专栏：太赫兹源及其探测应用 2025(9)
发刊词
本期专栏主编：刘文鑫
本期专栏编委：赵自然、阮存军、胡伟东、兰峰、舒国响
产生与放大太赫兹波的辐射源和太赫兹波高灵敏度探测是太赫兹波应用的关键。提高太赫兹辐射源的输出功率、频带宽度、高可靠性与高稳定性，以及探测器的灵敏度与稳定性，是太赫兹科学与技术的重要研究领域。
本期专栏邀请国内优势单位和学者撰稿，得到了同行专家的积极响应。专栏内容包括高功率太赫兹双电压模式行波管、双模带状注交错双栅行波管、超表面的圆极化复用太赫兹波振幅及波前控制、混合慢波结构行波管、可编程超表面探测器等前沿研究领域。
在此，我们对关心并支持本专栏出版的各位领导、组稿专家学者，以及积极参与本专栏征文工作的各位作者致以诚挚问候和衷心感谢！
专栏主编简介：
刘文鑫，中国科学院空天信息创新研究院研究员、中国科学院大学岗位教授、博士生导师、IET Fellow、IEEE Access 副主编、IEEE 高级会员，国家重点研发计划首席科学家，主要从事毫米波太赫兹辐射源、高功率微波器件与系统，多物理场仿真等研究。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、中科院重要方向性及 863 计划重点等项目 20 余项；获省部科学技术进步奖一等奖 1 项&二等奖 3 项、中国有色金属工业科学技术发明一等奖 1 项、中国电子学会科学技术进步二等奖 1 项。专著《太赫兹真空电子器件原理与技术》获得 2023年国家科学技术学术著作出版基金并由科学出版社出版，发表学术论文 200 余篇，授权国家发明专利 8 项、软件著作权登记 5 项，2 次获得中国电子学会“优秀科技工作者”荣誉称号，指导博士、硕士研究生 20 余名。
文章列表
2025, 23(9):883-890.
DOI: 10.11805/TKYDA2025049
摘要:
针对太赫兹G波段的行波管高频结构，设计了一种大功率双电压模式行波管高频结构。通过设置双工作电压，驱动高频结构运行于高功率脉冲模式和低功率连续波模式，实现行波管双模工作。将该设计结构与弧形弯曲边界折叠波导和相速渐变技术结合，提高双电压模式行波管的输出功率，实现高功率模式最大输出功率130 W，低功率模式最大输出功率52 W，且两种模式下的3 dB带宽均达到11 GHz的设计要求。通过对双电压模式行波管的设计，满足了电子对抗通信等领域对双模行波管的实际需求。本文设计的G波段双电压模式行波管，具有高功率与宽带特性，在太赫兹波段辐射源领域有着潜在的应用前景。
针对太赫兹G波段的行波管高频结构，设计了一种大功率双电压模式行波管高频结构。通过设置双工作电压，驱动高频结构运行于高功率脉冲模式和低功率连续波模式，实现行波管双模工作。将该设计结构与弧形弯曲边界折叠波导和相速渐变技术结合，提高双电压模式行波管的输出功率，实现高功率模式最大输出功率130 W，低功率模式最大输出功率52 W，且两种模式下的3 dB带宽均达到11 GHz的设计要求。通过对双电压模式行波管的设计，满足了电子对抗通信等领域对双模行波管的实际需求。本文设计的G波段双电压模式行波管，具有高功率与宽带特性，在太赫兹波段辐射源领域有着潜在的应用前景。
2025, 23(9):891-897.
DOI: 10.11805/TKYDA2025173
摘要:
石墨烯中光热电效应具有响应带宽大、灵敏度高、速度快、集成度高等优点，利用该效应有望发展高性能的太赫兹探测器。本文将双栅调控与源漏电极结构非对称两种不同类型的光热电探测器构型进行有机融合，设计了一种新型太赫兹探测器，有效提升了探测器综合性能。经过测试可得该类型探测器对0.3 THz光源的响应度为50.48 V/W，响应时间为25.74 μs，噪声等效功率(NEP)为235.37 pW/Hz1/2。
石墨烯中光热电效应具有响应带宽大、灵敏度高、速度快、集成度高等优点，利用该效应有望发展高性能的太赫兹探测器。本文将双栅调控与源漏电极结构非对称两种不同类型的光热电探测器构型进行有机融合，设计了一种新型太赫兹探测器，有效提升了探测器综合性能。经过测试可得该类型探测器对0.3 THz光源的响应度为50.48 V/W，响应时间为25.74 μs，噪声等效功率(NEP)为235.37 pW/Hz1/2。
2025, 23(9):906-911.
