過(guò)模表面波振蕩器輸出太赫茲波模式的影響因素分析
采用軸向電場(chǎng)分解與PIC( Particle-in-cell) 模擬相結合的方法，研究了二極管參數、引導磁場(chǎng)和輸出結構等因素對0. 14 THz 過(guò)模表面波振蕩器輸出太赫茲波模式的影響。當太赫茲波實(shí)現穩定輸出時(shí)，其模式成分和相對相位差基本不受二極管電壓的上升沿、幅度和引導磁場(chǎng)大小的影響，除非振蕩器的工作狀態(tài)發(fā)生了明顯改變，但它們對陽(yáng)極半徑和陰陽(yáng)極間距的變化較為敏感。在較小的二極管電壓、陽(yáng)極半徑或陰陽(yáng)極間距下振蕩器能獲得一定成分的TM01模太赫茲波輸出。輸出結構決定了輸出太赫茲波的模式成分。通過(guò)合理設計錐形輸出結構的參數，能夠實(shí)現相同功率水平下的純凈TM01模輸出，簡(jiǎn)單有效地解決過(guò)模表面波振蕩器的多模輸出問(wèn)題。
隨著(zhù)高功率微波技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和毫米波太赫茲波技術(shù)的興起，提高效率和輸出功率仍是各頻段真空電子器件的主要發(fā)展目標。鑒于過(guò)模相對論切侖科夫器件在功率容量高、結構尺寸大和系統緊湊性等方面的明顯優(yōu)勢，它已成為目前相對論真空電子器件的研究熱點(diǎn)之一。但是，過(guò)模結構的引入將導致器件出現模式競爭和多模輸出，影響器件的性能、測量和應用，從而帶來(lái)一系列新的問(wèn)題。例如，多模傳輸將引起寄生損耗，多模輻射會(huì )產(chǎn)生信號不穩定性，多模分布還將大大增加針對輻射應用的模式轉換器或天線(xiàn)的設計難度，這些都將限制過(guò)模器件的性能提升和進(jìn)一步應用。因此，需要在器件設計時(shí)對過(guò)模相對論切侖科夫器件開(kāi)展必要的模式分析，找出輸出電磁波模式的影響因素，以解決存在的上述問(wèn)題。
本文針對近年來(lái)研制的0. 14 THz 過(guò)模表面波振蕩器，采用軸向電場(chǎng)的貝塞爾-傅里葉分解與PIC( Particle-in-cell) 模擬相結合的方法，系統研究了二極管參數、引導磁場(chǎng)和輸出結構等關(guān)鍵因素對輸出太赫茲波模式的影響，并在保證振蕩器輸出性能的前提下，給出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的單模輸出結構的設計方案，為過(guò)模切侖科夫器件的結構和性能改進(jìn)提供參考。
1、過(guò)模表面波振蕩器結構與模式分析方法
鑒于高功率太赫茲脈沖在太赫茲波干擾與對抗中的潛在應用，近年來(lái)我們開(kāi)展了高功率太赫茲真空電子器件的研制工作，所設計的0.14 THz過(guò)模表面波振蕩器的結構如圖1 所示。無(wú)箔二極管的陽(yáng)極半徑為9 mm，環(huán)形電子束厚度和距壁距離均為0.5 mm，慢波結構的周期長(cháng)度、槽深和槽寬分別為0.7，0.3 和0.4 mm，L1和L2分別為波導過(guò)渡區和電子收集極長(cháng)度，輸出波導半徑R0為6 mm。振蕩器被設計為工作在色散曲線(xiàn)上TM01模0 次諧波的π 點(diǎn)來(lái)實(shí)現單模激勵，但在慢波結構區域和輸出波導段的過(guò)模比( 平均直徑與輻射波長(cháng)之比) 分別達到了3 和6，屬于典型的過(guò)模相對論切侖科夫器件。目前該器件已在實(shí)驗上成功實(shí)現了頻率約為0.154 THz，功率約為2.6 MW，脈寬約為1.5 ns 的10 Hz 重頻輸出。
0.14 THz 過(guò)模表面波振蕩器采用了圓周對稱(chēng)結構和環(huán)形激勵電子束，因此其中只能產(chǎn)生和存在TM0n模，可以采用文獻中提出的軸向電場(chǎng)的貝塞爾-傅里葉分解與PIC 模擬相結合的方法來(lái)進(jìn)行模式分析。對于圖1 標注的輸出考察面，由于無(wú)太赫茲波反射，根據文獻[13]得到t0時(shí)刻TM0n各模式的幅度Enzm和相位αn的簡(jiǎn)化求解方程組為
式中，t1為滿(mǎn)足條件| t0 - t1 |T 的某時(shí)刻，T 和ω分別為太赫茲波的周期和角頻率; J0和J1分別為0階和1 階貝塞爾函數，x0n是J0( x) = 0 的第n 個(gè)根。然后，通過(guò)PIC 模擬得到波導截面上t0和t1兩個(gè)時(shí)刻縱向場(chǎng)的分布Ez( R，t ) ，代入方程組(1) ，即可求得TM0n各模式的幅度Enzm
和瞬時(shí)相位，從而計算得到各模式的功率成分和相位差，進(jìn)行輸出太赫茲波模式成分的理論分析。這里采用2.5 維PIC 軟件UNIPIC 進(jìn)行模擬，目前它已成功應用于高功率太赫茲波源的設計，振蕩器的金屬材料選擇為銅。
圖1 0.14 THz 過(guò)模表面波振蕩器的結構簡(jiǎn)圖
基于上述方法，文獻的初步分析表明，穩態(tài)時(shí)0. 14 THz 過(guò)模表面波振蕩器在結構不連續處均出現了高次TM0n模激勵，使得輸出太赫茲波的模式成分以TM02和TM03模為主，并伴以少量的TM04模，而TM01模的成分不足1%，幾乎可以忽略。因此，下面將研究過(guò)模表面波振蕩器的關(guān)鍵參數對輸出太赫茲波模式的影響，深入分析多模分布的重要影響因素，尋找實(shí)現基模輸出的解決辦法。
3、結論
對于現有結構的0.14 THz 過(guò)模表面波振蕩器，詳細的理論分析結果表明，穩態(tài)時(shí)二極管電壓的上升沿和幅度以及引導磁場(chǎng)強度的參數波對太赫茲波的模式基本沒(méi)有影響，除非振蕩器的工作狀態(tài)發(fā)生明顯變化，但通過(guò)減小陽(yáng)極半徑或陰陽(yáng)極間距的方法增大二極管電流能夠提高輸出太赫茲波中的TM01模成分，這兩個(gè)參數對模式間相對相位差的影響也很大。作為振蕩器出現多模分布的成因之一，輸出結構的變化能明顯改變太赫茲波的模式成分。采用輸出波導半徑為1. 5 mm 的收縮錐形輸出結構，能夠在輸出頻率不變和功率略有增大的基礎上，很好實(shí)現TM01模的單模輸出，簡(jiǎn)單有效地解決過(guò)模切侖科夫器件的多模輸出問(wèn)題。下一步將繼續深入研究這種輸出結構下振蕩器的工作機理和模式激勵等問(wèn)題，在實(shí)驗上實(shí)現振蕩器的單模輸出。本文的研究結果將為各頻段過(guò)模相對論切侖科夫器件的設計和結構改進(jìn)提供參考。
