THz输能窗及天线一体化结构的研究*

王自成 ，田 宏，刘青伦，2，李海强，徐安玉

(1.中国科学院电子学研究所，北京1000190;2.中国科学院研究生院，北京100039)

太赫兹波是频率在0.1 THz～10 THz之间的电磁波。就在几年前，THz频段的电磁波还是人们研究得较少的领域。因此，与太赫兹频域两边的红外频域和毫米波以下频域相比，人们对太赫兹波的认识相对肤浅，对太赫兹的应用相对贫乏。然而，随着更大功率的太赫兹源和更加灵敏的探测技术的出现，目前太赫兹波在物质特性分析［1-3］、成像［4］、探测［4-6］、遥感［7］和国防［8-9］上面的应用日益突显出来，由此引起了一场世界范围内的针对太赫兹波的研究热潮。

无论要把太赫兹电磁波应用于何种场合，都需要紧凑高效的太赫兹电磁波源。因此，同基于光学的太赫兹源和基于固态电子学的太赫兹源一样［10-12］，基于真空电子学的太赫兹波源，如太赫兹返波管、太赫兹行波管振荡器、太赫兹EIK和太赫兹回旋管等，也引起了世界领域的研究兴趣。例如美国的 CCR(Calabazas Creek Research，Inc)［13-14］Utah 大学［15］、NASA 的 Lewis Research Center［16］及法国Thomson CSF DET［17］等研究机构纷纷开展了THz返波管的研究;美国Northrop Grumman公司等开展了太赫兹行波管振荡器的研究［18］。在国内，西安交通大学和中国工程物理研究院应用电子学研究所开展了0.14 THz相对论返波管的研究［19-21］;中国电子科技集团第12研究所及成都电子科技大学开展太赫兹行波管(振荡器)及回旋管振荡器的研究［22-26］，中国科学院电子学研究开展了太赫兹返波管、太赫兹 EIK 的模拟研究［27-29］。

上述基于真空电子学的太赫兹波源具有一个共同的特点，就是需要一定的输能结构承担从高真空的管体内部向外导出太赫兹波的任务。在太赫兹频域，输能结构等关键部件的尺寸很小，而对公差的要求却提高到了μm量级。在0.22 THz左右，模拟计算表明盒形窗的窗片厚度仅为0.15 mm。这时，如何使输能结构保证气密性就成了研制太赫兹源过程中的主要挑战。要解决此问题，一方面是从工艺角度出发提高陶瓷窗片与金属的封接水平，另一方面是通过计算机模拟寻求新的输能窗结构，使得所需的陶瓷窗片的厚度可以适当增厚。

本文首次提出了一种太赫兹输能窗-天线一体化结构，并进行了计算机模拟研究，结果表明这种结构在0.20 THz～0.24 THz频带内的驻波比小于1.5，而所需的蓝宝石窗片厚度为0.3 mm，是已知的盒形窗的2倍。这意味着，在相同工艺技术水平下，这种太赫兹输能窗-天线一体化结构可以工作到相同厚度盒形窗的2倍频率附近。

1 0.20 THz～0.24 THz输能窗的计算机模拟

电真空器件是在真空条件下产生或放大电磁波的，它们所产生或放大的电磁波一般通过同轴导波系统或波导导波系统导出管体之外，并提供给用户使用。为了保证电真空器件在与周围的气密隔离的条件下输入(或输出)电磁能量，还必须在上述导波系统的适当位置引入适当的输能结构。已知的尚能工作于90 GHz以下频段的一种代表性输能结构就是基于蓝宝石窗片的盒形窗。盒形窗的一端与返波管的慢波结构相连，另一端则设计为标准矩形波导，如图1所示。

图1 盒形窗CST模型

首先，本文通过对Ka波段的盒形窗的基本尺寸进行缩尺的方法，确定了0.20 THz～0.24 THz的盒形窗的基本尺寸。然后通过CST大型三维电磁计算软件对0.20 THz～0.24 THz的盒形窗进行了计算机模拟，模拟计算结果如图2所示。从图2可以看出，盒形窗的匹配性能非常好，在0.20 THz～0.24 THz频段的驻波比可以小于2。也就是说，盒形窗理论上可以工作在0.20 THz～0.24 THz频段。但是，模拟结果也表明，蓝宝石窗片厚度仅为0.15 mm，使得盒形窗在保证气密性方面面临着严峻挑战。

图2 0.22 THz附近盒形窗模拟特性

考虑到目前0.20 THz以上频段的太赫兹波主要被应用于成像、探测、通信等领域，都需要适当的天线将太赫兹波发射出去。而在标准波导与天线的过渡区域，导波系统的结构尺寸存在逐渐放大的过渡段。如果在此过渡段中设置陶瓷窗片，那么所需的陶瓷窗片的尺寸(包括厚度)有可能可以适当放大。基于这种设想，本文首次提出0.20 THz～0.24 THz输能窗及天线一体化结构，下面将进一步展示其计算机模拟结果。

图3 0.22 THz输能窗-天线一体化结构

2 0.20 THz～0.24 THz输能窗-天线一体化结构的计算机模拟

我们提出的这种输能窗及天线一体化结构如图3所示。在其陶瓷窗片一侧为波导，可以与返波管行波管振荡器或EIK等的输出端相连接，另一侧被直接设计为一个辐射天线。利用这个辐射天线，可以把行波管等的太赫兹能量直接辐射出去，供给太赫兹成像或检测设备使用。图4示出了这种输能窗-天线一体化结构的反射特性，表明在0.20 THz～0.24 THz范围内驻波比小于1.5，其匹配性能与上面计算过的盒形窗一样优良。同时，计算表明这种结构的陶瓷窗片厚度为0.3 mm，是盒形窗的2倍多。由于所使用软件的可靠性已经在Ka波段得到验证，因此，尽管我们因为不具备0.20 THz～0.24 THz W频段的测试条件而没有进行实验测试，也可以推断这一结果是可信的［30］。

图4 0.22 THz输能窗—天线一体化结构的反射特性

3 结论

在返波管、EIK和行波管振荡器等基于真空电子学的太赫兹源的研究中，由于保持管内高真空是这些器件正常工作的必要条件，因此承担气密隔离和太赫兹能量传输双重功能的输能窗就是这些器件的关键部件。随着工作频率升高，输能结构等关键部件的尺寸变得很小，相应地所需陶瓷窗片的厚度变薄，因而机械强度减弱，保证管体气密的能力下降。因此，除了通过提高工艺技术水平以提高已知输能结构的气密能力以外，通过计算机模拟研究寻求新的具有更高机械强度和气密能力的输能结构也是研究上述基于真空电子学的太赫兹源的主要途径。

为此，本文提出了上述太赫兹输能窗及天线一体化结构，并采用三维大型电磁计算软件进行了计算机模拟研究，结果表明这种结构在0.20 THz～0.24 THz频带内的驻波比小于1.5，而所需的蓝宝石窗片厚度为0.3 mm，是已知的盒形窗的2倍。这意味着，在相同工艺技术水平下，这种太赫兹输能窗—天线一体化结构可以工作到相同厚度盒形和形窗的2倍频率附近。此外这种结构还集成了小型天线，减省了太赫兹源使用中的外围辅助部件，方便了使用。

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