采用軸向電場分解與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)磁場和輸出結(jié)構(gòu)等因素對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)，其模式成分和相對相位差基本不受二極管電壓的上升沿、幅度和引導(dǎo)磁場大小的影響，除非振蕩器的工作狀態(tài)發(fā)生了明顯改變，但它們對陽極半徑和陰陽極間距的變化較為敏感。在較小的二極管電壓、陽極半徑或陰陽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，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，過模結(jié)構(gòu)的引入將導(dǎo)致器件出現(xiàn)模式競爭和多模輸出，影響器件的性能、測量和應(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)生信號不穩(wěn)定性，多模分布還將大大增加針對輻射應(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)對過模相對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。

　　本文針對近年來研制的0. 14 THz 過模表面波振蕩器，采用軸向電場的貝塞爾-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)磁場和輸出結(jié)構(gòu)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之比) 分別達(dá)到了3 和6，屬于典型的過模相對論切侖科夫器件。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)磁場強(qiáng)度的參數(shù)波對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，但通過減小陽極半徑或陰陽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)對模式間相對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論切侖科夫器件的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。