等离子体填充盘荷波导高频特性分析

从麦克斯韦方程和流体理论出发，推导了填充磁化等离子体慢波结构的基本方程.在大磁场情况下，对等离子体填充盘荷波导的色散特性和耦合阻抗作了研究，结果表明填充等离子体使色散曲线上移，耦合阻抗提高.等离子体填充产生出模式谱非常丰富的周期性低频等离子体模式(TG模式).当等离子体密度增加到一定程度后，场模TM₀₁模的频率范围和TG₀₁模的频率范围相近，两个模式互相耦合产生出新的混合模G₁,G₂.如果相对论行波管工作在混合模上，将会产生新的工作机理. 关键词： 盘荷波导 等离子体填充 色散特性 相对论行波管     

0.14THz过模表面波振荡器的模式分析

采用理论分析和实验验证相结合的方法, 研究了0.14 THz过模表面波振荡器(过模比D/λ≈3)中太赫兹波模式成分的分布. 首先针对具有圆周对称结构的过模切连科夫器件, 建立了用于模式分析的纵向场分解法. 接着基于2.5维PIC(Particle-in-cell)软件的电场模拟结果, 采用该方法对0.14 THz表面波振荡器的模式进行了详尽的理论分析. 结果表明, 器件中不同结构区域的太赫兹波模式成分不同, 相互间存在模式转换, 输出模式以TM₀₂和TM₀₃模为主, 并伴有少量TM₀₄模. 最后利用图像显示法获取了0.14 THz表面波振荡器的近场辐射能量分布, 与由模式分析结果得到的理论分布符合的较好, 证明了纵向场分解法用于模式分析的可行性和结果的正确性. 关键词： 过模 表面波振荡器 模式分析 场分解法     

太赫兹量子级联激光器光束特性分析

用有限元法计算太赫兹量子级联激光器激光模式的阈值增益.结果表明:接触层厚度和掺杂浓度对阈值增益的影响远远大于波导宽度和激射波长;接触层厚度较小(大)和掺杂浓度较低(高)时,TM₁(TM₀)模的阈值增益较小.在此基础上,用矢量衍射理论分析岀射光束的远场特性,得到光束的远场光斑基本是椭圆;x方向的远场散射角随波导宽度或激射波长的增加分别线性减小或增加,尽管对应的接触层厚度和掺杂浓度不同,但TM₀和TM₁模x方向的远场散射角相同;另外,还得到y方向远场散射角不受波导宽度或少受激射波长的影响.在阈值增益和光束质量方面,TM₁模都优于TM₀模.     

偏心电子注激励周期加载波导角向非对称模衍射辐射

周期加载波导中匀速带电粒子的衍射辐射是产生较高频段可调谐太赫兹电磁辐射（频率高于1 THz）的有效方法.对圆柱形周期加载波导中偏心电子注产生的衍射辐射现象,进行了严格的理论分析和粒子模拟验证.研究表明,偏心电子注在波导中除了激励起角向对称模（TM₀波）以外,还将激励起角向模式为1（HE₁波）和2（HE₂波）的角向非对称模.并且电子注偏离轴线距离越大,激励的角向非对称模场强越强.每个模式的功率随电子注的激励位置呈变态贝塞尔函数平方关系变化,与电子注电流平方成正比.理论分析与计算机模拟的结果符合较好.研究结果将为发展该类可调谐太赫兹辐射源提供理论依据.     

带双腔反射器的X波段低磁场过模相对论返波管振荡器

提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器(RBWO),其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构,较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分,插入同轴避免了高阶模式的竞争,使两段慢波结构分别工作在TM₀₂和同轴TM₀₁模式下。同时,插入同轴还起着模式转换的功能,将TM₀₂转化为TM₀₁,最终在输出波导中输出纯TM₀₁模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离,同时为电子束提供足够的预调制,实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计,在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下,获得了3.5 GW的微波输出功率,微波中心频率为9.46 GHz,转换效率约为35%。     

基于TM010模介质谐振腔的小型化腔体滤波器

现用于4G基站的介质腔体滤波器都采用TE_01δ模介质谐振腔,虽然其品质因数Q值很高,但体积较大。为了小型化介质腔体滤波器,创新性地使用了TM₀₁₀模介质谐振腔,虽然其Q值比较低,但同样能满足高带外抑制的要求。对TM₀₁₀模介质谐振腔的端口耦合和两腔之间的磁耦合、电耦合进行分析研究,创新性地使用了介质窗的形式产生电耦合,避免了使用飞杆,易于加工,降低制造成本。最后设计了一个8腔TM₀₁₀模准椭圆函数介质腔体带通滤波器,在通带(TD-LTE频带,2570~2620 MHz)两端分别设计两个传输零点以提高带外抑制。调试结果表明,TM₀₁₀模介质腔体滤波器不仅能满足低插损、高带外抑制的要求,而且其体积大幅度缩小。     

