0.41THz折叠波导慢波结构分析与设计

第12卷 第6期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1．12，No．6 2014年12月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Dec．，2014文章编号：2095-4980(2014)06-0798-060.41 THz折叠波导慢波结构分析与设计徐翱a,b，王亚军a,b，颜胜美a,b，金大志a，向伟a,b(中国工程物理研究院 a.电子工程研究所；b.太赫兹研究中心，四川绵阳 621999)摘 要：在0.14 THz,0.22 THz和0.34 THz折叠波导行波管研制的基础上，讨论了0.41 THz 折叠波导行波管慢波结构设计与加工的可行性，分析研究了折叠波导慢波结构弯曲处直角弯曲与半圈弯曲、方形电子注通道与圆形电子注通道对色散特性、耦合阻抗、带宽、冷损耗和增益的影响。

考虑了慢波结构中增加理想衰减器对该行波管带宽和增益的影响，得到了0.41 THz折叠波导行波管慢波结构的初步设计方案，为太赫兹折叠波导行波管的继续发展打下了一定基础。

关键词：太赫兹；折叠波导慢波结构；电子注通道；衰减器中图分类号：TN124文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201406.0798Design and analysis for 0.41THz folded waveguide slow wave structureXU Ao a,b，WANG Ya-jun a,b，YAN Sheng-mei a,b，JIN Da-zhi a，XIANG Wei a,b(a.Institute of Electronic Engineering；b.Terahertz Research Center，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China)Abstract：Based on the development of the 0.14THz, 0.22THz, and 0.34THz folded waveguide Traveling Wave Tubes(TWTs), the design and fabrication for 0.41THz folded waveguide slow wavestructure is discussed. The differences between circular bend and orthogonal bend affecting the dispersion,coupling impedance, loss, bandwidth, and gain of the 0.41THz folded waveguide TWT are investigated.The effects of beam profile on dispersion, coupling impedance, loss, bandwidth, and gain of the 0.41THzfolded waveguide TWT are analyzed. The influence of sever on bandwidth and gain of the 0.41THz foldedwaveguide TWT is presented. The initial design scheme for 0.41THz folded waveguide TWT slow wavestructure is obtained. This work can lay the foundation for developing THz folded waveguide TWTs.Key words：terahertz；folded waveguide slow wave structure；beam tunnel；sever基于折叠波导慢波结构的太赫兹行波管(TWT)作为一种兼具较大功率和较宽带宽的小型化太赫兹源，是目前最受国内外研究人员们关注的太赫兹电真空器件之一[1-3]。

近年来在美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)的支持下，美国NG公司、美国海军实验室等研究单位开展了0.22 THz, 0.67 THz,0.85 THz等多个太赫兹频段折叠波导行波管的研制工作，并且已经得到0.22 THz折叠波导行波管最大输出功率大于50 W、带宽5 GHz[4-5]；0.67 THz折叠波导行波管最大输出功率大于100 mW、增益21.5 dB、带宽15 GHz[6]，和0.85 THz折叠波导行波管最大输出功率大于50 mW、带宽11 GHz[7]的实验结果。

国内中电12所、中物院10所等单位也正在开展0.34 THz折叠波导行波管的研制工作[8-9]，而中物院10所已经研制出0.22 THz 折叠波导行波管，输出功率大于100 mW，带宽3.5 GHz[10]。

0.41 THz是太赫兹波段低端的大气窗口之一，其具有重要的学术价值和广泛的应用前景。

目前只有美国威斯康星大学开展了0.4 THz折叠波导慢波结构加工技术的研究，提出了深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)技术和UV-LIGA技术是最适合太赫兹折叠波导慢波结构加工的工艺技术[11]，但尚未开展该频段行波管的研制。

本文以0.41 THz折叠波导慢波结构为研究对象，简单讨论了加工方式及加工能力对折叠波导慢波结构尺寸参数选择的影响，并以已经开展研制的0.14 THz,0.22 THz和0.34 THz折叠波导行波管为基础，讨论了0.41 THz 折叠波导行波管慢波结构的设计。

收稿日期：2014-09-03；修回日期：2014-10-24第6期 徐 翱等：0.41 THz 折叠波导慢波结构分析与设计 7991 慢波结构尺寸参数选择折叠波导慢波结构是由直波导周期性弯曲而形成的，并且一般选择基模TE 10模作为慢波结构的工作模式，见图1。

而实际加工时，是将折叠波导慢波结构按波导宽边a 的中心线等分剖开，然后在完全相同的2片无氧铜基底上分别刻蚀对称的折叠波导结构，最后将这2片无氧铜基底对准焊接后就形成了完整的折叠波导慢波结构，见图2。

