太赫兹波在有限电导率金属空芯波导中的传输特性

研究了太赫兹波在具有有限电导率的金属镀层空芯波导中的传输特性.从其传输的特性方程出发,利用Newton-Raphson迭代方法数值模拟了传输损耗和相位常数随太赫兹波频率、波导内径以及波导中金属镀层的电导率的变化关系.结果表明,采用大芯径波导和高电导率的金属镀层能有效降低太赫兹波的传输损耗. 关键词： 太赫兹波 空芯波导 特征方程     

吸收介质膜/金属空芯光纤的太赫兹波传输特性

介质/金属结构空芯光纤是一种有发展前景的太赫兹波传输媒质.介质膜在有效增加内面反射率从而降低传输损耗的同时,其材料吸收会引起附加损耗.讨论了介质材料吸收对太赫兹空芯光纤结构参数的影响.计算结果表明,相比于无吸收的理想介质,吸收介质的最优膜厚变小.最优折射率变大.综合考虑了光纤内直径、介质膜折射率和传输波长等因素,分析了介质膜的材料吸收容限.分析结果表明,吸收容限随光纤内直径减小或传输波长增大而减小.当光纤内直径很小或传输波长很大时,吸收容限可能不存在.分析结果对介质/金属太赫兹空芯光纤的设计和材料选择具有重要参考价值.     

0.14THz折叠波导慢波结构的损耗特性

分析了两种常用来计算等效电导率的理论公式,并加工了折叠波导慢波结构进行冷测实验验证。在粗糙度为0.3μm时,0.14THz电磁波在无氧铜中传播的等效电导率约为4×107 S/m,这与已有理论公式的计算结果并不一致。最后初步讨论了这种不一致产生的原因,并提出了修正相关理论公式的想法。     

介质/金属结构太赫兹空芯光纤的传输特性

理论分析了金属、介质/金属结构空芯光纤在THz波段的模式结构和传输特性.金属空芯光纤支持TE11模式,介质/金属空芯光纤的介质膜厚在取最优值时支持HE11模式.对于波长为200μm的太赫兹波,内径为1 mm的两种空芯光纤,TE11和HE11模式的损耗分别为8.4 dB/m和2 dB/m.为优化介质/金属结构宅芯光纤的传输性能,分析了金属和介质材料的光学常数对衰减系数的影响.基于几种已发表的金属在太赫兹波段的光学常数,计算结果表明铝是最好的选择;初步测量结果显示,在各种树脂材料中聚乙烯在THz波段吸收较小,并且其折射率接近介质膜的最优值1.41,为太赫兹波空芯光纤中介质膜材料的理想选择.     

THz波段渐变波导中的多模传输特性

根据耦合波理论,推导出轴对称渐变波导中, 考虑波导壁损耗时的多模传输时域耦合波方程组,并给出该方程组中各模式间耦合系数的具体表达式。据此编写了渐变波导中多模传输特性数值模拟程序。利用该程序计算了在THz波段圆波导中的模式衰减,在THz波段研究波导中的多模传输特性时,必须考虑波导壁的阻抗损耗影响。数值分析了直波导中的模式耦合问题,从而证实了波导壁有限电导率能产生模式耦合这一耦合机制。介绍了利用该程序数值分析波导耦合器和过渡器中多模传输特性的两个例子,利用该程序可对波导耦合器和过渡器中的多模传输特性进行数值模拟分析,进而对结构进行设计和优化。     

THz波段渐变波导中的多模传输特性

 根据耦合波理论,推导出轴对称渐变波导中, 考虑波导壁损耗时的多模传输时域耦合波方程组,并给出该方程组中各模式间耦合系数的具体表达式。据此编写了渐变波导中多模传输特性数值模拟程序。利用该程序计算了在THz波段圆波导中的模式衰减,在THz波段研究波导中的多模传输特性时,必须考虑波导壁的阻抗损耗影响。数值分析了直波导中的模式耦合问题,从而证实了波导壁有限电导率能产生模式耦合这一耦合机制。介绍了利用该程序数值分析波导耦合器和过渡器中多模传输特性的两个例子,利用该程序可对波导耦合器和过渡器中的多模传输特性进行数值模拟分析,进而对结构进行设计和优化。     

0.22 THz折叠波导行波管初步实验研究

探索性试验了多种微加工技术加工设计频率0.22 THz的折叠波导慢波结构,最终选择了微铣削工艺进行加工,并测试了微铣削工艺加工的WR4标准直波导的损耗特性,得到了0.22 THz电磁波在无氧铜中传播时材料的相对电导率约为3.2107 S/m。以此为基础设计和制得了国内第一支0.22 THz折叠波导行波管,经过测试和标定得到输出功率大于100 mW,带宽3.5 GHz的初步实验结果。     

345 GHz折叠波导行波管中电磁传输损耗的分析计算

利用电导率等效方法对345GHz折叠波导行波管中的电磁信号的传输损耗进行了仿真研究,考察了流通管孔径、加工粗糙度等对冷腔传输损耗的影响。结果表明,流通管孔径较大或加工粗糙度较大都会导致电磁信号传输严重衰减。模拟分析了热腔中电磁信号衰减对慢波结构净增益、带宽、最佳周期数等器件特征参数的影响,结果显示,电磁信号衰减会使得增益下降和带宽降低。     