X波段过模弯曲圆波导TM01-HE11模式变换器研究

在波束波导和反射面天线的馈源应用中, 为了产生低副瓣且方向图等化的高斯波束, 需要将高功率微波转换为准高斯模HE₁₁模辐射. 本文利用弯曲圆波导可同时从TM₀₁模产生TE₁₁模和TM₁₁模的原理, 提出了采用双弯曲过模圆波导结构直接将TM₀₁转换为HE₁₁的模式变换器, 避免了常规微波领域中首先将TM₀₁转换为TE₁₁再用波纹式或半径渐变式TE₁₁-HE₁₁转换器转换为准高斯波束功率容量不足或尺寸过长的不足. 基于模式耦合理论和Taguchi优化算法对模式变换器的弯曲半径、相移直端长度及引入位置进行了优化, 使输出的TE₁₁和TM₁₁成一定比率, 以组成HE₁₁模式, 并对设计的模式变换器进行了全电磁波仿真分析, 结果表明输出波束的标量高斯含量在9.05–9.8 GHz范围内均高于99%, 理论功率容量可达4.5 GW. 关键词： 高功率微波 模式耦合理论 Taguchi优化算法 模式变换器     

X波段高功率宽带选模定向耦合器

过模圆波导在提高功率容量的同时,不可避免地会造成微波源中同时存在多种模式。为了监测X波段长脉冲高功率微波源TM₀₁模的输出功率和频谱,采用CST软件仿真设计了X波段高功率宽带选模定向耦合器,在耦合TM₀₁模的同时可实现对TM₀₂和TE₁₁模的抑制。波导腔体及耦合孔的尺寸以小孔耦合理论和相位叠加原理为基础并结合切比雪夫分布函数计算确定。仿真结果表明:该高功率宽带选模定向耦合器在9.0~9.8 GHz的带宽范围内,耦合度为(-59.08±1) dB,定向性大于30 dB,对TE₁₁模的抑制度大于15 dB,对TM₀₂模的抑制度大于30 dB,功率容量大于2.5 GW。     

一种X波段过模高效率相对论返波管

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM₀₁模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM₀₁模表面波主要转化为TM₀₂模的体波,其输出微波的模式主要为TM₀₂模,占比为81%,其余为TM₀₁模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM₀₁模与TM₀₂模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV,电流14.3 kA,得到了6.6 GW的输出功率,转换效率约51%。     

填充ENZ材料的太赫兹高双折射及近零平坦色散微结构光纤北大核心CSCD

为了实现太赫兹波的保偏波导传输,设计了一种含有纤芯缺陷孔和椭圆形包层空气孔的高双折射微结构光纤。通过在包层空气孔中选择性地填充太赫兹近零介电常量(epsilon-nearzero,ENZ)材料,引入了几何结构和材料分布的双重不对称性,破坏了2个偏振基模的简并以获得高双折射特性。应用有限元方法研究了光纤的双折射、损耗和色散等传输特性随结构参数的变化规律。在0.5 THz~2 THz的宽频段范围内获得了大于0.01的高双折射。x和y偏振基模的损耗在0.8 THz附近具有最小值,分别为0.903 dB·cm^(-1)和0.851 dB·cm^(-1)。纤芯缺陷孔可以有效调节色散特性,y偏振基模在1 THz~1.8 THz范围内具有(0±0.054)ps·THz^(-1)·cm^(-1)近零平坦色散特性。光纤的传输特性对ENZ材料的折射率变化不敏感。研究结论为研制太赫兹保偏光纤提供了理论参考。     

高次模式同轴多间隙腔激励特性研究

提出了一种工作在TM₅₁-2π模式的Ka波段同轴多间隙谐振腔,使用CST本征模求解器研究了此结构的电场分布特性,并分析了基于外侧全通的耦合方式下该结构的冷腔模式特性。在此基础上,通过结合空间电荷波理论和CST三维粒子仿真分析,研究了在多电子注激励下同轴多间隙腔高次模式的起振特性,并分析了此种结构的模式稳定性与注-波互作用特性。研究结果表明:对于工作在Ka波段的TM₅₁-2π模式同轴多间隙腔,采取结构外侧全耦合的方式具有较高的模式稳定性;在此结构中,多电子注不仅会均匀激励起工作模式,也可能非均匀激励起竞争模式;不同于工作在基模的扩展互作用速调管,此种结构的速调管电场极值是分别建立的,因此激励电子注可放置在不同相位的电场极值处;在保持电子注电压、总电流不变的情况下,采取更多电子注的激励方式,需要更小的聚焦磁场。     

Modal dispersion phase-matched frequency doubling in composite planar waveguide using ion-exchanged glass and optically nonlinear poled polymer

We report on the fabrication and characterization of composite planar waveguides for frequency doubling. Modal dispersion phase matching is obtained for TM₀ fundamental and (TM₁, TM₂) harmonic wavelength. The experimental conversion efficiency was η=0.45% with an SH wavelength of 0.516 μm for TM₀^ω–TM₂^2ω mode conversion. The phase-matching condition can be fulfilled by adjusting the diffusion time of ion-exchange and the thickness of the polymer layer.     

