太赫兹回旋行波管输入耦合器仿真设计

曾志川，龙虹君，田旭峰，刘 佳，马文桂，周 静

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

太赫兹是指频率范围为0.1～10 THz 的电磁波，其介于毫米波与红外线之间，目前是电磁波谱中唯一还没有获得充分开发的电磁频段[1-2]。太赫兹波具有信噪比高、频带宽、量子能量低的特点，在大容量材料处理、生物成像、数据传输和等离子体诊断等方面具有广阔的应用前景。

回旋行波管是重要的太赫兹源之一，具有宽频段、高效率和大功率的优点，非常贴合太赫兹的应用场景，因此是天然的、优良的太赫兹源。为了获得更大的太赫兹电磁波的功率，一般通过增大腔体的横截面，采用高阶模式工作从而获得更大的功率容量，但更大的腔体尺寸引入了模式竞争，造成多模工作，容易引起寄生振荡，进而降低互作用的效率。

为了确保回旋行波管的正常工作，必须抑制寄生模式振荡，保证回旋行波管的单模工作。准光波导结构由两片柱面镜组成，由于在准光波导结构的两边存在缺口导致电磁能量的衍射，而且不同模式的电磁分布导致其衍射损耗是不同的，高阶模式的衍射损耗更大，这种特性可以实现对竞争模式的抑制[3-5]。

回旋行波管输入耦合器的转换效率和带宽直接限制了回旋行波管放大器的增益和带宽[6-8]，不仅如此，其产生或引起的寄生模式也会影响到对电子注的调制，对注波互作用效率和输出功率产生影响。从某种程度上讲，输入耦合器的工作状态是回旋行波管稳定工作的前提，高的模式转换效率和一定的工作带宽是回旋行波管输入耦合器设计的首要目标。本文对0.34 THz 准光波导回旋行波管进行了输入耦合器的模拟仿真研究。

将准光波导由MIT 的研究团队首次作为互作用结构引入到回旋行波管的研制之中，在中心频率0.14 THz得到了30 kW 的功率输出，其增益和带宽分别为34 dB和1.5 GHz[4]。不足之处是，MIT 的设计方案采用了矩形波导横向输入的注入结构，导致放大器的带宽较小。而在真空中高斯波束的传播具有损耗小、传输距离远的优势，近年来获得了大量研究，而准光波导中的场在一个方向已经是高斯分布，其转换为高斯波束理应更容易。结合此特点，本文为0.34 THz 准光波导回旋行波管设计了准光注入耦合器并进行了仿真设计和验证。

1 波纹波导的设计

太赫兹回旋行波管输入耦合器的设计要实现太赫兹信号源到输入端口的远距离传输，一般的输入模式衰减比较大，难以实现此目的。高斯模式HE11 能量集中在轴线的中心，旁瓣电平较低，而且欧姆损耗较小，比较适合于远距离的传输。HE11 模式是一种混合模式，其包括TE11 和TM11 2 种模式，其中TM11 模式的相对功率约占总功率的16%，而TE11 模式的相对功率约占84%。采用周期性的圆周开槽的波纹波导实现圆波导TE11-波纹波导HE11 的转换，且开槽的深度从二分之一工作波长变换到四分之一工作波长，这种模式变换器的剖面结构图如图1 所示。

图1 横向开槽波导结构

其中，p为开槽周期，w为开槽宽度，d为开槽深度，a为波导内半径，波的传播方向为z轴方向。波纹波导的模型如图2 所示，开槽深度从右向左从二分之一波长渐变减小至四分之一波长，波纹波导输出端口TE11 和TM11 的场分布如图3（a）和图3（b）所示。TE11 和TM11 模式的归一化能力占比如图4 所示，从图4 中可以看出，输出端口的TE11 模式和TM11 模式各占到了输出模式成分的85%和13%。高斯模式HE11 由TE11 模式和TM11 模式组成，因此，输出模式的高斯模式HE11 成分占到了98%以上。

图2 波纹波导

图3 准光波导输出端口模式场分布图

图4 HE11 中TE11 和TM11 模式的转换效率

波纹波导输出端口的综合场分布如图5 所示，可以明显看出其呈中心高四周低的高斯分布，即能量集中在传输轴线的中心部分，且越靠近中心能量分布越强。从圆波导TE11 模式到波纹波导高斯模式HE11的转换效率如图6 所示，从图中可以看出转换效率高达98%以上，且在330~350 GHz 的宽频段范围内转换效率均在97%以上，为后面高斯波束在空间中的传播及进入准光高频结构激励起相应的工作模式做好了铺垫。

图5 波纹波导输出端口的HE11 模式

图6 TE11 到HE11 模式的转换效率

2 输入耦合器的设计

将圆波导的TE11 模式转换成波纹波导中的HE11 模式，为了在准光波导中激励起想要的工作模式TE06，需要经过镜面的反射进入准光波导，这里选用了2 个球面镜作为反射镜，将自由空间中传播的HE11经过2 个反射镜的反射，在准光波导中激励起TE06模式，如图7 所示。将圆波导中的TE11 模式经过镜面2 次反射后进入准光波导，成功地激励起TE06 模式。

从图7 中可以看出由于反射镜1 与波纹波导、反射镜2 与准光波导，以及2 个反射镜之间不可避免地存在空间间隙，电磁波不可避免地存在衍射，加之波导壁的欧姆损耗，以及准光波导段的衍射损耗，不可避免会有相当一部分的电磁能量被浪费。经过不断优化各项参数，实现了从圆波导基模TE11 到准光波导TE06模式的转换效率如图8 所示，转换效率达到68%。

图8 圆波导TE11 模式到准光波导TE06 模式的转换效率

3 结论

本文开展了太赫兹回旋行波管准光高频结构的研究，选取“波纹波导+反射镜面+准光波导”组合设计输入耦合器，主要对输入耦合器的设计及模拟验证，根据信号传输的路径，依次对输入波纹波导、准光波导的距离和反射镜镜宽、输入波导与准光波导的相对位置和尺寸进行优化。最终确保最低的输入耦合器反射系数，以获得最高的模式转换系数，并得到最大的工作带宽。设计的340 GHz 波纹波导，能有效将圆波导TE11 模式转换为高斯波束HE11，并经过反射镜反射进入准光波导成功地激励起工作模式TE06，最高转换效率接近70%。