从折叠波导慢波结构的加工过程中可以发现，折叠波导慢波结构是通过两半“平面”加工后整体焊接形成，因此它能够适用于以微细加工工艺为代表的平面加工工艺。

而太赫兹折叠波导行波管的慢波结构电路尺寸非常小(很多尺寸在几十微米的量级)，因此适用于微细加工工艺的折叠波导慢波结构成为最具潜力的太赫兹行波管慢波结构之一。

由于太赫兹折叠波导慢波结构的加工是由表面刻蚀(UV-LIGA 工艺、DRIE 工艺等)完成的，加工精确度与加工表面粗糙度理论上都能够达到比较高的水平，因此加工的主要难度就集中在刻蚀的槽宽与槽深之比(宽深比)以及波导弯曲处的大小。

对于平面加工工艺而言(以UV-LIGA 工艺为例)，宽深比越小就越容易加工，而宽深比较大则会造成刻蚀的槽壁陡直度较差(小于89º)，刻蚀的深度难以达到，电镀金属难度大等诸多问题。

而折叠波导是通过直波导周期性弯曲而形成的，因此波导弯曲处的大小(即弯曲的圆直径)不可能太小，太小会造成无法加工(加工时弯曲处的内圆很容易因为受力导致变形)。

所以通过大量的调研和反复的工艺探索，发现：折叠波导慢波结构的宽深比小于1:4，波导弯曲处的内圆直径(p –b )大于50 μm ，是现有实际加工能力能够满足的范围。

由于折叠波导的波导弯曲处的场分布很难通过理论公式精确推导得出，因此目前一般使用等效电路法或三维电磁仿真软件模拟计算来得到折叠波导慢波结构的色散特性、耦合阻抗、冷损耗等“冷”特性参数。

而折叠波导慢波结构的初始参数一般是由理论公式推导计算或通过其他频率的慢波结构等比例推导得出，然后再通过三维电磁仿真软件模拟优化，最终得到所需的设计参数。

通过这几年对0.14 THz,0.22 THz 和0.34 THz 折叠波导行波管的研制，再进行仿真优化，可以得到0.41 THz 折叠波导行波管慢波结构的初始参数，见表1。

从表1可知，0.14 THz 和0.22 THz 折叠波导行波管慢波结构设计都使用的是圆形电子注通道，而0.34 THz和0.41 THz 折叠波导行波管慢波结构却使用了正方形电子注通道。

这是由于慢波结构加工工艺不同造成的，0.14 THz 和0.22 THz 折叠波导慢波结构使用的是微铣削工艺加工，而0.34 THz 和0.41 THz 折叠波导慢波结构使 用的是UV-LIGA 工艺加工。

之所以采用不同的加工工艺是因为慢波结构尺寸随着工作频率增加而减小(尤其是b 减小)，而微铣削工艺所使用的铣刀最小为0.1 mm(小于0.1 mm 的铣刀需要特别定制，并且很难达到设计所需的a h wp bFig.1 Folded waveguide (left) and mode (right)图1 折叠波导(左)及工作模式(右)Fig.2 Process for fabricating folded waveguide slow wave structure图2 折叠波导慢波结构加工过程表1 折叠波导慢波结构初始参数Table1 Initial parameters for folded waveguide slow wave structurea /mmb /mm h /mm w /mm p /mm @0.14 THz 1.22 0.24 0.37 0.30(circular hole) 0.45 @0.22 THz 0.78 0.16 0.30 0.16(circular hole) 0.24 @0.34 THz 0.52 0.08 0.20 0.16(square hole) 0.15 @0.41 THz0.42 0.06 0.17 0.14(square hole) 0.11800太赫兹科学与电子信息学报 第12卷槽宽深比)，加工精确度和加工尺寸一致性相对UV-LIGA 工艺较低，无法满足0.34 THz 和0.41 THz 折叠波导慢波结构的设计要求。

而UV-LIGA 工艺受其加工原理限制，很难加工半圆形的槽，因此只能使用正方形的电子注通道。

考虑到随着工艺的进步以及新工艺的不断成熟，太赫兹折叠波导慢波结构未来有可能使用圆形电子注通道(美国海军实验室已经使用UV-LIGA 技术加工了圆形电子注通道的折叠波导慢波结构[12])，因此需要分析相同尺寸参数情况下，使用圆形电子注通道和正方形电子注通道的折叠波导慢波结构“冷”特性参数和行波管输出参数的具体区别。