THz輸能窗及天線一體化結構的研究*

王自成 ，田 宏，劉青倫，2，李海強，徐安玉

(1.中國科學院電子學研究所，北京1000190;2.中國科學院研究生院，北京100039)

太赫茲波是頻率在0.1 THz～10 THz之間的電磁波。就在幾年前，THz頻段的電磁波還是人們研究得較少的領域。因此，與太赫茲頻域兩邊的紅外頻域和毫米波以下頻域相比，人們對太赫茲波的認識相對膚淺，對太赫茲的應用相對貧乏。然而，隨著更大功率的太赫茲源和更加靈敏的探測技術的出現，目前太赫茲波在物質特性分析［1-3］、成像［4］、探測［4-6］、遙感［7］和國防［8-9］上面的應用日益突顯出來，由此引起了一場世界范圍內的針對太赫茲波的研究熱潮。

無論要把太赫茲電磁波應用于何種場合，都需要緊湊高效的太赫茲電磁波源。因此，同基于光學的太赫茲源和基于固態電子學的太赫茲源一樣［10-12］，基于真空電子學的太赫茲波源，如太赫茲返波管、太赫茲行波管振蕩器、太赫茲EIK和太赫茲回旋管等，也引起了世界領域的研究興趣。例如美國的 CCR(Calabazas Creek Research，Inc)［13-14］Utah 大學［15］、NASA 的 Lewis Research Center［16］及法國Thomson CSF DET［17］等研究機構紛紛開展了THz返波管的研究;美國Northrop Grumman公司等開展了太赫茲行波管振蕩器的研究［18］。在國內，西安交通大學和中國工程物理研究院應用電子學研究所開展了0.14 THz相對論返波管的研究［19-21］;中國電子科技集團第12研究所及成都電子科技大學開展太赫茲行波管(振蕩器)及回旋管振蕩器的研究［22-26］，中國科學院電子學研究開展了太赫茲返波管、太赫茲 EIK 的模擬研究［27-29］。

上述基于真空電子學的太赫茲波源具有一個共同的特點，就是需要一定的輸能結構承擔從高真空的管體內部向外導出太赫茲波的任務。在太赫茲頻域，輸能結構等關鍵部件的尺寸很小，而對公差的要求卻提高到了μm量級。在0.22 THz左右，模擬計算表明盒形窗的窗片厚度僅為0.15 mm。這時，如何使輸能結構保證氣密性就成了研制太赫茲源過程中的主要挑戰。要解決此問題，一方面是從工藝角度出發提高陶瓷窗片與金屬的封接水平，另一方面是通過計算機模擬尋求新的輸能窗結構，使得所需的陶瓷窗片的厚度可以適當增厚。

本文首次提出了一種太赫茲輸能窗-天線一體化結構，并進行了計算機模擬研究，結果表明這種結構在0.20 THz～0.24 THz頻帶內的駐波比小于1.5，而所需的藍寶石窗片厚度為0.3 mm，是已知的盒形窗的2倍。這意味著，在相同工藝技術水平下，這種太赫茲輸能窗-天線一體化結構可以工作到相同厚度盒形窗的2倍頻率附近。

1 0.20 THz～0.24 THz輸能窗的計算機模擬

電真空器件是在真空條件下產生或放大電磁波的，它們所產生或放大的電磁波一般通過同軸導波系統或波導導波系統導出管體之外，并提供給用戶使用。為了保證電真空器件在與周圍的氣密隔離的條件下輸入(或輸出)電磁能量，還必須在上述導波系統的適當位置引入適當的輸能結構。已知的尚能工作于90 GHz以下頻段的一種代表性輸能結構就是基于藍寶石窗片的盒形窗。盒形窗的一端與返波管的慢波結構相連，另一端則設計為標準矩形波導，如圖1所示。

圖1 盒形窗CST模型

首先，本文通過對Ka波段的盒形窗的基本尺寸進行縮尺的方法，確定了0.20 THz～0.24 THz的盒形窗的基本尺寸。然后通過CST大型三維電磁計算軟件對0.20 THz～0.24 THz的盒形窗進行了計算機模擬，模擬計算結果如圖2所示。從圖2可以看出，盒形窗的匹配性能非常好，在0.20 THz～0.24 THz頻段的駐波比可以小于2。也就是說，盒形窗理論上可以工作在0.20 THz～0.24 THz頻段。但是，模擬結果也表明，藍寶石窗片厚度僅為0.15 mm，使得盒形窗在保證氣密性方面面臨著嚴峻挑戰。

圖2 0.22 THz附近盒形窗模擬特性

考慮到目前0.20 THz以上頻段的太赫茲波主要被應用于成像、探測、通信等領域，都需要適當的天線將太赫茲波發射出去。而在標準波導與天線的過渡區域，導波系統的結構尺寸存在逐漸放大的過渡段。如果在此過渡段中設置陶瓷窗片，那么所需的陶瓷窗片的尺寸(包括厚度)有可能可以適當放大。基于這種設想，本文首次提出0.20 THz～0.24 THz輸能窗及天線一體化結構，下面將進一步展示其計算機模擬結果。

圖3 0.22 THz輸能窗-天線一體化結構

2 0.20 THz～0.24 THz輸能窗-天線一體化結構的計算機模擬

我們提出的這種輸能窗及天線一體化結構如圖3所示。在其陶瓷窗片一側為波導，可以與返波管行波管振蕩器或EIK等的輸出端相連接，另一側被直接設計為一個輻射天線。利用這個輻射天線，可以把行波管等的太赫茲能量直接輻射出去，供給太赫茲成像或檢測設備使用。圖4示出了這種輸能窗-天線一體化結構的反射特性，表明在0.20 THz～0.24 THz范圍內駐波比小于1.5，其匹配性能與上面計算過的盒形窗一樣優良。同時，計算表明這種結構的陶瓷窗片厚度為0.3 mm，是盒形窗的2倍多。由于所使用軟件的可靠性已經在Ka波段得到驗證，因此，盡管我們因為不具備0.20 THz～0.24 THz W頻段的測試條件而沒有進行實驗測試，也可以推斷這一結果是可信的［30］。

圖4 0.22 THz輸能窗—天線一體化結構的反射特性

3 結論

在返波管、EIK和行波管振蕩器等基于真空電子學的太赫茲源的研究中，由于保持管內高真空是這些器件正常工作的必要條件，因此承擔氣密隔離和太赫茲能量傳輸雙重功能的輸能窗就是這些器件的關鍵部件。隨著工作頻率升高，輸能結構等關鍵部件的尺寸變得很小，相應地所需陶瓷窗片的厚度變薄，因而機械強度減弱，保證管體氣密的能力下降。因此，除了通過提高工藝技術水平以提高已知輸能結構的氣密能力以外，通過計算機模擬研究尋求新的具有更高機械強度和氣密能力的輸能結構也是研究上述基于真空電子學的太赫茲源的主要途徑。

為此，本文提出了上述太赫茲輸能窗及天線一體化結構，并采用三維大型電磁計算軟件進行了計算機模擬研究，結果表明這種結構在0.20 THz～0.24 THz頻帶內的駐波比小于1.5，而所需的藍寶石窗片厚度為0.3 mm，是已知的盒形窗的2倍。這意味著，在相同工藝技術水平下，這種太赫茲輸能窗—天線一體化結構可以工作到相同厚度盒形和形窗的2倍頻率附近。此外這種結構還集成了小型天線，減省了太赫茲源使用中的外圍輔助部件，方便了使用。

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