Дзякуй за наведванне Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або выключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
У гэтым артыкуле распрацавана і праверана шырокапалосная высокамагутная двухлопасцевая трубка з перамежаваннем на 220 ГГц. Па-першае, прапануецца плоская двухпучковая двухлопастная структура павольнай хвалі. Пры выкарыстанні двухрэжымнай схемы працы прадукцыйнасць перадачы і прапускная здольнасць амаль удвая перавышаюць, чым у аднамодавай. Па-другое, для таго, каб адпавядаць патрабаванням высокай выхадной магутнасці і палепшыць стабільнасць трубкі з бягучай хваляй, распрацавана электронная аптычная сістэма ў форме падвойнага алоўка, напружанне ўзбуджальніка 20~21 кВ і ток 2 × 80 мА. Мэты праектавання. Пры выкарыстанні часткі маскі і кіруючага электрода ў падвойным прамянёвым пісталеце два алоўкавыя прамяні могуць быць сфакусаваныя ўздоўж іх адпаведных цэнтраў са каэфіцыентам сціску 7, адлегласць факусіроўкі складае каля 0,18 мм, і стабільнасць добрая. Аднастайная магнітная сістэма факусіроўкі таксама была аптымізавана .Стабільная адлегласць перадачы плоскага падвойнага пучка электронаў можа дасягаць 45 мм, а магнітнае поле факусіроўкі складае 0,6 Тл, чаго дастаткова, каб ахапіць усю высокачашчынную сістэму (HFS). Затым, каб праверыць прыдатнасць электронна-аптычнай сістэмы і прадукцыйнасць павольна-хвалевай структуры, мадэляванне элементарных часціц (PIC) таксама было праведзена на ўсёй HFS. Вынікі паказваюць, што сістэма ўзаемадзеяння прамянёў можа дасягнуць пікавай выхаднай магутнасці амаль 31 0 Вт пры 220 ГГц, аптымізаванае напружанне пучка складае 20,6 кВ, ток пучка складае 2 × 80 мА, узмацненне складае 38 дБ, а паласа прапускання 3 дБ перавышае 35 дБ каля 70 ГГц. Нарэшце, для праверкі прадукцыйнасці HFS выконваецца выраб высокадакладнай мікраструктуры, і вынікі паказваюць, што прапускная здольнасць і характарыстыкі перадачы добра адпавядаюць вынікам мадэлявання. .Такім чынам, мяркуецца, што схема, прапанаваная ў гэтым артыкуле, прывядзе да распрацоўкі магутных звышшырокапалосных крыніц выпраменьвання тэрагерцавага дыяпазону з патэнцыялам для прымянення ў будучыні.
Будучы традыцыйным вакуумным электронным прыладай, трубка з бягучай хваляй (ЛБВ) адыгрывае незаменную ролю ў многіх сферах прымянення, такіх як радар з высокім разрозненнем, спадарожнікавыя сістэмы сувязі і даследаванне космасу1,2,3. Аднак, калі рабочая частата ўваходзіць у тэрагерцавы дыяпазон, традыцыйная ЛБВ са злучаным рэзонатарам і спіральная ЛБВ не могуць задаволіць патрэбы людзей з-за адносна нізкай выхадной магутнасці, вузкай прапускной здольнасці і цяжкасці вырабу Такім чынам, як усебакова палепшыць прадукцыйнасць дыяпазону ТГц, стала вельмі хвалюючай праблемай для многіх навукова-даследчых устаноў. У апошнія гады новыя павольнахвалевыя структуры (SWS), такія як двухлопастныя структуры (SDV) у шахматным парадку і структуры са згорнутым хваляводам (FW), атрымалі вялікую ўвагу з-за іх натуральных планарных структур, асабліва новыя SDV-SWS з перспектыўным патэнцыялам. Гэтая структура была прапанавана UC-Davis у 20084. Планарную структуру можна лёгка вырабіць з дапамогай мікра-нанатэхналогій апрацоўкі, такіх як камп'ютэрнае лікавае кіраванне (ЧПУ) і УФ-LIGA, суцэльнаметалічная структура пакета можа забяспечыць вялікую цеплавую магутнасць з больш высокай выходнай магутнасцю і каэфіцыентам узмацнення, а хваляводная структура можа таксама забяспечыць больш шырокую рабочую паласу прапускання. У цяперашні час UC Davis упершыню ў 2017 годзе прадэманстраваў, што SDV-LWT можа генераваць высокую магутнасць, якая перавышае 10 Сігналы з паласой прапускання 0 Вт і амаль 14 ГГц у G-дыяпазоне5. Аднак у гэтых выніках усё яшчэ ёсць прабелы, якія не могуць задаволіць адпаведныя патрабаванні высокай магутнасці і шырокай паласы прапускання ў тэрагерцавым дыяпазоне. Для SDV-TWT G-дыяпазону UC-Davis выкарыстоўваліся ліставыя электронныя пучкі. Нягледзячы на ​​тое, што гэтая схема можа значна палепшыць прапускную здольнасць прамяня па току, цяжка падтрымліваць вялікую адлегласць перадачы з-за нестабільнасці. электронна-аптычнай сістэмы ліставога прамяня (EOS), і ёсць тунэль прамяня празмернага рэжыму, які таксама можа прывесці да самарэгуляцыі прамяня.