渐变慢波结构的太赫兹过模表面波振荡器

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器, 获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法, 研究分析了这种复合高频结构中TM01模的谐振特性。然后采用2.5维PIC（Particle-in-cell）软件UNIPIC, 模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明：随着周期数的增加, 输出太赫兹波中的TM02和TM03等高次模成分降低, TM01模的功率比例增大至80%以上;选择合适长度的渐变慢波结构, 能使得器件输出功率增大50%。     

A high-power subterahertz surface wave oscillator with separated overmoded slow wave structures

A megawatt-level subterahertz surface wave oscillator(SWO) is proposed to obtain high conversion efficiency by using separated overmoded slow wave structures(SWSs). Aiming at the repetitive operation and practical applications, the device driven by electron beam with modest energy and current is theoretically analyzed and verified. Then,the functions of the two SWS sections and the effect of the drift tube are investigated by using a particle-in-cell code to reveal how the proposed device achieves high efficiency. The mode analysis of the beam-wave interaction region in the device is also carried out, and the results indicate that multi-modes participate in the premodulation of the electron beam in the first SWS section, while the TM01 mode surface wave is successfully and dominantly excited and amplified in the second SWS section. Finally, a typical simulation result demonstrates that at a beam energy of 313 ke V, beam current of 1.13 k A, and guiding magnetic field of above 3.5 T, a high-power subterahertz wave is obtained with an output power of about 70 MW at frequency 146.3 GHz, corresponding to the conversion efficiency of 20%. Compared with the results of the previous subterahertz overmoded SWOs with integral SWS and similar beam parameters, the efficiency increases almost 50% in the proposed device.     

0.14太赫兹同轴表面波振荡器研究

为了提高太赫兹表面波振荡器的输出功率,本文提出了同轴结构的表面波振荡器模型,并且获得了该同轴结构TM01模的色散曲线,采用自行研制的全电磁粒子模拟软件UNIPIC对提出的同轴结构表面波振荡器进行了模拟,结果表明器件的工作频率与圆柱结构时的表面波振荡器相同,在输出端以TEM模式传输太赫兹波,输出功率相比圆柱结构的表面波振荡器输出功率水平提高了67.8%.     

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.     

过模结构0.14 THz高功率脉冲探测器研制

基于n型硅在强电场下的热电子效应,初步研制了一种采用过模结构的0.14 THz高功率太赫兹脉冲探测器。该探测器由基模波导WR6、过渡波导、过模波导WR10, n型硅探测芯片和偏置恒流源组成。模拟分析了探测器的工作过程,给出了相对灵敏度表达式,结果表明过模探测器能很好地工作在TE10模式。合理设计了探测芯片的结构参数和加工工艺,完成了探测芯片的加工和探测器样机的制作。将探测器样机在0.14 THz相对论表面波振荡器的辐射场进行了初步的验证性实验,并与二极管检波器的测量结果进行了对比分析。结果表明：过模探测器样机的响应时间在ps量级,相对灵敏度约为0.12 kW-1,最大承受功率至少为数十W,可用于0.14 THz高功率脉冲的直接探测。     

High-power terahertz pulse sensor with overmoded structure

Based on the hot electron effect in a semiconductor, an overmoded resistive sensor for 0.3-0.4 THz band is investi-gated. The distribution of electromagnetic field components, voltage standing wave ratio （VSWR）, and the average electric field in the silicon block are obtained by using the three-dimensional finite-difference time-domain （FDTD） method. By adjusting several factors （such as the length, width, height and specific resistance of the silicon block） a novel sensor with optimal structural parameters that can be used as a power measurement device for high power terahertz pulse directly is proposed. The results show that the sensor has a relative sensitivity of about 0.24 kW 1, with a fluctuation of relative sensitivity of no more than ±22%, and the maximum of VSWR is 2.74 for 0.3-0.4 THz band.     

0.14 THz高功率太赫兹脉冲的参数测量

给出了0.14 THz高功率单次脉冲信号的频率和功率的测量方法及实验结果。针对高功率太赫兹脉冲频率高、峰值功率高和脉宽短的特点,实验中采用了截止波导滤波法与谐波混频法相结合的方式准确测定了脉冲信号频率,利用辐射场功率密度积分法获取了辐射脉冲的远场功率分布,并给出了单次脉冲的辐射功率。某实验条件下的测量结果表明,0.14 THz高功率太赫兹脉冲的频率为0.146 3 THz,脉宽约为1.5 ns,功率不小于0.5 MW。     

过模矩形波导中硅芯片与基模亚毫米波的作用

模拟研究了过模矩形波导WR10中n型硅探测芯片对TE10模亚毫米波的响应。针对过模波导WR10中内置n型硅芯片的亚毫米波探测结构,推导了基模工作时的灵敏度表达式。采用三维电磁场时域有限差分方法,模拟计算了过模波导中300~400 GHz频带的TE10模亚毫米波与硅芯片的相互作用,分析了探测结构中电压驻波比和芯片内平均电场随硅芯片参数变化的规律。结果表明,在相同的芯片参数下,过模探测结构并不影响电压驻波比和芯片内平均电场的大小,但两者随频率变化的波动程度增大。在300~400 GHz工作频带内,优化得到了性能较优的过模探测结构,其电压驻波比不大于2.75（335~380 GHz频带内不大于1.8）,线性工作区的相对灵敏度约为0.127 kW-1,频率响应的波动范围在20.5%内,最大承受功率约为0.53 kW,响应时间为100 ps量级,满足亚毫米波大功率脉冲的直接探测需求。     

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     

0.34 THz大功率过模表面波振荡器研究

论文对0.34 THz大功率过模表面波振荡器进行了模拟设计和初步实验研究. 针对高过模比(D/λ ≈ 6.8)慢波结构, 根据小信号理论选择了合适的慢波结构尺寸和电子束距壁距离, 实现了器件在表面波TM₀₁模的π点附近谐振. 根据PIC模拟结果, 表面波振荡器可以实现频率和功率分别为0.34 THz和22.8 MW的太赫兹波输出. 采用微细电火花加工技术完成了不锈钢慢波结构的一体化精细加工, 并基于小型化脉冲功率驱动源搭建了实验装置. 初步的实验结果表明, 在电子束电压和电流分别约为420 kV和3.1 kA时, 0.34 THz大功率过模表面波振荡器输出脉冲的频率范围为0.319–0.349 THz, 辐射功率不小于250 kW, 脉宽约为2 ns. 最后分析讨论了实验输出功率与模拟结果相差较大的原因, 为表面波振荡器的性能改善奠定了基础.