0.14 THz双环超材料慢波结构表面波振荡器数值研究

本文研究了一种太赫兹波段双环超材料慢波结构, 并具有同轴引出结构的相对论过模表面波振荡器. 设计了超材料同轴过模慢波结构; 通过色散特性, 进行了模式选择和过模结构电子束电参数和几何参数的设计; 根据超材料同轴慢波结构的特点, 设计了具有同轴引出结构的末端同轴输出段. 粒子模拟结果表明, 在电子束电压为600 kV和电流为1.0 kA, 引导磁场为2.0 T 时, 同轴超材料慢波结构过模表面波振荡器输出稳定单频的0.141 THz电磁波, 峰值功率为316.8 MW.     

Mode analysis and design of 0.3-THz Clinotron

To develop a high-power continuous-wave terahertz source, a Clinotron operating at 0.3 THz is investigated. Based on the analyses of field distribution and coupling impedance, the dispersion characteristic of a rectangular resonator is preliminarily studied. The effective way to select fundamental mode to interact with the electron beam is especially studied.Finally, the structure is optimized by particle-in-cell simulation, and the problems of manufacture tolerance, current density threshold, and heat dissipation during Clinotron's operation are also discussed. The optimum device can work with a good performance under the conditions of 8 k V and 60 m A. With the generation of signal frequency at 315.89 GHz and output power at 12 W on average, this device shows great prospects in the application of terahertz waves.     

Resonant cavity vircator driven by a thermionic cathode electronbeam gun

A resonant cavity vircator (virtual cathode oscillator) driven by an electron beam emitted from a broad-area thermionic cathode is tested. Narrow-bandwidth (1.0 MHz at the -3 dB level) excitation of the TM₀₂₃ mode of a cylindrical resonant cavity is observed at a frequency of 986 MHz with a pulselength of 1.2 μs. The single-cavity-mode excitation is attributed to the constant-voltage and -current electron beam emitted from the thermionic cathode     

Complete eigenmode analysis of a ladder-type multiple-gap resonant cavity

A theoretical model is developed for calculating the eigenmodes of the multi-gap resonant cavity. The structure of concern is a kind of ladder-type circuit, offering the advantages of easy fabrication, high characteristic impedance(R/Q),and thermal capacity in the millimeter wave to THz regime. The eigenfunction expansion method is used to establish the field expressions for the gaps and the coupling region. Then, the match conditions at the interface are employed, which leads to a group of complicate boundary equations in the form of an infinite series. To facilitate the mathematical treatments and perform a highly efficient calculation, these boundary equations are transformed into the algebraic forms through the matrix representations. Finally, the concise dispersion equation is obtained. The roots of the dispersion equation include both the axial modes in the gaps, which include the fundamental and the high-order modes, and the cavity modes in the coupling region. Extensive numerical results are presented and the behaviors of the multi-gap resonant cavity are examined.     

基于BEPCⅡ的腔式束流位置探测系统设计优化与线下测试

研究了基于BEPCⅡ直线加速器的腔式束流位置探测系统(CBPM)的设计。本方案给出的CBPM探头工作频率为S波段,束流管道半径23 mm,参考腔TM010工作频率和位置腔TM110的工作频率一致。由线下测试结果可知,CBPM实物特征参数与仿真结果一致,CBPM水平和垂直方向工作频率分别为2502 MHz和2503 MHz;垂直和水平的四个端口交叉隔离度均优于-44.7 dB;测量线性区域好于10 mm。射频前端电子学负责对CBPM探头的模拟信号进行滤波、放大和下变频等调制。将CBPM探头置于标定平台,对经过CBPM信号进行时域和频域分析,通过计算得到CBPM水平、垂直方向线下分辨率分别为2.87μm、2.16μm。     

Creation of multi-frequency terahertz waves by optimized cascaded difference frequency generation

A new scheme which generates multi-frequency terahertz (THz) waves from planar waveguide by the optimized cascaded difference frequency generation (OCDFG) is proposed. A THz wave with frequency ω_T1 is generated by the OCDFG with two infrared pump waves, and simultaneously a series of cascaded optical waves with a frequency interval ω_T1 is generated. The THz wave with a frequency of M-times ω_T1 is generated by mixing the m-th-order and the (m+M)-th-order cascaded optical wave. The phase mismatch distributions of cascaded difference frequency generation (CDFG) are modulated by changing the thickness of planar waveguide step by step, thereby satisfying the phase-matching condition from first-order to high-order cascaded Stokes process step by step. As a result, the intensity of THz wave can be enhanced and modulated by controlling the cascading order of OCDFG.