过模表面波振荡器输出太赫兹波模式的影响因素分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北核技术研究所 作者:王光强

  采用轴向电场分解与PIC( Particle-in-cell) 模拟相结合的方法,研究了二极管参数、引导磁场和输出结构等因素对0. 14 THz 过模表面波振荡器输出太赫兹波模式的影响。当太赫兹波实现稳定输出时,其模式成分和相对相位差基本不受二极管电压的上升沿、幅度和引导磁场大小的影响,除非振荡器的工作状态发生了明显改变,但它们对阳极半径和阴阳极间距的变化较为敏感。在较小的二极管电压、阳极半径或阴阳极间距下振荡器能获得一定成分的TM01模太赫兹波输出。输出结构决定了输出太赫兹波的模式成分。通过合理设计锥形输出结构的参数,能够实现相同功率水平下的纯净TM01模输出,简单有效地解决过模表面波振荡器的多模输出问题。

  随着高功率微波技术的进一步发展和毫米波太赫兹波技术的兴起,提高效率和输出功率仍是各频段真空电子器件的主要发展目标。鉴于过模相对论切仑科夫器件在功率容量高、结构尺寸大和系统紧凑性等方面的明显优势,它已成为目前相对论真空电子器件的研究热点之一。但是,过模结构的引入将导致器件出现模式竞争和多模输出,影响器件的性能、测量和应用,从而带来一系列新的问题。例如,多模传输将引起寄生损耗,多模辐射会产生信号不稳定性,多模分布还将大大增加针对辐射应用的模式转换器或天线的设计难度,这些都将限制过模器件的性能提升和进一步应用。因此,需要在器件设计时对过模相对论切仑科夫器件开展必要的模式分析,找出输出电磁波模式的影响因素,以解决存在的上述问题。

  本文针对近年来研制的0. 14 THz 过模表面波振荡器,采用轴向电场的贝塞尔-傅里叶分解与PIC( Particle-in-cell) 模拟相结合的方法,系统研究了二极管参数、引导磁场和输出结构等关键因素对输出太赫兹波模式的影响,并在保证振荡器输出性能的前提下,给出了一种简单实用的单模输出结构的设计方案,为过模切仑科夫器件的结构和性能改进提供参考。

1、过模表面波振荡器结构与模式分析方法

  鉴于高功率太赫兹脉冲在太赫兹波干扰与对抗中的潜在应用,近年来我们开展了高功率太赫兹真空电子器件的研制工作,所设计的0.14 THz过模表面波振荡器的结构如图1 所示。无箔二极管的阳极半径为9 mm,环形电子束厚度和距壁距离均为0.5 mm,慢波结构的周期长度、槽深和槽宽分别为0.7,0.3 和0.4 mm,L1和L2分别为波导过渡区和电子收集极长度,输出波导半径R0为6 mm。振荡器被设计为工作在色散曲线上TM01模0 次谐波的π 点来实现单模激励,但在慢波结构区域和输出波导段的过模比( 平均直径与辐射波长之比) 分别达到了3 和6,属于典型的过模相对论切仑科夫器件。目前该器件已在实验上成功实现了频率约为0.154 THz,功率约为2.6 MW,脉宽约为1.5 ns 的10 Hz 重频输出。

  0.14 THz 过模表面波振荡器采用了圆周对称结构和环形激励电子束,因此其中只能产生和存在TM0n模,可以采用文献中提出的轴向电场的贝塞尔-傅里叶分解与PIC 模拟相结合的方法来进行模式分析。对于图1 标注的输出考察面,由于无太赫兹波反射,根据文献[13]得到t0时刻TM0n各模式的幅度Enzm和相位αn的简化求解方程组为

过模表面波振荡器输出太赫兹波模式的影响因素分析

  式中,t1为满足条件| t0 - t1 |T 的某时刻,T 和ω分别为太赫兹波的周期和角频率; J0和J1分别为0阶和1 阶贝塞尔函数,x0n是J0( x) = 0 的第n 个根。然后,通过PIC 模拟得到波导截面上t0和t1两个时刻纵向场的分布Ez( R,t ) ,代入方程组(1) ,即可求得TM0n各模式的幅度Enzm

  和瞬时相位,从而计算得到各模式的功率成分和相位差,进行输出太赫兹波模式成分的理论分析。这里采用2.5 维PIC 软件UNIPIC 进行模拟,目前它已成功应用于高功率太赫兹波源的设计,振荡器的金属材料选择为铜。

0.14 THz 过模表面波振荡器的结构简图

图1 0.14 THz 过模表面波振荡器的结构简图

  基于上述方法,文献的初步分析表明,稳态时0. 14 THz 过模表面波振荡器在结构不连续处均出现了高次TM0n模激励,使得输出太赫兹波的模式成分以TM02和TM03模为主,并伴以少量的TM04模,而TM01模的成分不足1%,几乎可以忽略。因此,下面将研究过模表面波振荡器的关键参数对输出太赫兹波模式的影响,深入分析多模分布的重要影响因素,寻找实现基模输出的解决办法。

3、结论

  对于现有结构的0.14 THz 过模表面波振荡器,详细的理论分析结果表明,稳态时二极管电压的上升沿和幅度以及引导磁场强度的参数波对太赫兹波的模式基本没有影响,除非振荡器的工作状态发生明显变化,但通过减小阳极半径或阴阳极间距的方法增大二极管电流能够提高输出太赫兹波中的TM01模成分,这两个参数对模式间相对相位差的影响也很大。作为振荡器出现多模分布的成因之一,输出结构的变化能明显改变太赫兹波的模式成分。采用输出波导半径为1. 5 mm 的收缩锥形输出结构,能够在输出频率不变和功率略有增大的基础上,很好实现TM01模的单模输出,简单有效地解决过模切仑科夫器件的多模输出问题。下一步将继续深入研究这种输出结构下振荡器的工作机理和模式激励等问题,在实验上实现振荡器的单模输出。本文的研究结果将为各频段过模相对论切仑科夫器件的设计和结构改进提供参考。

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