– Узбуджэнне і ваганні 6,7. Для задавальнення патрабаванняў да высокай выхадной магутнасці, шырокай прапускной здольнасці і добрай стабільнасці ТГц ЛБВ у гэтым артыкуле прапануецца двухпрамянёвы SDV-SWS з двухрэжымным рэжымам працы. Гэта значыць, каб павялічыць рабочую шырыню прапускання, двухрэжымны рэжым прапануецца і ўводзіцца ў гэтую структуру. А для павелічэння выходнай магутнасці таксама выкарыстоўваецца плоскае размеркаванне падвойных алоўкавых прамянёў. Радыёпрыёмнікі з адным алоўкавым прамянём адносна невялікія з-за абмежаванняў па вертыкальным памеры. Калі шчыльнасць току занадта высокая, ток прамяня павінен быць зменшаны, што прыводзіць да адносна нізкай выхаднай магутнасці. Для паляпшэння току прамяня з'явілася планарная размеркаваная шматпрамянёвая EOS, якая выкарыстоўвае бакавы памер SWS. Дзякуючы незалежнаму тунэляванню прамяня, плоская размеркаваная шматпрамянёвая магутнасць можа дасягнуць высокай выхадной магутнасці, падтрымліваючы высокі агульны ток прамяня і невялікі ток на прамень, што дазваляе пазбегнуць тунэлявання прамяня ў звышрэжымным рэжыме ў параўнанні з прыладамі з ліставым прамянём. Такім чынам, карысна падтрымліваць стабільнасць трубкі з бягучай хваляй. На аснове папярэдняй працы 8, 9 у гэтым артыкуле прапануецца двайны алоўкавы прамень EOS з факусоўкай аднастайнага магнітнага поля G-дыяпазону, які можа значна палепшыць стабільную адлегласць перадачы прамяня і дадаткова павялічыць плошчу ўзаемадзеяння прамяня, тым самым значна паляпшаючы выхадную магутнасць.
Структура гэтага артыкула выглядае наступным чынам. Спачатку апісваецца канструкцыя ячэйкі SWS з параметрамі, аналіз дысперсійных характарыстык і вынікі высокачашчыннага мадэлявання. Затым, у адпаведнасці са структурай элементарнай ячэйкі, у гэтым артыкуле распрацаваны EOS з падвойным алоўкавым прамянём і сістэма ўзаемадзеяння прамянёў. Таксама прадстаўлены вынікі мадэлявання ўнутрыклеткавых часціц для праверкі зручнасці выкарыстання EOS і прадукцыйнасці SDV-LWT. Акрамя таго, у артыкуле коратка прадстаўлены вынікі вырабу і халодных выпрабаванняў. для праверкі правільнасці ўсёй HFS.Нарэшце зрабіце рэзюмэ.
Як адзін з найбольш важных кампанентаў ЛБВ, дысперсійныя ўласцівасці павольна-хвалевай структуры паказваюць, ці адпавядае хуткасць электронаў фазавай хуткасці SWS, і, такім чынам, аказвае вялікі ўплыў на ўзаемадзеянне прамянёва-хвалевай. Для паляпшэння прадукцыйнасці ўсёй ЛБВ распрацавана палепшаная структура ўзаемадзеяння. Структура элементарнай ячэйкі паказана на малюнку 1. Улічваючы нестабільнасць ліставога пучка і абмежаванне магутнасці аднаго прамяня ручкі, структура прымае двайны прамень ручкі для далейшага паляпшэння выхадной магутнасці і стабільнасці працы.Між тым, для павелічэння рабочай паласы прапускання быў прапанаваны двайны рэжым працы SWS. З-за сіметрыі структуры SDV рашэнне дысперсійнага ўраўнення электрамагнітнага поля можна падзяліць на няцотныя і цотныя рэжымы. У той жа час асноўны няцотны рэжым нізкачашчыннага дыяпазону і асноўны цотны рэжым высокачашчыннага дыяпазону выкарыстоўваюцца для рэалізацыі шырокапалоснай сінхранізацыі ўзаемадзеяння прамянёў, тым самым яшчэ больш паляпшаючы працоўны дыяпазон. шырыня.
