低于能量初始值(30 keV)的電子占大多數(shù)，由此表明大部分電子注已失去能量，并傳遞給太赫茲波．圖7(b)為該慢波結(jié)構(gòu)放大的輸出電壓信號．該輸出信號也是一個正弦信號，且輸出信號的包絡(luò)非常穩(wěn)定，電壓幅值為24.5 V，對應(yīng)輸出功率為300 W，增益為27.8 dB，相應(yīng)的效率為5.0%．圖7(c)為該信號由快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)而來的頻譜圖．可見，輸出信號的主峰剛好落在0.24 THz附近，和輸入信號的設(shè)置頻率完全吻合，另外，主峰幅值要比側(cè)峰的幅值高出約35 dB，說明振蕩得到很好的抑制．PIC模擬結(jié)果表明：基于交錯柵慢波結(jié)構(gòu)的帶狀注行波管能夠穩(wěn)定工作，并很好地實現(xiàn)對太赫茲波的功率放大，輸出大功率的太赫茲波．

圖7 f=0.24 THz時PIC模擬結(jié)果Fig.7 PIC simulation results at f=0.24 THz

在上述仿真模型中，保持同樣的參數(shù)設(shè)置，僅改變電子注的電壓和電流，進(jìn)行注波互作用性能分析．當(dāng)電子注電流低于0.1 A時，注波換能難以發(fā)生．隨著電流的增大，整管將進(jìn)入欠飽和狀態(tài)．如圖8(a)，當(dāng)電子注電流為0.2 A時，帶狀注行波管處于放大飽和狀態(tài)，注波互作用的增益和輸出功率將達(dá)到最大．當(dāng)電子注電流繼續(xù)增大時，該管處于過飽和狀態(tài)，整管性能變差．同樣對電子注電壓進(jìn)行分析，如圖8(b)．當(dāng)電子注的電壓為30 kV時，注波互作用效果最好，輸出功率和增益達(dá)到最大值．當(dāng)工作電壓偏離30 kV時，注波互作用的同步效果變差，導(dǎo)致注波換能效果變差，整管性能變差．當(dāng)工作電壓大于30.5 kV時，未能觀測到穩(wěn)定的輸出放大信號．

圖8 電子注參數(shù)對注波互作用性能的影響Fig.8 Performance of the beam-wave interaction dependent on electron beam parameters

為進(jìn)一步研究該慢波結(jié)構(gòu)的寬頻特性，以下通過改變輸入信號頻率，分析該慢波結(jié)構(gòu)在不同頻率處的放大性能．掃頻時的模擬結(jié)果如圖9．模擬結(jié)果表明：該管在220～260 GHz能產(chǎn)生大于105 W的輸出功率，工作帶寬為40 GHz，相對帶寬為16.7%，最大飽和輸出功率為300 W．在該頻率范圍內(nèi)，整管的增益高于20.0 dB, 最大增益為27.8 dB，電子效率大于1.8%，最大電子效率為5.0%．

圖9 不同頻率處的整管性能Fig.9 Tube performance at different frequencies

與LU等[16]的模擬結(jié)果相比，本研究設(shè)計的交錯柵慢波結(jié)構(gòu)可在更寬的頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生高于100 W的輸出功率．在文獻(xiàn)[16]中，輸出功率大于100 W的頻率范圍為190～210 GHz，對應(yīng)的工作帶寬為20 GHz．需要注意的是，文獻(xiàn)[20]中的注波互作用電路包含輸入和輸出耦合結(jié)構(gòu)，耦合結(jié)構(gòu)的引入會降低輸出性能．

結(jié) 語

交錯柵慢波結(jié)構(gòu)是一種非常重要的帶狀注行波管慢波結(jié)構(gòu)．本文對0.24 THz交錯柵慢波結(jié)構(gòu)的色散特性、耦合阻抗特性和傳輸反射特性進(jìn)行研究．通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)交錯柵慢波結(jié)構(gòu)的寬頻帶工作．提出在交錯柵慢波結(jié)構(gòu)H面加載高度漸變分布的介質(zhì)衰減器來抑制振蕩，以實現(xiàn)整管的穩(wěn)定工作．最后，還對注波互作用進(jìn)行了PIC模擬仿真，熱腔模擬結(jié)果和冷腔設(shè)計結(jié)果相吻合．模擬結(jié)果表明：基于交錯柵慢波結(jié)構(gòu)的帶狀注行波管能夠在40 GHz的頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生大于105 W的輸出功率．該研究可為寬頻帶大功率太赫茲放大管提供有競爭力的技術(shù)支持．