太赫兹无线通信系统中微型真空电子器件的研究

    太赫兹无线通信是在传统微波、毫米波通信基础上，将工作频率推向太赫兹频段，同时结合激光通信的部分原理，形成的一种新型高速无线通信技术。它具有许多微波通信和激光通信所不具备的独特优势。而太赫兹信号的“产生”和“功率放大”是实现太赫兹通信的两大关键技术。本项目即针对这两大技术展开研究，应用微型真空电子学原理，分别设计了两款大功率太赫兹辐射源和太赫兹放大器，其工作频率可达0.14THz和0.22THz。

    项目背景和意义

    太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率为0.1THz～10THz、波长为3mm～30μm的一段电磁波，其频段介于毫米波与远红外光之间。在过去30年中，无线通信对带宽的需求每18个月就翻一番。在信息时代高速发展的今天，需要建立传输速率更快、信息量更大、覆盖空间更广的通信网络系统，特别是在空间通信频道日益拥挤的今天，迫于RF频谱管理和高速率传输需求的不断增加，向更高电磁频段的扩展已成为实现高速通信的最佳方案，太赫兹频段自然成为无线通信发展的重要频段。因此，在毫米波频段的基础上向太赫兹频段发展成为必然趋势，太赫兹无线通信因此被誉为“新一代无线革命”。太赫兹通信具有宽带宽、高保密和抗干扰等优点，正成为继微波通信和光通信之后的又一重要通信频段。

    太赫兹波是很好的宽带信息载体，通信容量比微波通信高出1～4个数量级，可轻易实现高达10Gb/s的无线传输速率，比当前的超宽带快几百甚至上千倍。同时，太赫兹通信系统还具有体积小、重量轻的优点，因此，特别适合星间通信、星地间通信、同温层内空对空通信、短程安全大气通信、短程地面无线局域网等。另外，太赫兹通信还具有抗干扰能力强和高保密性，具有很好地穿透沙尘烟雾的能力，因此可在大风沙尘及浓烟等恶劣环境中进行正常通信，实现全天候工作。而在太赫兹通信系统中，太赫兹辐射源（功率源）和太赫兹放大器是两大关键部件，其性能好坏直接决定了太赫兹通信系统的通信质量。尤其是在远距离通信系统中，则需要中、高功率的太赫兹辐射源和放大器。到目前为止，仅真空电子学和等离子体电子学的方法可以产生中、高功率太赫兹辐射。因此，真空电子器件在太赫兹通信设备方面必将发挥非常重要的作用。

    泉州是我国微波通信产业的三大主要基地之一，向来拥有“微波城”的美誉。泉州微波通信产业历经40多年的发展，已经形成了以七大主导产业、七大配套产业和七大带动产业组成的完整产业结构体系。然而，随着移动通信技术的发展及市场竞争的日趋激烈，长期以直放站、对讲机这类技术门槛较低的产品为主打的泉州通信产业日益被“边缘化”，面临着前所未有的产业危机。在这种形势下，必须想方设法进行技术革新和产业升级，加大新技术的引入和新产品的开发。而太赫兹无线通信系统及相关功能部件的研究与开发，正是目前我国大力发展的重要产业之一，因此，作为微波通信领域的排头兵，泉州更应该对其高度重视和加强研究。

    研究开发内容及主要创新点

    项目主要研究内容：

    （一）对太赫兹返波管和行波管的核心部件—慢波系统进行比较深入的研究。主要包括：单模、过模慢波系统；圆柱、矩形栅慢波系统；以及金属、介质材料慢波系统等。在圆柱形慢波系统中,可以分别研究同轴型和非同轴型金属慢波系统，波纹形状可选择矩形波纹或梯形波纹。

    （二）研究微型真空电子枪中电子束的产生机理及传输特性。主要包括：环形及片状电子束的产生；束流实空间分布及其相空间特性；电子枪结构及外加磁场对束流品质的影响等。另外，针对不同类型的慢波结构，研究并设计与之相适应的束流发射系统，以保证能提供高束流品质的电子束，以及后续束-波相互作用的顺利进行。

    （三）对太赫兹返波管和行波管产生太赫兹波的物理机理进行系统的理论分析与模拟研究。主要包括：返波管中太赫兹信号的产生机理；行波管中太赫兹信号的放大机理；太赫兹返波管和行波管的三维建模与参数设置；粒子模拟结果分析与系统优化设计。

    （四）研究超辐射机制太赫兹器件的工作原理及其输出特性。主要包括：器件中超短电子脉冲激发电磁辐射的物理机理研究；超辐射现象在太赫兹器件中的应用；超辐射机制太赫兹器件的优化设计；以及非理想情况下太赫兹器件的输出特性。