Згодна з патрабаваннямі да электраэнергіі, уся трубка распрацавана з напружаннем узбуджальніка 20 кВ і токам падвойнага пучка 2 × 80 мА. Для таго, каб напружанне як мага бліжэй адпавядала рабочай паласе прапускання SDV-SWS, нам трэба вылічыць даўжыню перыяду p. Узаемасувязь паміж напругай пучка і перыядам паказана ва ўраўненні (1)10:
Пры ўсталёўцы зруху фазы на 2,5π на цэнтральнай частаце 220 ГГц можна вылічыць, што перыяд p роўны 0,46 мм. На малюнку 2а паказаны дысперсійныя ўласцівасці элементарнай ячэйкі SWS. Лінія прамяня 20 кВ вельмі добра адпавядае бімадальнай крывой. Адпаведныя дыяпазоны частот могуць дасягаць каля 70 ГГц у дыяпазоне 210–265,3 ГГц (няцотны рэжым) і 265,4–2. Дыяпазоны 80 ГГц (цотны рэжым). На малюнку 2b паказаны сярэдні імпеданс сувязі, які перавышае 0,6 Ом у дыяпазоне ад 210 да 290 ГГц, што паказвае на тое, што ў рабочай паласе прапускання можа адбыцца моцнае ўзаемадзеянне.
(А) Характарыстыкі дысперсіі двухмодавага SDV-SWS з электронным пучком 20 кВ. (Б) Імпеданс узаемадзеяння павольнай ланцуга SDV.
Аднак важна адзначыць, што існуе зазор паміж няцотным і цотным рэжымамі, і мы звычайна называем гэты зазор паласой спынення, як паказана на малюнку 2а. Калі ЛБВ працуе паблізу гэтай паласы частот, можа ўзнікнуць моцная сіла сувязі прамяня, што прывядзе да непажаданых ваганняў. У практычных прымяненнях мы звычайна пазбягаем выкарыстання ЛБВ паблізу паласы затрымкі. Аднак можна заўважыць, што забароненая паласа гэтай павольнай структуры роўная толькі 0,1 ГГц. Цяжка вызначыць, ці выклікае гэты невялікі зазор паласы ваганні. Такім чынам, стабільнасць працы вакол паласы спынення будзе даследавана ў наступным раздзеле мадэлявання PIC, каб прааналізаваць, ці могуць узнікнуць непажаданыя ваганні.
Мадэль усёй HFS паказана на малюнку 3. Яна складаецца з дзвюх прыступак SDV-SWS, злучаных рэфлектарамі Брэгга. Функцыя адбівальніка заключаецца ў адключэнні перадачы сігналу паміж дзвюма прыступкамі, падаўленні ваганняў і адлюстравання непрацоўных рэжымаў, такіх як рэжымы высокага парадку, якія ўтвараюцца паміж верхнімі і ніжнімі лопасцямі, тым самым значна паляпшаючы стабільнасць усёй трубы. Для злучэння са знешнім асяроддзем выкарыстоўваецца лінейная канічная муфта. таксама выкарыстоўваецца для падлучэння SWS да стандартнага хвалявода WR-4. Каэфіцыент прапускання двухузроўневай структуры вымяраецца пры дапамозе вырашальніка часовай вобласці ў праграмным забеспячэнні для 3D-мадэлявання. Улічваючы фактычны ўплыў тэрагерцавага дыяпазону на матэрыял, для матэрыялу вакуумнай абалонкі першапачаткова ўстаноўлена медзь, а праводнасць зніжана да 2,25×107 См/м12.
На малюнку 4 паказаны вынікі перадачы для HFS з лінейнымі канічнымі муфтамі і без іх. Вынікі паказваюць, што муфта мала ўплывае на прадукцыйнасць перадачы ўсёй HFS. Зваротныя страты (S11 < − 10 дБ) і ўносяцца страты (S21 > − 5 дБ) усёй сістэмы ў шырокапалоснай сетцы 207~280 ГГц паказваюць, што HFS мае добрыя характарыстыкі перадачы.
