0.24 THz带状注行波放大管交错栅慢波结构研究

舒国响，曹利红，熊 浩，陈 乐，范姝婷，何文龙，钱正芳

1)深圳大学电子与信息工程学院，广东深圳 518060；2)深圳大学物理与光电工程学院，广东深圳 518060

太赫兹技术在高速宽带无线通信、雷达系统、材料检测和生物医学等诸多军民应用领域具有广泛的应用前景．太赫兹源是太赫兹应用系统的基础，是太赫兹系统中必不可少的核心电子器件．宽频带和高功率是太赫兹源的两个核心指标．例如，在通信系统中，频率带宽越宽，数据传输率越高；在雷达系统中，输出功率越大，其探测距离越远[1-2]．在众多太赫兹应用系统中，大输出功率和宽工作频带的太赫兹源是研究人员始终追求的目标．

与传统圆形注器件相比，带状注能通过拓展电子注的宽边长度提高电子注的电流，从而提高整管的输出功率．另外，与带状电子注进行互作用的平面慢波结构，能够利用二维加工技术加工．带状注行波管由于兼具宽频带和大功率等优点，近年来受到海内外的高度关注和研究[3-12]．美国加州大学戴维斯分校研制了一支高增益和一支宽频带的基于交错栅慢波结构220 GHz带状注行波管，其峰值功率分别为107 W和11W，3 dB带宽分别为14 GHz和6 GHz[3]．美国国家海军实验室利用UV-LIGA技术对220 GHz带状注行波管的单栅慢波结构进行加工装配[4]，研制了Ka波段的耦合腔行波管，其峰值功率为10 kW，带宽为5 GHz．国内众多研究单位，包括电子科技大学、中国电子科技集团第十二研究所、中科院电子所、北京航天航空大学、中国工程物理研究院和深圳大学等，先后对不同频段(Ku/Q/W/G波段)和不同慢波结构类型(交错栅、折叠波导等)的带状注行波管展开研究[6-12]．

慢波结构是带状注行波管的核心部件，其性能好坏直接影响整管性能．近年来国内外学者提出多种带状注行波管的慢波结构，包括耦合腔[4]、交错栅慢波结构[8-13]、单栅慢波结构[14-15]、折叠波导慢波结构[16]、正弦波导慢波结构[17]和对称栅慢波结构[18]等．其中，交错栅慢波结构具有潜在的宽频特性．因此，将带状电子注和交错栅慢波结构相结合，便能在很宽频带范围内产生大功率的太赫兹波．

本文研究交错栅慢波结构的色散耦合阻抗特性及传输反射特性．以宽频带和大功率为目标，对交错栅慢波结构进行优化设计．还对带状电子注和交错栅慢波结构的互作用进行粒子模拟(particle-in-cell， PIC)仿真，以研究整管的放大性能．

1 交错栅慢波结构冷腔分析

1.1 交错栅慢波单元的色散耦合阻抗特性

交错栅慢波结构由对称栅慢波结构发展而来，将对称栅慢波结构进行半周期的错位便可获得交错栅慢波结构．图1(a)是该慢波单元的仿真模型．仿真模型的材料为真空，背景材料为理想导体．利用电磁仿真软件CST-Microwave Studio(CST-MS)的本征模求解器，可获得该慢波单元的电场分布图，如图1(b)．该慢波单元可激励起TM11-like模，其与TM11模类似，存在z方向的电场分量，从而为注波纵向换能提供保证．

图1 交错栅慢波单元Fig.1 Single cell of a staggered double vane slow wave structure

色散特性和耦合阻抗是慢波结构的两个重要参量．慢波结构和带通滤波器相似，具有一定工作带宽，其工作带宽大小与慢波结构的色散特性紧密相关．慢波结构的相速随工作频率的变化而越小，慢波结构的工作带宽将越宽．交错栅慢波结构的色散方程[19]为

(1)

(2)

其中，Ez为电场的轴向分量；P为通过慢波结构横截面的功率．慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性均可以通过CST-MS的本征模求解器获得．