345 GHz折叠波导行波管中电磁传输损耗的分析计算

利用电导率等效方法对345 GHz折叠波导行波管中的电磁信号的传输损耗进行了仿真研究,考察了流通管孔径、加工粗糙度等对冷腔传输损耗的影响。结果表明,流通管孔径较大或加工粗糙度较大都会导致电磁信号传输严重衰减。模拟分析了热腔中电磁信号衰减对慢波结构净增益、带宽、最佳周期数等器件特征参数的影响,结果显示,电磁信号衰减会使得增益下降和带宽降低。     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

太赫兹折叠波导慢波结构S参数特性

理论上分析了计算周期数对0.22 THz折叠波导慢波结构S参数的影响,讨论了折叠波导慢波结构各个尺寸参数对损耗特性的影响,研究了粗糙度与损耗特性之间的关系。通过实验验证了0.22 THz标准矩形直波导的损耗特性。对实际加工的0.22 THz折叠波导慢波结构进行了测试,得到了实际的太赫兹波折叠波导慢波结构传输与损耗特性。     

介质镀膜空芯光纤在THz频段的传输特性

理论分析了介质镀膜空芯光纤在THz频段的传输特性,得出了该光纤的特征方程及模式分布。利用射线光学原理计算了介质膜材料为聚酰亚胺、介质膜厚度为0.05 mm的光纤的衰减常数随介质膜内直径的变化情况。得出其主模在THz频段的衰减常数小于1 dB/m,该值远小于相同内径的金属圆波导在这一频段的衰减常数。模拟计算了介质膜厚度为0.05 mm、内径为1 mm,金属膜内径为1.05 mm的介质镀膜空芯光纤在0~1 THz的S参数,模拟结果显示该光纤在THz频段有很宽的通带,且在通带内衰减常数小于0.5 dB/m,可用于THz频段电磁波远距离传输。     

0.14THz基模多注折叠波导行波管的理论与模拟研究

为解决THz行波管工作电流过小、输出功率低等问题,提出了基模多注工作模式的折叠波导行波管.首先,获得了基模多注折叠波导色散特性的等效传输线计算模型,并与数值模拟结果进行了比较;然后,对基模多注折叠波导的传输特性进行了模拟计算;最后,通过模拟和理论计算完成了0.14 THz基模多注折叠波导行波管的注波互作用特性分析.电子注参数为12 m A,15.75 k V时,获得的3 d B带宽为25 GHz(128—153 GHz),最大增益为33.61 d B,最大峰值功率为23 W;电子注参数为30 m A,15.75 k V时,在0.14 THz处获得了38 d B增益,最大脉冲输出功率为63.1 W.对比同条件下基模单注折叠波导行波管,3 d B带宽提升了1倍,0.14 THz处输出功率增大了9.66倍,互作用效率增大了3.22倍;当增益相同时,多注方式的互作用长度较单注缩短了33%.该方法能够有效增大THz行波管的工作电流,提高互作用增益及效率、3 d B带宽、输出功率;在增益相同时,基模多注行波管可以做得更短更紧凑.     

Terahertz multi-metal-wire hybrid-cladding hollow waveguide for refractive index sensing

We propose a design of terahertz refractive index sensing based on the multi-metal-wire(MMW) hybrid-cladding hollow waveguide. The proposed terahertz hybrid-cladding hollow waveguide comprises one air core in the center surrounding MMW surrounded dielectric. The central air core is used for filling lossless measurands and transmitting terahertz light. In particular, the refractive index sensing is realized by measuring the mode field area(MFA) variation of radially polarized mode. The modal effective refractive index, mode field intensity distribution, and mode field area properties responding to the measurand refractive indexes for different operating frequencies and structure dimensions are investigated, respectively.Simulations show that the proposed terahertz refractive index sensor can realize easily the measurement of the measurand refractive index. Meanwhile, the effects of operating frequency and structure parameters on sensitivity and measurement accuracy are also studied. In view of the trade-off between sensitivity and measurement accuracy, the reasonable choice of the operating frequency and structure parameters can optimize appropriately the sensitivity and measurement accuracy, and the sensitivity can reach approximately 0.585 mm~2/RIU(RIU is short for refraction index units) with the proper frequency and structure parameter.     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

THz波段介质涂敷空芯金属圆波导的传输特性

针对THz波段介质涂敷空芯金属圆波导传输特性的精确分析问题,基于波导中场方程及边界条件建立关于传播常数的特征方程,并且采用改进的Muller法求解特征方程得到涂敷圆波导主模HE11模的传播常数。计算中对THz波段的非理想导体电导率采用经典弛豫效应模型。仿真结果表明：内径为1.8 mm的银波导,当聚苯乙烯涂敷层厚度为17 m时,HE11模在1.5~3.0 THz的衰减常数在1 dB/m以下,且具有较好的色散特性;内径为2.2 mm的银波导,在2.5 THz时其衰减常数随涂敷层厚度的增加先增大后减小,且存在最佳介质涂敷层厚度,可实现THz波低损耗传输。