王自成 ，田 宏，劉青倫，2，李海強，徐安玉

(1.中國科學院電子學研究所，北京1000190;2.中國科學院研究生院，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，人們對太赫茲波的認識相對膚淺，對太赫茲的應(yīng)用相對貧乏。然而，隨著更大功率的太赫茲源和更加靈敏的探測技術(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［4-6］、遙感［7］和國防［8-9］上面的應(yīng)用日益突顯出來，由此引起了一場世界范圍內(nèi)的針對太赫茲波的研究熱潮。

無論要把太赫茲電磁波應(yīng)用于何種場合，都需要緊湊高效的太赫茲電磁波源。因此，同基于光學的太赫茲源和基于固態(tài)電子學的太赫茲源一樣［10-12］，基于真空電子學的太赫茲波源，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。例如美國的 CCR(Calabazas Creek Research，Inc)［13-14］Utah 大學［15］、NASA 的 Lewis Research Center［16］及法國Thomson CSF DET［17］等研究機構(gòu)紛紛開展了THz返波管的研究;美國Northrop Grumman公司等開展了太赫茲行波管振蕩器的研究［18］。在國內(nèi)，西安交通大學和中國工程物理研究院應(yīng)用電子學研究所開展了0.14 THz相對論返波管的研究［19-21］;中國電子科技集團第12研究所及成都電子科技大學開展太赫茲行波管(振蕩器)及回旋管振蕩器的研究［22-26］，中國科學院電子學研究開展了太赫茲返波管、太赫茲 EIK 的模擬研究［27-29］。

上述基于真空電子學的太赫茲波源具有一個共同的特點，就是需要一定的輸能結(jié)構(gòu)承擔從高真空的管體內(nèi)部向外導出太赫茲波的任務(wù)。在太赫茲頻域，輸能結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件的尺寸很小，而對公差的要求卻提高到了μm量級。在0.22 THz左右，模擬計算表明盒形窗的窗片厚度僅為0.15 mm。這時，如何使輸能結(jié)構(gòu)保證氣密性就成了研制太赫茲源過程中的主要挑戰(zhàn)。要解決此問題，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，另一方面是通過計算機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)，并進行了計算機模擬研究，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輸能窗的計算機模擬

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同軸導波系統(tǒng)或波導導波系統(tǒng)導出管體之外，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，還必須在上述導波系統(tǒng)的適當位置引入適當?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)計為標準矩形波導，如圖1所示。

圖1 盒形窗CST模型

首先，本文通過對Ka波段的盒形窗的基本尺寸進行縮尺的方法，確定了0.20 THz～0.24 THz的盒形窗的基本尺寸。然后通過CST大型三維電磁計算軟件對0.20 THz～0.24 THz的盒形窗進行了計算機模擬，模擬計算結(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，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、通信等領(lǐng)域，都需要適當?shù)奶炀€將太赫茲波發(fā)射出去。而在標準波導與天線的過渡區(qū)域，導波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸存在逐漸放大的過渡段。如果在此過渡段中設(shè)置陶瓷窗片，那么所需的陶瓷窗片的尺寸(包括厚度)有可能可以適當放大?；谶@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)，下面將進一步展示其計算機模擬結(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)的計算機模擬

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，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)計為一個輻射天線。利用這個輻射天線，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算過的盒形窗一樣優(yōu)良。同時，計算表明這種結(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波段得到驗證，因此，盡管我們因為不具備0.20 THz～0.24 THz W頻段的測試條件而沒有進行實驗測試，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，因而機械強度減弱，保證管體氣密的能力下降。因此，除了通過提高工藝技術(shù)水平以提高已知輸能結(jié)構(gòu)的氣密能力以外，通過計算機模擬研究尋求新的具有更高機械強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算軟件進行了計算機模擬研究，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。

［1］Gallerano G P，Biedron S.Overview of Terahertz Radiation Sources.Proceedings of the 2004 FEL Conference，Trieste，Italy，2004:216-221.

［2］Chattopadhyay S.Emerging Concepts，Technology and Opportunities for Mezzo-Scale Terahertz and Infrared Facilities.Proceedings of EPAC 2004，Lucerne，Switzerland，2004:2454-2456.

［3］Flanders B N.The Pure Rotational Spectrum of Solvated HCI:Solute-Bath Interaction Strength and Dynamics［J］.The Journal of Physical Chemstry.A 1999，103(49):10054-10064.

［4］袁宏陽，葛新浩，焦月英，等.基于BWO連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)的無損檢測［J］.應(yīng)用光學，2008，29(6):912-916.

［5］葛新浩，呂默，鐘華，等.反射式太赫茲返波振蕩器成像系統(tǒng)及其應(yīng)用研究［J］.紅外與毫米波學報，2010，29(1):15-18.

［6］Sheng-hai Ding，Qi Li，Rui Yao，et al.High-Resolution Terahertz Imaging and Image Restoration［J］.Applied Optics，2010，49(36):6834-6839.