Паколькі электразабеспячэнне вакуумных электронных прылад, электронны пісталет наўпрост вызначае, ці можа прылада стварыць дастатковую магутнасць вываду.com, які мае аналіз HFS у раздзеле II, падвойная ручка EOS павінна быць распрацавана, каб забяспечыць дастатковую магутнасць. У гэтай частцы на аснове папярэдняй працы ў W-паласе 8,9, падвойны пісталет для алоўка.2, напружанне Ua электронных пучкоў першапачаткова ўстаноўлена на 20 кВ, ток I двух электронных пучкоў складае 80 мА, а дыяметр пучка dw электронных пучкоў роўны 0,13 мм. У той жа час, каб гарантаваць, што шчыльнасць току электроннага пучка і катода можа быць дасягнута, каэфіцыент сціску электроннага пучка ўсталяваны на 7, таму ток шчыльнасць электроннага пучка складае 603 А/см2, а шчыльнасць току катода складае 86 А/см2, што можа быць дасягнута шляхам Гэта дасягаецца з дапамогай новых катодных матэрыялаў. Згодна з тэорыяй праектавання 14, 15, 16, 17, тыповая электронная гармата Пірса можа быць адназначна ідэнтыфікавана.
На малюнку 5 паказаны гарызантальная і вертыкальная схематычныя дыяграмы гарматы адпаведна. Відаць, што профіль электроннай гарматы ў напрамку х амаль ідэнтычны профілю звычайнай ліставай электроннай гарматы, у той час як у напрамку у два пучкі электронаў часткова падзеленыя маскай. Палажэнні двух катодаў знаходзяцца на x = – 0,155 мм, y = 0 мм і x = 0,15. 5 мм, y = 0 мм адпаведна. У адпаведнасці з патрабаваннямі да канструкцыі ступені сціску і памеру ўпырску электронаў, памеры дзвюх паверхняў катода вызначаюцца роўнымі 0,91 мм × 0,13 мм.
Каб зрабіць сфакусаванае электрычнае поле, атрыманае кожным пучком электронаў у напрамку х, сіметрычным адносна яго ўласнага цэнтра, у гэтым артыкуле да электроннай гарматы прымяняецца кантрольны электрод. Усталяваўшы напружанне факусуючага электрода і кантрольнага электрода на −20 кВ і напружанне анода на 0 В, мы можам атрымаць размеркаванне траекторыі двухпрамянёвай гарматы, як паказана на мал. 6. Відаць, што выпраменьваныя электроны маюць добрую сціскальнасць у напрамку y, і кожны пучок электронаў збліжаецца ў напрамку x уздоўж уласнага цэнтра сіметрыі, што паказвае на тое, што электрод кіравання ўраўнаважвае няроўнае электрычнае поле, якое ствараецца факусуючым электродам.
На малюнку 7 паказана агінаючая пучка ў кірунках x і y. Вынікі паказваюць, што адлегласць праекцыі электроннага пучка ў напрамку x адрозніваецца ад адлегласці ў напрамку y. Адлегласць кідка ў напрамку x складае каля 4 мм, а адлегласць кідка ў напрамку y блізкая да 7 мм. Такім чынам, фактычная адлегласць кідка павінна быць выбрана паміж 4 і 7 мм. Малюнак 8 паказвае папярочны перасек пучка электронаў пры 4,6. мм ад паверхні катода. Мы бачым, што форма папярочнага сячэння найбольш блізкая да стандартнага круглага электроннага пучка. Адлегласць паміж двума электроннымі пучкамі блізкая да задуманага 0,31 мм, а радыус складае каля 0,13 мм, што адпавядае праектным патрабаванням. На малюнку 9 паказаны вынікі мадэлявання току пучка. Відаць, што токі двух пучкоў складаюць 76 мА, што добра ўзгадняецца з задуманымі 80 м А.
Улічваючы ваганні кіруючага напружання ў практычных прымяненнях, неабходна вывучыць адчувальнасць да напружання гэтай мадэлі. У дыяпазоне напружання 19,8 ~ 20,6 кВ атрымліваюцца агінальныя току і току пучка, як паказана на малюнку 1 і на малюнках 1.10 і 11. З вынікаў відаць, што змяненне кіруючага напружання не ўплывае на агінаючую электроннага пучка, а ток электроннага пучка змяняецца толькі ад Ад 0,74 да 0,78 А. Такім чынам, можна лічыць, што электронная гармата, распрацаваная ў гэтай працы, мае добрую адчувальнасць да напружання.
