太赫茲回旋行波管輸入耦合器仿真設計

曾志川，龍虹君，田旭峰，劉 佳，馬文桂，周 靜

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，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，在大容量材料處理、生物成像、數據傳輸和等離子體診斷等方面具有廣闊的應用前景。

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點，非常貼合太赫茲的應用場景，因此是天然的、優良的太赫茲源。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爭，造成多模工作，容易引起寄生振蕩，進而降低互作用的效率。

為了確保回旋行波管的正常工作，必須抑制寄生模式振蕩，保證回旋行波管的單模工作。準光波導結構由兩片柱面鏡組成，由于在準光波導結構的兩邊存在缺口導致電磁能量的衍射，而且不同模式的電磁分布導致其衍射損耗是不同的，高階模式的衍射損耗更大，這種特性可以實現對競爭模式的抑制[3-5]。

回旋行波管輸入耦合器的轉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，其產生或引起的寄生模式也會影響到對電子注的調制，對注波互作用效率和輸出功率產生影響。從某種程度上講，輸入耦合器的工作狀態是回旋行波管穩定工作的前提，高的模式轉換效率和一定的工作帶寬是回旋行波管輸入耦合器設計的首要目標。本文對0.34 THz 準光波導回旋行波管進行了輸入耦合器的模擬仿真研究。

將準光波導由MIT 的研究團隊首次作為互作用結構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 的設計方案采用了矩形波導橫向輸入的注入結構，導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、傳輸距離遠的優勢，近年來獲得了大量研究，而準光波導中的場在一個方向已經是高斯分布，其轉換為高斯波束理應更容易。結合此特點，本文為0.34 THz 準光波導回旋行波管設計了準光注入耦合器并進行了仿真設計和驗證。

1 波紋波導的設計

太赫茲回旋行波管輸入耦合器的設計要實現太赫茲信號源到輸入端口的遠距離傳輸，一般的輸入模式衰減比較大，難以實現此目的。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 模式的相對功率約占總功率的16%，而TE11 模式的相對功率約占84%。采用周期性的圓周開槽的波紋波導實現圓波導TE11-波紋波導HE11 的轉換，且開槽的深度從二分之一工作波長變換到四分之一工作波長，這種模式變換器的剖面結構圖如圖1 所示。

圖1 橫向開槽波導結構

其中，p為開槽周期，w為開槽寬度，d為開槽深度，a為波導內半徑，波的傳播方向為z軸方向。波紋波導的模型如圖2 所示，開槽深度從右向左從二分之一波長漸變減小至四分之一波長，波紋波導輸出端口TE11 和TM11 的場分布如圖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

圖3 準光波導輸出端口模式場分布圖

圖4 HE11 中TE11 和TM11 模式的轉換效率

波紋波導輸出端口的綜合場分布如圖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。從圓波導TE11 模式到波紋波導高斯模式HE11的轉換效率如圖6 所示，從圖中可以看出轉換效率高達98%以上，且在330~350 GHz 的寬頻段范圍內轉換效率均在97%以上，為后面高斯波束在空間中的傳播及進入準光高頻結構激勵起相應的工作模式做好了鋪墊。

圖5 波紋波導輸出端口的HE11 模式

圖6 TE11 到HE11 模式的轉換效率

2 輸入耦合器的設計

將圓波導的TE11 模式轉換成波紋波導中的HE11 模式，為了在準光波導中激勵起想要的工作模式TE06，需要經過鏡面的反射進入準光波導，這里選用了2 個球面鏡作為反射鏡，將自由空間中傳播的HE11經過2 個反射鏡的反射，在準光波導中激勵起TE06模式，如圖7 所示。將圓波導中的TE11 模式經過鏡面2 次反射后進入準光波導，成功地激勵起TE06 模式。

從圖7 中可以看出由于反射鏡1 與波紋波導、反射鏡2 與準光波導，以及2 個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，加之波導壁的歐姆損耗，以及準光波導段的衍射損耗，不可避免會有相當一部分的電磁能量被浪費。經過不斷優化各項參數，實現了從圓波導基模TE11 到準光波導TE06模式的轉換效率如圖8 所示，轉換效率達到68%。

圖8 圓波導TE11 模式到準光波導TE06 模式的轉換效率

3 結論

本文開展了太赫茲回旋行波管準光高頻結構的研究，選取“波紋波導+反射鏡面+準光波導”組合設計輸入耦合器，主要對輸入耦合器的設計及模擬驗證，根據信號傳輸的路徑，依次對輸入波紋波導、準光波導的距離和反射鏡鏡寬、輸入波導與準光波導的相對位置和尺寸進行優化。最終確保最低的輸入耦合器反射系數，以獲得最高的模式轉換系數，并得到最大的工作帶寬。設計的340 GHz 波紋波導，能有效將圓波導TE11 模式轉換為高斯波束HE11，并經過反射鏡反射進入準光波導成功地激勵起工作模式TE06，最高轉換效率接近70%。