［7］戴寧，葛進，胡淑紅，等.太赫茲探測技術(shù)在遙感應(yīng)用中的研究進展［J］.中國電子科學院學報，2009(3):231-236.

［8］戚阻敏.太赫茲波在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.紅外，2008，29(12):1-4.

［9］Kempkes M A，Hawkey T J，Gaudreau A P J，et al.W-Band Trans mitter Ipgrade for the Haystack Ultra-Wideband Satellite Imaging Radar(HUSIR)［C］//Eighth IEEE International Vacuum Electron ics Conference，IVEC 2007，Kitakyushu，Japan，May 15-17，2007 439-440.

［10］Alan Wei Min Lee，Qi Qin，Sushil Kumar，et al.High-Power and High-Temperature Quantum Cascade Lasers Based on Lens-Cou pled Metal-Metal-Waveguides［J］.Physics Letters，2007，32(19)2840-2842.

［11］Benjamin S Williams.Terahertz Quantum-Cascade Lasers［J］.Na ture photonics，2007(1):517-525.

［12］Justin T Darrow，Xi-cheng Zhang，David H Austin，et al.Saturation Properties of Large-Aperture Photo-Conducting Antennas［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1992，28(6):1607-1616

［13］Ives L，Kory C，Read M，et al.Development of Terahertz Backward Wave Oscillators［C］//5Th IEEE International Vacuum Electronics Conference，Monterey，Apr 27-29 2004:67-68.

［14］Ives L，Caplan M，Kory C，et al.Design and Test of a Submillimeter Wave Backward Wave Oscillators［C］//The Joint 30th Internationa Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13th Internationa Conference on Terahertz Electronics，Monterey，CA，USA，2005(1)93-94.

［15］Vela G O，Miller M S，Grow R W，et al.Terahertz Backward Wave Oscillators with Photonic Crystal Waveguides［C］//2006 IEEE In ternational Vacuum Electronics Conference held jointly with 2006 IEEE International Vacuum Electron Sources，IVEC/IVESC 2006 Monterey，CA，USA，2006:425-426.

［16］Barnett L R，Stankiewics N，Heinen V O，et al.Submillimeter Wave Backward Wave Oscillators［C］//International Electron De vices Meeting 1985-Technical Digest.，Washington，DC，USA 1985:364-365.

［17］Garcin P，Grauleau D，Gerber R，et al.New Technologies Used for 1 THz Backward-Wave Oscillators［C］//IEDM，1988:850-853.

［18］Sudeep Bhatta Charjee，John H Booske，Caeol L Kory，et al.Folded Waveguide Travling-Wave Tube Souces for Terahertz Radiation.IEEE Trans.Pl.Sc，2004，32(3):1002-1012.

［19］張海，王建國，童長江.大功率太赫茲返波管的數(shù)值模擬研究［J］.西安交通大學學報，41(12):1447-1450.

［20］陳洪斌，胡林林，馬國武，等.壓納秒毫米波返波管粒子模擬與實驗研究［J］.強激光與粒子束，2007，19(6):881-884.

［21］陳洪斌，周傳明，胡林林，等.0.14 THz返波管器件［J］.強激光與粒子束，2010，22(4):865-869.

［22］馮進軍，蔡軍，胡銀富，等.折疊波導慢波結(jié)構(gòu)太赫茲真空器件的研究［J］.中國電子科學院學報，2009(3):249-254.

［23］高鵬，John booske，楊中海，等.太赫茲折疊波導行波管再生反波振蕩器非線性理論與模擬［J］.物理學報，2010，59(12):8484-8488.

［24］吳振華，張開春，劉盛綱.折疊波導結(jié)構(gòu)的THz振蕩輻射器的研究［J］.電子學報，37(12):2677-2680.

［25］Yan Yang，Liu Shenggang，Li Xiaoyun，et al.Design and Demonstration of a 0.22 THz Gyrotron Oscillator［J］.Chinese Science Bulletin，2009，54(9):1495-1499.

［26］Kaichun Zhang，Zhenhua Wu，Shenggang Liu.A Study of an Extended Interaction Oscillator with Reentrance Coupled-Cavity in Terahertz Region［J］.J Infraed Milli.Terahz Waves，2009，30 309，318.

［27］王自成，陸德堅，王莉，等.THz返波管圓波導梳狀慢波結(jié)構(gòu)的研究［J］.電子與信息學報，2008，30(11):2792-2794.

［28］劉青倫，王自成，劉濮鯤.基于圓盤加載波導的THz分布作用振蕩器的數(shù)值模擬［J］.強激光與粒子束，2011，23(3).

［29］劉青倫，王自成，劉濮鯤.基于圓盤加載波導的THz分布作用振蕩器的模擬研究［J］.微波學報，2010，26(增刊):455-458.

［30］王自成，徐安玉，王莉，等.Ka波段厚窗片盒形窗的研究［J］.電子器件，2010，33(4):463-465.