采用軸向電場(chǎng)分解與PIC( Particle-in-cell) 模擬相結(jié)合的方法，研究了二極管參數(shù)、引導(dǎo)磁場(chǎng)和輸出結(jié)構(gòu)等因素對(duì)0. 14 THz 過模表面波振蕩器輸出太赫茲波模式的影響。當(dāng)太赫茲波實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出時(shí)，其模式成分和相對(duì)相位差基本不受二極管電壓的上升沿、幅度和引導(dǎo)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(duì)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(jié)構(gòu)決定了輸出太赫茲波的模式成分。通過合理設(shè)計(jì)錐形輸出結(jié)構(gòu)的參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)相同功率水平下的純凈TM01模輸出，簡(jiǎn)單有效地解決過模表面波振蕩器的多模輸出問題。

　　隨著高功率微波技術(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(biāo)。鑒于過模相對(duì)論切侖科夫器件在功率容量高、結(jié)構(gòu)尺寸大和系統(tǒng)緊湊性等方面的明顯優(yōu)勢(shì)，它已成為目前相對(duì)論真空電子器件的研究熱點(diǎn)之一。但是，過模結(jié)構(gòu)的引入將導(dǎo)致器件出現(xiàn)模式競(jìng)爭(zhēng)和多模輸出，影響器件的性能、測(cè)量和應(yīng)用，從而帶來一系列新的問題。例如，多模傳輸將引起寄生損耗，多模輻射會(huì)產(chǎn)生信號(hào)不穩(wěn)定性，多模分布還將大大增加針對(duì)輻射應(yīng)用的模式轉(zhuǎn)換器或天線的設(shè)計(jì)難度，這些都將限制過模器件的性能提升和進(jìn)一步應(yīng)用。因此，需要在器件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)過模相對(duì)論切侖科夫器件開展必要的模式分析，找出輸出電磁波模式的影響因素，以解決存在的上述問題。

　　本文針對(duì)近年來研制的0. 14 THz 過模表面波振蕩器，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(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了二極管參數(shù)、引導(dǎo)磁場(chǎng)和輸出結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素對(duì)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，為過模切侖科夫器件的結(jié)構(gòu)和性能改進(jìn)提供參考。

1、過模表面波振蕩器結(jié)構(gòu)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(duì)抗中的潛在應(yīng)用，近年來我們開展了高功率太赫茲真空電子器件的研制工作，所設(shè)計(jì)的0.14 THz過模表面波振蕩器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。無箔二極管的陽(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(jié)構(gòu)的周期長(zhǎng)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(dǎo)過渡區(qū)和電子收集極長(zhǎng)度，輸出波導(dǎo)半徑R0為6 mm。振蕩器被設(shè)計(jì)為工作在色散曲線上TM01模0 次諧波的π 點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)單模激勵(lì)，但在慢波結(jié)構(gòu)區(qū)域和輸出波導(dǎo)段的過模比( 平均直徑與輻射波長(zhǎng)之比) 分別達(dá)到了3 和6，屬于典型的過模相對(duì)論切侖科夫器件。目前該器件已在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)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 過模表面波振蕩器采用了圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)和環(huán)形激勵(lì)電子束，因此其中只能產(chǎn)生和存在TM0n模，可以采用文獻(xiàn)中提出的軸向電場(chǎng)的貝塞爾-傅里葉分解與PIC 模擬相結(jié)合的方法來進(jìn)行模式分析。對(duì)于圖1 標(biāo)注的輸出考察面，由于無太赫茲波反射，根據(jù)文獻(xiàn)[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(shù)，x0n是J0( x) = 0 的第n 個(gè)根。然后，通過PIC 模擬得到波導(dǎo)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(jì)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(yīng)用于高功率太赫茲波源的設(shè)計(jì)，振蕩器的金屬材料選擇為銅。

圖1 0.14 THz 過模表面波振蕩器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　基于上述方法，文獻(xiàn)的初步分析表明，穩(wěn)態(tài)時(shí)0. 14 THz 過模表面波振蕩器在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處均出現(xiàn)了高次TM0n模激勵(lì)，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，下面將研究過模表面波振蕩器的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)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(xiàn)基模輸出的解決辦法。

3、結(jié)論

　　對(duì)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的0.14 THz 過模表面波振蕩器，詳細(xì)的理論分析結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)時(shí)二極管電壓的上升沿和幅度以及引導(dǎo)磁場(chǎng)強(qiáng)度的參數(shù)波對(duì)太赫茲波的模式基本沒有影響，除非振蕩器的工作狀態(tài)發(fā)生明顯變化，但通過減小陽(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(shù)對(duì)模式間相對(duì)相位差的影響也很大。作為振蕩器出現(xiàn)多模分布的成因之一，輸出結(jié)構(gòu)的變化能明顯改變太赫茲波的模式成分。采用輸出波導(dǎo)半徑為1. 5 mm 的收縮錐形輸出結(jié)構(gòu)，能夠在輸出頻率不變和功率略有增大的基礎(chǔ)上，很好實(shí)現(xiàn)TM01模的單模輸出，簡(jiǎn)單有效地解決過模切侖科夫器件的多模輸出問題。下一步將繼續(xù)深入研究這種輸出結(jié)構(gòu)下振蕩器的工作機(jī)理和模式激勵(lì)等問題，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)振蕩器的單模輸出。本文的研究結(jié)果將為各頻段過模相對(duì)論切侖科夫器件的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。