Уплыў флуктуацый напружання на абгінаючую пучка ў напрамках X і Y.
Раўнамернае магнітнае факусуючае поле з'яўляецца звычайнай факусуючай сістэмай пастаяннага магніта. Дзякуючы раўнамернаму размеркаванню магнітнага поля па ўсім канале прамяня, яно вельмі падыходзіць для восесіметрычных пучкоў электронаў. У гэтым раздзеле прапануецца аднастайная магнітная сістэма факусіроўкі для падтрымання перадачы падвойных алоўкавых прамянёў на вялікую адлегласць. Аналізуючы створанае магнітнае поле і агінальную прамяня, прапануецца схема канструкцыі сістэмы факусіроўкі і вывучаецца праблема адчувальнасці. У адпаведнасці з тэорыяй стабільнай перадачы адзінкавага пучка алоўка 18, 19, значэнне магнітнага поля Брылюэна можа быць разлічана з дапамогай ураўнення (2). У гэтай працы мы таксама выкарыстоўваем гэтую эквівалентнасць для ацэнкі магнітнага поля размеркаванага ўбок двайнога пучка алоўка. У спалучэнні з электроннай гарматай, распрацаванай у гэтай працы, разлічанае значэнне магнітнага поля складае каля 4000 Гс. Згодна з спасылкай.У практычных канструкцыях звычайна выбіраюць 20, у 1,5-2 разы больш разліковага значэння.
На малюнку 12 паказана структура сістэмы поля факусіроўкі аднастайнага магнітнага поля. Сіняя частка - гэта пастаянны магніт, намагнічаны ў восевым кірунку. Выбар матэрыялу - NdFeB або FeCoNi. Рэманентнасць Br, зададзеная ў імітацыйнай мадэлі, роўная 1,3 Тл, а пранікальнасць - 1,05. Для забеспячэння стабільнай перадачы прамяня па ўсёй ланцугу даўжыня магніта першапачаткова ўстаноўлена на 70 мм. Акрамя таго, памер магніта ў Напрамак x вызначае, ці з'яўляецца папярочнае магнітнае поле ў канале прамяня аднастайным, што патрабуе, каб памер у напрамку x не быў занадта малым. У той жа час, улічваючы кошт і вагу ўсёй трубкі, памер магніта не павінен быць занадта вялікім. Такім чынам, магніты першапачаткова ўстаноўлены на 150 мм × 150 мм × 70 мм. Між тым, каб пераканацца, што ўвесь павольнахвалевы контур можа быць размешчаны ў сістэме факусіроўкі, адлегласць паміж магнітамі s усталяваны на 20 мм.
У 2015 годзе Пурна Чандра Панда21 прапанаваў полюсны наканечнік з новай ступеньчатай адтулінай у аднастайнай сістэме магнітнай факусіроўкі, якая можа яшчэ больш паменшыць велічыню ўцечкі патоку да катода і папярочнага магнітнага поля, якое ствараецца ў адтуліне полюснага наканечніка. У гэтым артыкуле мы дадаем ступеньчатую структуру да полюснага наканечніка сістэмы факусіроўкі. Таўшчыня полюснага наканечніка першапачаткова ўстаноўлена на 1,5 мм, вышыня і шырыня з трох прыступак складае 0,5 мм, а адлегласць паміж адтулінамі для полюсных наканечнікаў складае 2 мм, як паказана на малюнку 13.
На малюнку 14а паказана размеркаванне восевага магнітнага поля ўздоўж восевых ліній двух электронных пучкоў. Відаць, што сілы магнітнага поля ўздоўж двух электронных пучкоў роўныя. Значэнне магнітнага поля складае каля 6000 Гс, што ў 1,5 раза перавышае тэарэтычнае поле Брылюэна для павышэння прадукцыйнасці перадачы і факусоўкі. У той жа час магнітнае поле на катодзе амаль роўна 0, што сведчыць аб тым, што полюсны наканечнік мае добры эфект для прадухілення ўцечкі магнітнага патоку. Малюнак 14b паказвае размеркаванне папярочнага магнітнага поля By у напрамку z на верхнім краі двух электронных пучкоў. Відаць, што папярочнае магнітнае поле менш за 200 Гс толькі ў адтуліне полюснага наканечніка, у той час як у павольнай ланцугу папярочнае магнітнае поле амаль роўна нулю, што даказвае, што ўплыў папярочнага магнітнага поля на пучок электронаў нязначны. .Каб прадухіліць магнітнае насычэнне полюсных наканечнікаў, неабходна вывучыць напружанасць магнітнага поля ўнутры полюсных наканечнікаў. На малюнку 14c паказана абсалютнае значэнне размеркавання магнітнага поля ўнутры полюснага наканечніка. Відаць, што абсалютнае значэнне напружанасці магнітнага поля менш за 1,2 Тл, што паказвае на тое, што магнітнага насычэння полюснага наканечніка не адбудзецца.