本文研究慢波结构的主要参数对色散和耦合阻抗特性的影响．模拟仿真发现，慢波单元的结构参数对其色散和耦合阻抗特性有较大影响．图2为慢波单元宽度w和栅齿高度hv对色散特性和耦合阻抗的影响．可见，w越大，工作模式1的通带宽度越大．这是因为w越大，对应矩形波导的截止频率越小，导致通带的低频端下降．但w越大，电场越分散，耦合阻抗会越小．当hv减小时，慢波结构的特性会接近矩形波导的特性，因此工作频带将会变宽，但hv的减小会引起耦合阻抗的降低．因此，在选取结构参数时，需要折中考虑．

图2 慢波单元结构参数对耦合阻抗和 色散特性的影响．Fig.2 Dispersion characteristic and coupling impedance property dependent on structural parameters

最后确定的优化结构参数为w=0.75 mm、L=0.55 mm、hbt=0.13 mm、 栅齿厚度tv=0.09 mm及hv=0.27 mm．图3为优化后的色散特性和耦合阻抗特性．由图3(a)可见，电子注色散曲线和慢波结构色散曲线在很宽的一段频率范围内相互平行，表明电子注的传输速度和电磁波的相速基本相等，即为注波互作用所需达到的条件．在215～260 GHz，电子注色散曲线和工作模式1基本平行，带宽为45 GHz．在该频率范围内，耦合阻抗在44.0～100.3 Ω，具有良好的连续性，如图3(b)．

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

1.2 交错栅慢波结构的传输反射特性

交错栅慢波结构由90个慢波单元级联而成，如图4．振荡抑制是交错栅慢波结构能否正常工作的一个核心问题．带状注行波管的振荡主要有反射振荡、返波振荡和寄生振荡等．因为端口反射过大所引起的振荡属于反射振荡．为抑制反射振荡，需要慢波结构的端口反射尽量低．此外，为抑制振荡，本研究还提出在交错栅慢波结构的两个H面分别加载一个介质衰减器．介质衰减器的高度在两端呈渐变分布，这样可以降低介质衰减器所带来的端口反射．输入信号在介质衰减器前对电子注进行调制．通过衰减器时，输入信号的幅值得到很大衰减，而调制后的电子注将继续向前传输．采用该结构有利于抑制寄生振荡．另外从输出端口传来的返向波也会被介质衰减器所衰减，用以抑制返波振荡．

利用电磁仿真软件CST-MS对慢波结构的传输反射特性进行研究．在仿真模型中，介质衰减器的

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

材料设置为：相对介电常数εr=12, 损耗角正切值tanδ=0.6．
图5为介质衰减器的参数变化时，慢波结构传输反射特性(S参数)的变化情况．介质衰减器的锥形渐变形状有利于减小慢波结构的端口反射，与上述的设计分析相吻合．而介质衰减器的长度La和相对介电常数对反射系数的影响较小，如图5(a)．介质衰减器的各个参数对S21的影响较大，如图5(b)．衰减器的体积越大，即长度La越长或采用矩形形状，S21越小，损耗越大．另外，介质衰减器的εr越大，S21越小，损耗越大．利用CST-MS对介质衰减器的介电参数、结构尺寸和形状进行优化设计，最终优化的结果如图6．可见，当不引入介质衰减器时，该慢波结构在201～250 GHz的传输S21>-0.5 dB，其反射S11<-12 dB，具有优良的传输反射特性，如图6(a)．且该模拟结果和上述色散特性分析结果相吻合．当引入介质衰减器时，该慢波结构在200～260 GHz传输S21<-35 dB，其反射S11<-12 dB，如图6(b)．仿真结果表明， 加入介质衰减器后，整个慢波结构的端口反射依然较小；介质衰减器对太赫兹波的衰减较大，从而为太赫兹波的有效衰减提供保障．

图6 慢波结构传输反射特性Fig.6 Transmission-reflection property of slow wave structure

2 注波互作用热腔分析

本节对交错栅慢波结构馈入带状电子注进行热腔分析．PIC仿真模型如图4，电子注的形状为矩形状，尺寸为0.63 mm×0.07 mm．工作电压和电流分别为30 kV和0.2 A．采用1 T的纵向均匀磁场对电子注进行聚焦．