DOI: 10.11805/TKYDA2025164
摘要:
针对未来大容量高速率通信系统对行波管(TWT)高频率、大功率、宽带宽等关键特性的迫切需求，提出一种将螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构结合的新型混合慢波结构，旨在实现行波管宽带特性和热稳定性。通过理论分析和设计仿真研究混合慢波系统中电子注参数和高频参数的传递关系，开展注波互作用仿真研究；并基于研究设计了一支E波段混合慢波结构TWT样管，进行功率和增益测试，对比混合慢波结构和折叠波导(FWG)行波管的主要参数特性。测试结果表明，该混合慢波结构行波管在68~80 GHz频率范围内输出功率≥78 W，饱和增益≥20 dB，带内小信号增益参数相对折叠波导降低50%以上，验证了混合慢波结构的可行性和有效性。
针对未来大容量高速率通信系统对行波管(TWT)高频率、大功率、宽带宽等关键特性的迫切需求，提出一种将螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构结合的新型混合慢波结构，旨在实现行波管宽带特性和热稳定性。通过理论分析和设计仿真研究混合慢波系统中电子注参数和高频参数的传递关系，开展注波互作用仿真研究；并基于研究设计了一支E波段混合慢波结构TWT样管，进行功率和增益测试，对比混合慢波结构和折叠波导(FWG)行波管的主要参数特性。测试结果表明，该混合慢波结构行波管在68~80 GHz频率范围内输出功率≥78 W，饱和增益≥20 dB，带内小信号增益参数相对折叠波导降低50%以上，验证了混合慢波结构的可行性和有效性。
2025, 23(9):942-949.
DOI: 10.11805/TKYDA2025169
摘要:
针对可重构智能表面(RIS)对极化和频率复用波束调控的需求，本文提出一种基于复合单元结构的太赫兹双频正交极化复用可编程超表面。通过设计基于高电子迁移率晶体管(HEMT)的工字型偶极子极化分集切换结构，实现了双频段独立调控功能。CST仿真结果表明，在Y极化方向低频段(0.190~0.226 THz)和X极化方向高频段(0.358~0.373 THz)分别实现了36 GHz和15 GHz的180°±20°相移带宽，频带内的平均幅值分别为Y极化低频段0.44，X极化高频段0.53。通过分数化编码、分块编码以及卷积编码验证了阵列在Matlab仿真中的双极化双波束连续扫描(±13.1°~±81°)、多波束重构(最多4波束)及单波束调控能力。相较于传统单频段单极化反射面，本文设计的双频双极化编码RIS在频谱利用率、波束调控灵活性等方面具有显著优势，为实现大容量、大视场和多功能的6G太赫兹通信系统提供了新的技术路径。
针对可重构智能表面(RIS)对极化和频率复用波束调控的需求，本文提出一种基于复合单元结构的太赫兹双频正交极化复用可编程超表面。通过设计基于高电子迁移率晶体管(HEMT)的工字型偶极子极化分集切换结构，实现了双频段独立调控功能。CST仿真结果表明，在Y极化方向低频段(0.190~0.226 THz)和X极化方向高频段(0.358~0.373 THz)分别实现了36 GHz和15 GHz的180°±20°相移带宽，频带内的平均幅值分别为Y极化低频段0.44，X极化高频段0.53。通过分数化编码、分块编码以及卷积编码验证了阵列在Matlab仿真中的双极化双波束连续扫描(±13.1°~±81°)、多波束重构(最多4波束)及单波束调控能力。相较于传统单频段单极化反射面，本文设计的双频双极化编码RIS在频谱利用率、波束调控灵活性等方面具有显著优势，为实现大容量、大视场和多功能的6G太赫兹通信系统提供了新的技术路径。
2025, 23(9):928-934.