    项目主要创新点：

    （一）针对太赫兹频段返波管和行波管器件功率容量下降问题，引入“过模”慢波系统设计思想。不但可以有效提高系统输出功率，而且也避免了由于器件内场强过强而引起的真空击穿、脉冲缩短等问题。同时，针对中、小功率太赫兹器件，利用“部分介质填充波导”的方法，实现新型介质慢波结构的设计，去除外层金属管壁，从而大大减轻系统重量。

    （二）为了解决过模器件中的模式竞争问题，本项目将综合运用“电动力学结构选模”和“电子束选模”两种物理机制，在此基础上提出一种新的适用于过模太赫兹器件的模式选择方案。

    （三）采用理论分析与粒子模拟相结合的方式，对微型真空器件产生太赫兹波的机理进行系统的研究，给出束-波互作用过程的详细物理图像。着重研究器件结构参数、电子束参数和引导磁场等对系统输出功率、频率及模式的影响，进而归纳总结太赫兹器件的优化设计方案。

    （四）将太赫兹器件的工作机制推广至超辐射范围，进一步提高器件的输出功率和束-波互作用效率。利用三维模拟方法对超辐射器件进行优化设计，同时考虑器件材料特性、束流发散角及外加磁场分布等实际情况，获得更加准确的计算结果。

    主要技术指标

    随着高性能计算机的发展与普及，计算机仿真技术应运而生，本课题采用模拟仿真技术，跟踪大量微观带电粒子的运动，精确反映真实带电粒子的行为；同时，给出粒子在实空间及相空间的分布，最终给出器件内部各物理量的时间演化（演进）过程及最优工作参数。具体程序输出指标如下：

    （一）0.14THz返波管信号源技术指标（单模）

    电子束指标：束电压150～250kV、束电流100～200A；

    太赫兹波输出指标：频率约为0.14THz、功率2～4MW；  

    （二）0.14THz返波管信号源技术指标（过模）

    电子束指标：束电压450～550kV、束电流1.8～2.8kA；

    太赫兹波输出指标：频率约为0.14THz、功率25～50MW；   

    （三）0.22THz行波管信号源技术指标（过模）

    电子束指标：束电压150～250kV、束电流600～1500A；

    太赫兹波输出指标：频率约为0.22THz、功率2.5～5MW；    

    （四）软件可诊断参数个数：不低于10个；

    （五）在国内外发表学术论文3～5篇。

    产业化前景及经济社会效益

    2004年美国政府将太赫兹技术评为“改变未来世界的十大技术”之一，2005年日本政府将太赫兹技术列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首。我国太赫兹产业发展起步较晚，2005年以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的学术会议在北京香山饭店召开，近20位院士参加，确立了我国太赫兹领域的未来发展方向。全球太赫兹领域的技术创新和产业发展方兴未艾。

    泉州作为我国的“微波城”，微波通信产业集群具有强大的带动能力。截至2015年12月，以泉州为主要基地的微波通信及配套和带动相关产业企业达364家，员工6.2万人，其中高新技术企业70家，主要骨干企业(单位)122家，包括一批业界知名企业、上市公司和后备企业单位。2015年，以泉州为主要基地的微波通信及配套带动产业年总营业收入898.55亿元，年增长11%；上缴税额68.8亿元，增长11%；出口创汇16.77亿美元；预计2016年相关数据与上年的增长比例在10%-12%。微波通信及配套产业已成为泉州的支柱型和主导型新兴产业。在此背景下，着力发展毫米波、太赫兹通信及相关功能部件，继续发挥产业基地辐射作用，有利于产业结构升级，拉动区域经济增长。

    成果提供形式

    项目研发新技术、新工艺_1__项，专利_1～2_项，发表论文_3～5__篇，具体内容是：

    （1）建立并完善太赫兹返波管和行波管内束-波互作用理论模型；

    （2）建立太赫兹返波管和行波管三维仿真模型，揭示太赫兹频段器件产生超辐射的基本规律；

    （3）归纳总结太赫兹返波管和行波管的优化设计方案，并给出器件最优结构参数和工作参数；

    （4）发表学术论文3～5篇；

    （5）申请专利1～2项，培养研究生3名；

    （6）计算机仿真程序代码一套。

    研究开发方案和技术路线

    （一）对太赫兹慢波系统进行研究方面所采取的研究方案和技术路线

    首先，通过对慢波系统内部高频场的谐波分析及功率容量的计算，设计一种可有效提高器件在太赫兹频段内输出功率的新结构；其次，探索求解慢波系统色散特性的新方法，并计算所设计慢波系统的色散曲线；最后，提出一种适用于过模（过尺寸）太赫兹系统的模式选择方案。另外，针对中、小功率运行状态下“部分介质填充波导”的设计思想，本项目计划一方面研究单层介质填充情况，同时还将研究多层不同介质填充情况，即每一种介质做成一个同心圆柱层，不同介质所对应的圆柱层半径和厚度不同，然后逐层嵌套起来，并且保持材料介电常数由内向外有规律地变化。与光纤原理类似，把（绝大部分）电磁波束缚在“介质层及束-波互作用区域”内部。该方法的优点是最终有可能去除最外层金属管壁，形成纯介质慢波结构，从而大大减轻系统重量。