Размеркаванне напружанасці магнітнага поля для Br = 1,3 Тл. (a) Размеркаванне восевага поля. (b) Размеркаванне бакавога поля By у напрамку z. (c) Абсалютнае значэнне размеркавання поля ў межах полюснага наканечніка.
На аснове модуля CST PS аптымізавана восевае адноснае становішча двухпрамянёвай гарматы і сістэмы факусіроўкі.9 і мадэлявання, аптымальнае размяшчэнне - гэта месца, дзе анод перакрывае полюсны наканечнік ад магніта. Аднак было выяўлена, што калі рэшткавая намагнічанасць была ўстаноўлена роўнай 1,3 Тл, прапусканне электроннага пучка не магло б дасягнуць 99%. Пры павелічэнні астаткавай напружанасці да 1,4 Тл факусуючае магнітнае поле павялічыцца да 6500 Гс. Траекторыі прамяня ў плоскасцях xoz і yoz паказаны на малюнку 15. Відаць, што прамень мае добрую прапускальнасць, невялікія ваганні і адлегласць перадачы больш за 45 мм.
Траекторыі падвойных алоўкавых пучкоў у аднароднай магнітнай сістэме з Br = 1,4 Тл.(а) xoz плоскасць.(b) yoz самалёт.
На малюнку 16 паказаны папярочны перасек пучка ў розных месцах ад катода. Відаць, што форма секцыі пучка ў сістэме факусіроўкі добра захоўваецца, а дыяметр секцыі не моцна змяняецца. На малюнку 17 паказаны агінальныя пучка ў напрамках x і y адпаведна. Відаць, што ваганні пучка ў абодвух напрамках вельмі малыя. На малюнку 18 паказаны вынікі мадэлявання пучка ток. Вынікі паказваюць, што ток складае каля 2 × 80 мА, што адпавядае разліковым значэннем у канструкцыі электроннай гарматы.
Перасек электроннага пучка (з сістэмай факусіроўкі) у розных месцах ад катода.
Улічваючы шэраг праблем, такіх як памылкі зборкі, ваганні напружання і змены напружанасці магнітнага поля ў практычных прымяненнях апрацоўкі, неабходна прааналізаваць адчувальнасць сістэмы факусіроўкі. Паколькі паміж анодам і полюсам у фактычнай апрацоўцы існуе зазор, гэты зазор неабходна ўсталяваць у мадэляванні. Значэнне зазору было ўстаноўлена роўным 0,2 мм, а на малюнку 19a паказаны агінаючая прамяня і ток прамяня ў напрамку y. .Гэты вынік паказвае, што змяненне агінаючай прамяня не з'яўляецца значным і ток прамяня амаль не змяняецца. Такім чынам, сістэма неадчувальная да памылак зборкі. Для ваганняў кіруючага напружання дыяпазон памылак усталяваны ў ±0,5 кВ. На малюнку 19b паказаны вынікі параўнання. Відаць, што змена напружання практычна не ўплывае на агінаючую прамяня. Дыяпазон памылак усталёўваецца ад -0,02 да +0,03 Т для змен у напружанасці магнітнага поля. Вынікі параўнання паказаны на малюнку 20. Відаць, што агінаючая прамяня практычна не змяняецца, што азначае, што ўвесь EOS неадчувальны да змен у напружанасці магнітнага поля.
Агінаючая прамяня і ток пры аднастайнай сістэме магнітнай факусіроўкі. (a) Дапушчальнае адхіленне пры зборцы складае 0,2 мм. (b) Ваганне кіруючай напругі складае ±0,5 кВ.
Агінаючая пучка пад сістэмай аднастайнай магнітнай факусіроўкі з ваганнямі напружанасці восевага магнітнага поля ад 0,63 да 0,68 Тл.