DOI: 10.11805/TKYDA2025168
摘要:
针对太赫兹可重构智能表面(RIS)幅值一致性差、相移带宽窄等问题，提出一种基于二极管调控镜像对称结构的透射式编码超表面，实现高效率、大带宽和大扫描角度的Sub-THz波束调控。通过列控单元左右两侧二极管交替通断控制表面电流反转，实现对入射电磁波的1 bit相位调制；结合CST和Matlab仿真计算，研究了单元幅相响应和阵列辐射特性。结果表明，该单元在工作频点140 GHz处具有良好的交叉极化透射幅值一致性，交叉极化透射系数为-2.6 dB，180°±10°带宽达32%。基于该单元设计的8×1超表面子阵列展现出良好的极化转换能力和阵列一致性；8×8编码阵列与矩形喇叭耦合在最佳焦径比0.64处，超表面口径效率达到70%，波束扫描范围为±60°。本文研究为太赫兹通信和成像系统中高性能波束重构提供了有效解决方案。
针对太赫兹可重构智能表面(RIS)幅值一致性差、相移带宽窄等问题，提出一种基于二极管调控镜像对称结构的透射式编码超表面，实现高效率、大带宽和大扫描角度的Sub-THz波束调控。通过列控单元左右两侧二极管交替通断控制表面电流反转，实现对入射电磁波的1 bit相位调制；结合CST和Matlab仿真计算，研究了单元幅相响应和阵列辐射特性。结果表明，该单元在工作频点140 GHz处具有良好的交叉极化透射幅值一致性，交叉极化透射系数为-2.6 dB，180°±10°带宽达32%。基于该单元设计的8×1超表面子阵列展现出良好的极化转换能力和阵列一致性；8×8编码阵列与矩形喇叭耦合在最佳焦径比0.64处，超表面口径效率达到70%，波束扫描范围为±60°。本文研究为太赫兹通信和成像系统中高性能波束重构提供了有效解决方案。
2025, 23(9):898-905.
DOI: 10.11805/TKYDA2025084
摘要:
交错双栅行波管具有高功率、宽频带、易加工、散热优良等优势，在全球范围内广受关注。本文基于G波段交错双栅慢波结构，设计了一种双模工作模式下，通过带状电子注激励的超宽带大功率交错双栅行波管互作用系统。仿真结果表明，利用双模模式能够进一步提高交错双栅行波管的工作带宽；通过采用布拉格反射器隔离信号以及分段式结构抑制振荡等稳定行波放大技术，可获得具有优传输、高稳定、宽频带、大功率的太赫兹相干辐射输出，达到输出功率大于100 W，工作带宽超60 GHz的行波互作用性能。此外，基于微纳加工工艺，开展平面三层高频结构的方案设计，充分展示了太赫兹大功率宽带相干辐射源在工程实现中的潜力与可行性。
交错双栅行波管具有高功率、宽频带、易加工、散热优良等优势，在全球范围内广受关注。本文基于G波段交错双栅慢波结构，设计了一种双模工作模式下，通过带状电子注激励的超宽带大功率交错双栅行波管互作用系统。仿真结果表明，利用双模模式能够进一步提高交错双栅行波管的工作带宽；通过采用布拉格反射器隔离信号以及分段式结构抑制振荡等稳定行波放大技术，可获得具有优传输、高稳定、宽频带、大功率的太赫兹相干辐射输出，达到输出功率大于100 W，工作带宽超60 GHz的行波互作用性能。此外，基于微纳加工工艺，开展平面三层高频结构的方案设计，充分展示了太赫兹大功率宽带相干辐射源在工程实现中的潜力与可行性。
2025, 23(9):935-941.
