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        太赫茲回旋行波管輸入耦合器仿真設(shè)計

        2023-12-31 10:31:32曾志川龍虹君田旭峰馬文桂
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年36期
        關(guān)鍵詞:行波管反射鏡赫茲

        曾志川,龍虹君,田旭峰,劉 佳,馬文桂,周 靜

        (中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)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(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,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,非常貼合太赫茲的應(yīng)用場景,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爭,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,這種特性可以實現(xiàn)對競爭模式的抑制[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影響到對電子注的調(diào)制,對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)計的首要目標(biāo)。本文對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,近年來獲得了大量研究,而準(zhǔn)光波導(dǎo)中的場在一個方向已經(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,本文為0.34 THz 準(zhǔn)光波導(dǎo)回旋行波管設(shè)計了準(zhǔn)光注入耦合器并進(jìn)行了仿真設(shè)計和驗證。

        1 波紋波導(dǎo)的設(shè)計

        太赫茲回旋行波管輸入耦合器的設(shè)計要實現(xiàn)太赫茲信號源到輸入端口的遠(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(dǎo)實現(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變換到四分之一工作波長,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,波的傳播方向為z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漸變減小至四分之一波長,波紋波導(dǎo)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(dǎo)

        圖3 準(zhǔn)光波導(dǎo)輸出端口模式場分布圖

        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

        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 個球面鏡作為反射鏡,將自由空間中傳播的HE11經(jīng)過2 個反射鏡的反射,在準(zhǔn)光波導(dǎo)中激勵起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,不可避免會有相當(dāng)一部分的電磁能量被浪費。經(jīng)過不斷優(yōu)化各項參數(shù),實現(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)計輸入耦合器,主要對輸入耦合器的設(shè)計及模擬驗證,根據(jù)信號傳輸?shù)穆窂剑来螌斎氩y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)成功地激勵起工作模式TE06,最高轉(zhuǎn)換效率接近70%。

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