    （二）对微型真空电子器件产生太赫兹波的物理机理进行模拟研究方面所采取的研究方案和技术路线

    首先，通过理论分析，给出太赫兹返波管和行波管内束-波互作用过程的数学模型，详细分析信号产生及增长的物理机制以及低磁场下的回旋共振吸收特性；其次，利用粒子模拟方法，对器件进行优化设计；最后，在最优工作参数下给出管内束-波互作用的详细物理图像及相关输出特性。 另外，在PIC粒子模拟方面，随着器件结构的不断创新（已不局限于轴对称模式），以及考虑电子束角向动量的影响，现有二维粒子模拟技术已不能满足设计要求。因此，为了更加准确和完整地描述器件工作状态和性能，必须采用三维粒子模拟技术。即在三维情况下，对太赫兹返波管和行波管进行优化设计，最终给出在最优结构参数和工作参数情况下，器件内束-波互作用的详细物理图像及相关输出特性。

    （三）对超辐射机制太赫兹返波管的工作原理及其输出特性研究方面所采取的研究方案和技术路线

    首先，探索超辐射现象的基本规律，以及在真空器件中实现超辐射的基本条件；其次，利用三维粒子模拟程序对超辐射机制太赫兹返波管和行波管的工作过程进行详细的物理分析，同时研究器件结构参数和电子束参数对输出功率和振荡频率的影响；最后，给出考虑材料热损耗、束流发散角以及外加磁场分布等因素时器件的输出特性。

    现有研究开发基础和体具备的条件

    申请人2010年毕业于西安交通大学，获“电子科学与技术”专业工学博士学位。近年来一直从事高功率太赫兹技术方面的研究，在太赫兹返波管、太赫兹行波管及速调管的设计与开发方面积累了丰富的经验。曾作为骨干成员参与国家863项目、国家自然科学基金项目、总装备部国防科研项目的研究。共发表学术论文30余篇，其中SCI收录6篇，EI收录20篇，ISTP收录4篇。近年来，为了进一步提高器件的输出功率，申请人又开展了超辐射机制在太赫兹返波管和行波管中的应用研究，取得了一些初步成果。所发表论文已被国内外同行引用多次。课题组学术带头人葛悦禾教授为华侨大学“桐江学者”特聘教授，入选福建省第二批“百人计划”及福建省“引进高层次创业创新人才计划”，同时入选厦门市“双百计划”。共发表学术论文100多篇，其中SCI和EI收录50多篇。本项目组的其他研究人员多年来一直从事微波工程（包括：微波电路设计、天线分析与设计、电磁场数值分析、微波器件设计）等方面研究，具有勤奋踏实、吃苦耐劳、思维灵活、专业基础扎实、创新能力强以及实践经验丰富等优点，其中5人具有博士学位。

    同时，本项目组所在的华侨大学信息科学与工程学院具有良好的工作环境和优越的科研条件。学院已购置多台矢量网络分析仪、频谱分析仪、高性能工作站等设备，且拥有三维全电磁粒子模拟软件及大型电磁仿真软件CST STUDIO SUITE（内含粒子模拟模块）。同时，依托华大光微研究院“微波技术和系统研究”实验室开展相关研究工作。另外，华侨大学图书馆长年订购国内外文献及各类科研数据库，这为项目组成员查阅相关文献提供了便利。最后，申请人在西安交通大学就读多年，同时在西北核技术研究所参与工作，与上述两家单位建立了长期良好的合作关系。研究中，可邀请相关专家给予专业性的指导和帮助，这也保证了本课题研究计划的顺利进行。

    另外，福建先创技术有限公司是专业从事研发、生产移动通信产品，并提供网络优化方案设计及工程组网的高新技术企业。其在深圳、泉州均设立研发中心，拥有数百位精英的研发人员，并与世界一流学府进行合作，聘请多名通信电子领域的专家作为技术开发顾问。自1989年以来，公司不断参加与国家级重点实验室电子通信领域的项目开发，多项产品设备通过凯尔和泰尔实验室的认证。公司实力雄厚，设备先进，可以保障该项目的顺利进行。