DOI: 10.11805/TKYDA2025158
摘要:
圆极化太赫兹波的独立调控是太赫兹技术领域的重要课题，超表面为其提供了便利的解决方案。本文提出一种基于手性超表面的圆极化太赫兹波振幅及波前控制新方案，通过手性相位和P-B相位的杂化设计实现自旋解耦的功能，同时2个波分量的反射效率均大于70%。进一步利用超表面单元的旋转对称性破缺改变反射太赫兹波的幅度响应，实现了波前、幅度的同时操控。分别设计超构反射器、选择性吸收器进行功能验证，证明了所提方案的有效性。该方案为太赫兹波的多维度准光控制提供了新的技术路线和可能性。
圆极化太赫兹波的独立调控是太赫兹技术领域的重要课题，超表面为其提供了便利的解决方案。本文提出一种基于手性超表面的圆极化太赫兹波振幅及波前控制新方案，通过手性相位和P-B相位的杂化设计实现自旋解耦的功能，同时2个波分量的反射效率均大于70%。进一步利用超表面单元的旋转对称性破缺改变反射太赫兹波的幅度响应，实现了波前、幅度的同时操控。分别设计超构反射器、选择性吸收器进行功能验证，证明了所提方案的有效性。该方案为太赫兹波的多维度准光控制提供了新的技术路线和可能性。
2025, 23(9):919-927.
DOI: 10.11805/TKYDA2025012
摘要:
G波段行波管主要依靠系统的高频结构来实现高频率电磁波的放大和输出。输出窗是行波管高频系统的主要组成部分和关键结构之一，其设计的好坏会影响高频电磁波的正常输出和辐射，尤其是窗片尺寸、波导长度等。为了检验输出窗在实际运行时可能出现的失效问题，需要对输出窗结构进行可靠性分析，以检验结构的可靠性。通过在CST软件中的仿真，模拟了用于G波段百瓦量级行波管的输出窗，并给出了S参数的模拟和实验结果，两者趋势基本一致。为了验证设计输出窗结构的可靠性，进行了一系列的热分析和振动分析，给出了相应的模态和随机振动分析结果。仿真结果表明其安全裕度(MS)符合要求。
G波段行波管主要依靠系统的高频结构来实现高频率电磁波的放大和输出。输出窗是行波管高频系统的主要组成部分和关键结构之一，其设计的好坏会影响高频电磁波的正常输出和辐射，尤其是窗片尺寸、波导长度等。为了检验输出窗在实际运行时可能出现的失效问题，需要对输出窗结构进行可靠性分析，以检验结构的可靠性。通过在CST软件中的仿真，模拟了用于G波段百瓦量级行波管的输出窗，并给出了S参数的模拟和实验结果，两者趋势基本一致。为了验证设计输出窗结构的可靠性，进行了一系列的热分析和振动分析，给出了相应的模态和随机振动分析结果。仿真结果表明其安全裕度(MS)符合要求。
2025, 23(9):912-918.
DOI: 10.11805/TKYDA2025089
摘要:
设计一种W波段双模扩展互作用振荡器(EIO)，通过2π模和特定腔模的耦合实现了双2π模。通过改变谐振腔的尺寸参数调整双2π模的频率间隔，并对此过程中的高频参数变化进行研究。单元内粒子仿真表明，在3.2 mm×0.2 mm，电流为2 A的带状电子注输入下，谐振频率较低的2π模在20.90 kV的电子注电压下实现了91.01 GHz、7.29 kW的输出，电子效率为17.45%；谐振频率较高的2π模在21.15 kV的电压下实现91.18 GHz、4.76 kW的输出，电子效率为11.26%。研究结果验证了双2π模EIO具备高功率、高效率输出的能力，为双2π模的实现提供方法支撑。
设计一种W波段双模扩展互作用振荡器(EIO)，通过2π模和特定腔模的耦合实现了双2π模。通过改变谐振腔的尺寸参数调整双2π模的频率间隔，并对此过程中的高频参数变化进行研究。单元内粒子仿真表明，在3.2 mm×0.2 mm，电流为2 A的带状电子注输入下，谐振频率较低的2π模在20.90 kV的电子注电压下实现了91.01 GHz、7.29 kW的输出，电子效率为17.45%；谐振频率较高的2π模在21.15 kV的电压下实现91.18 GHz、4.76 kW的输出，电子效率为11.26%。研究结果验证了双2π模EIO具备高功率、高效率输出的能力，为双2π模的实现提供方法支撑。