Каб гарантаваць, што сістэма факусіроўкі, распрацаваная ў гэтым артыкуле, можа супадаць з HFS, неабходна аб'яднаць сістэму факусіроўкі і HFS для даследавання. На малюнку 21 паказана параўнанне агінаючай прамяня з і без нагрузкі HFS. Вынікі паказваюць, што агінаючая прамяня не моцна змяняецца пры загрузцы ўсёй HFS. Такім чынам, сістэма факусіроўкі падыходзіць для трубкі бягучай хвалі HFS вышэйзгаданай канструкцыі.
Каб праверыць правільнасць EOS, прапанаванага ў Раздзеле III, і даследаваць прадукцыйнасць 220 ГГц SDV-LWT, выконваецца 3D-PIC мадэляванне ўзаемадзеяння прамянёвых хваль. З-за абмежаванняў праграмнага забеспячэння мадэлявання мы не змаглі дадаць увесь EOS у HFS. Таму электронная гармата была заменена на эквівалентную выпраменьвальную паверхню з дыяметрам 0,13 мм і адлегласцю паміж дзвюма паверхнямі 0 0,31 мм, тыя ж параметры, што і электронная гармата, распрацаваная вышэй. Дзякуючы неадчувальнасці і добрай стабільнасці EOS, кіруючае напружанне можа быць належным чынам аптымізавана для дасягнення найлепшай выхадной магутнасці пры мадэляванні PIC. Вынікі мадэлявання паказваюць, што насычаная выхадная магутнасць і ўзмацненне могуць быць атрыманы пры кіруючай напрузе 20,6 кВ, току пучка 2 × 80 мА (603 А/см2) і ўваходнай магутнасці 0,0 5 Вт
Для атрымання найлепшага выхаднога сігналу таксама неабходна аптымізаваць колькасць цыклаў. Найлепшая выхадная магутнасць атрымліваецца, калі колькасць двух этапаў складае 42 + 48 цыклаў, як паказана на малюнку 22a. Уваходны сігнал магутнасцю 0,05 Вт узмацняецца да 314 Вт з узмацненнем 38 дБ. Спектр выхадной магутнасці, атрыманы з дапамогай хуткага пераўтварэння Фур'е (БПФ), з'яўляецца чыстым і дасягае піку на 220 ГГц. e 22b паказвае размеркаванне энергіі электронаў у SWS па восі, пры гэтым большасць электронаў губляе энергію. Гэты вынік паказвае, што SDV-SWS можа пераўтвараць кінетычную энергію электронаў у радыёчастотныя сігналы, рэалізуючы тым самым узмацненне сігналу.
Выхадны сігнал SDV-SWS на частаце 220 ГГц. (a) Выхадная магутнасць з уключаным спектрам. (b) Размеркаванне энергіі электронаў з пучком электронаў у канцы ўстаўкі SWS.
На малюнку 23 паказаны паласа выхадных магутнасцей і ўзмацненне двухрэжымнага двухпрамянёвага SDV-TWT. Прадукцыйнасць выхаду можа быць дадаткова палепшана шляхам разгортвання частот ад 200 да 275 ГГц і аптымізацыі напружання прывада. Гэты вынік паказвае, што паласа прапускання 3 дБ можа пакрываць ад 205 да 275 ГГц, што азначае, што двухрэжымная праца можа значна пашырыць рабочую паласу прапускання.
Аднак, згодна з малюнкам 2a, мы ведаем, што паміж няцотным і цотным рэжымамі існуе паласа прыпынку, якая можа прывесці да непажаданых ваганняў. Таму неабходна вывучыць стабільнасць працы вакол прыпынкаў. На малюнках 24a-c прадстаўлены вынікі мадэлявання за 20 нс пры 265,3 ГГц, 265,35 ГГц і 265,4 ГГц адпаведна. Відаць, што хоць вынікі мадэлявання маюць некаторыя ваганняў, выхадная магутнасць адносна стабільная. Спектр таксама паказаны на малюнку 24, адпаведна, спектр чысты. Гэтыя вынікі паказваюць, што каля паласы спынення няма аўтаваганняў.
Выраб і вымярэнне неабходныя для праверкі правільнасці ўсёй HFS. У гэтай частцы HFS вырабляецца з выкарыстаннем тэхналогіі камп'ютэрнага лікавага кіравання (ЧПУ) з дыяметрам інструмента 0,1 мм і дакладнасцю апрацоўкі 10 мкм. Матэрыялам для высокачашчыннай структуры з'яўляецца бескіслародная медзь з высокай праводнасцю (OFHC). Малюнак 25a паказвае вырабленую структуру. Даўжыня ўсёй структуры складае 66. 00 мм, шырыня 20,00 мм і вышыня 8,66 мм. Вакол структуры размеркаваны восем адтулін для шпілек. Малюнак 25b паказвае структуру з дапамогай сканавальнай электроннай мікраскапіі (SEM). Ляза гэтай структуры вырабляюцца раўнамерна і маюць добрую шурпатасць паверхні. Пасля дакладных вымярэнняў агульная памылка апрацоўкі складае менш за 5%, а шурпатасць паверхні складае каля 0,4 мкм. Структура апрацоўкі адпавядае патрабаванням канструкцыі і дакладнасці.