在端口1输入一个正弦波，工作模式为TE10模，工作频率为0.24 THz，输入功率为0.5 W．输入信号将在介质衰减器前对电子注进行调制，并在慢波结构末端实现注波换能．PIC仿真结果如图7．图7(a)给出在第4.8 ns时，输出端口处监测到的电子注能量分布图．由仿真结果可知，电子注能量低于能量初始值(30 keV)的电子占大多数，由此表明大部分电子注已失去能量，并传递给太赫兹波．图7(b)为该慢波结构放大的输出电压信号．该输出信号也是一个正弦信号，且输出信号的包络非常稳定，电压幅值为24.5 V，对应输出功率为300 W，增益为27.8 dB，相应的效率为5.0%．图7(c)为该信号由快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)而来的频谱图．可见，输出信号的主峰刚好落在0.24 THz附近，和输入信号的设置频率完全吻合，另外，主峰幅值要比侧峰的幅值高出约35 dB，说明振荡得到很好的抑制．PIC模拟结果表明：基于交错栅慢波结构的带状注行波管能够稳定工作，并很好地实现对太赫兹波的功率放大，输出大功率的太赫兹波．

图7 f=0.24 THz时PIC模拟结果Fig.7 PIC simulation results at f=0.24 THz

在上述仿真模型中，保持同样的参数设置，仅改变电子注的电压和电流，进行注波互作用性能分析．当电子注电流低于0.1 A时，注波换能难以发生．随着电流的增大，整管将进入欠饱和状态．如图8(a)，当电子注电流为0.2 A时，带状注行波管处于放大饱和状态，注波互作用的增益和输出功率将达到最大．当电子注电流继续增大时，该管处于过饱和状态，整管性能变差．同样对电子注电压进行分析，如图8(b)．当电子注的电压为30 kV时，注波互作用效果最好，输出功率和增益达到最大值．当工作电压偏离30 kV时，注波互作用的同步效果变差，导致注波换能效果变差，整管性能变差．当工作电压大于30.5 kV时，未能观测到稳定的输出放大信号．

图8 电子注参数对注波互作用性能的影响Fig.8 Performance of the beam-wave interaction dependent on electron beam parameters

为进一步研究该慢波结构的宽频特性，以下通过改变输入信号频率，分析该慢波结构在不同频率处的放大性能．扫频时的模拟结果如图9．模拟结果表明：该管在220～260 GHz能产生大于105 W的输出功率，工作带宽为40 GHz，相对带宽为16.7%，最大饱和输出功率为300 W．在该频率范围内，整管的增益高于20.0 dB, 最大增益为27.8 dB，电子效率大于1.8%，最大电子效率为5.0%．

图9 不同频率处的整管性能Fig.9 Tube performance at different frequencies

与LU等[16]的模拟结果相比，本研究设计的交错栅慢波结构可在更宽的频带范围内产生高于100 W的输出功率．在文献[16]中，输出功率大于100 W的频率范围为190～210 GHz，对应的工作带宽为20 GHz．需要注意的是，文献[20]中的注波互作用电路包含输入和输出耦合结构，耦合结构的引入会降低输出性能．

结 语

交错栅慢波结构是一种非常重要的带状注行波管慢波结构．本文对0.24 THz交错栅慢波结构的色散特性、耦合阻抗特性和传输反射特性进行研究．通过优化结构参数实现交错栅慢波结构的宽频带工作．提出在交错栅慢波结构H面加载高度渐变分布的介质衰减器来抑制振荡，以实现整管的稳定工作．最后，还对注波互作用进行了PIC模拟仿真，热腔模拟结果和冷腔设计结果相吻合．模拟结果表明：基于交错栅慢波结构的带状注行波管能够在40 GHz的频带范围内产生大于105 W的输出功率．该研究可为宽频带大功率太赫兹放大管提供有竞争力的技术支持．