На малюнку 26 паказана параўнанне паміж рэальнымі вынікамі тэставання і мадэляваннем прадукцыйнасці перадачы. Порт 1 і порт 2 на малюнку 26a адпавядаюць ўваходным і выхадным партам HFS адпаведна і эквівалентныя портам 1 і порту 4 на малюнку 3. Фактычныя вынікі вымярэнняў S11 крыху лепшыя, чым вынікі мадэлявання. У той жа час вынікі вымярэнняў S21 крыху горшыя. Прычына можа заключацца ў тым, што праводнасць матэрыялу, зададзеная пры мадэляванні, занадта высокая і шурпатасць паверхні пасля фактычнай механічнай апрацоўкі дрэнная. У цэлым вынікі вымярэнняў добра супадаюць з вынікамі мадэлявання, а паласа перадачы адпавядае патрабаванням 70 ГГц, што пацвярджае магчымасць і правільнасць прапанаванага двухрэжымнага SDV-LWT. Такім чынам, у спалучэнні з фактычным працэсам вырабу і вынікамі выпрабаванняў можа быць выкарыстана звышшырокапалосная двухпрамянёвая канструкцыя SDV-LWT, прапанаваная ў гэтым артыкуле. для наступнага вырабу і прымянення.
У гэтым артыкуле прадстаўлена дэталёвая канструкцыя двухпрамянёвага SDV-LWT з плоскім размеркаваннем 220 ГГц. Спалучэнне двухрэжымнай працы і двухпрамянёвага ўзбуджэння яшчэ больш павялічвае рабочую паласу прапускання і выхадную магутнасць. Выраб і халодныя выпрабаванні таксама праводзяцца для праверкі правільнасці ўсёй HFS.Фактычныя вынікі вымярэнняў добра супадаюць з вынікамі мадэлявання. Для распрацаванай двухпрамянёвай EOS частка маскі і кіруючыя электроды былі выкарыстаны разам для стварэння прамяня з двума карандашамі. Пад распрацаваным раўнамерным факусуючым магнітным полем электронны прамень можа стабільна перадавацца на вялікія адлегласці з добрай формай. У будучыні будзе праводзіцца вытворчасць і выпрабаванне EOS, а таксама будуць праводзіцца тэрмічныя выпрабаванні ўсяго ЛБВ. Гэта праектная схема SDV-LWT, прапанаваная ў гэтым папера цалкам аб'ядноўвае бягучую спелую тэхналогію апрацоўкі плоскасці і дэманструе вялікі патэнцыял у паказчыках прадукцыйнасці, апрацоўцы і зборцы. Такім чынам, у гэтым артыкуле мяркуецца, што плоская структура, хутчэй за ўсё, стане тэндэнцыяй развіцця вакуумных электронных прылад у тэрагерцавым дыяпазоне.
Большая частка неапрацаваных даных і аналітычных мадэляў у гэтым даследаванні была ўключана ў гэты артыкул. Дадатковую рэлевантную інфармацыю можна атрымаць у адпаведнага аўтара па разумным запыце.
Гамзіна, Д. і інш. Нанамаштабная апрацоўка з ЧПУ субтэрагерцавай вакуумнай электронікі. IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. і Paoloni, C. UV-LIGA мікрафабрыкацыя субтэрагерцавых хваляводаў з выкарыстаннем шматслойнага фотарэзіста SU-8.J.Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS і інш. Дарожная карта тэхналогіі ТГц на 2017 год.J.Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Моцнае абмежаванне распаўсюджвання плазмоннай хвалі праз звышшырокапалосныя хвалеводы з падвойнымі рашоткамі ў шахматным парадку.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al.Performance of a Nano CNC Machined 220-GHz Traveling Wave Tube Amplifier.IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ. Даследаванне дыякатроннай нестабільнасці электронных пучкоў бясконцай шырыні з выкарыстаннем тэорыі мадэлі макраскапічнай халоднай вадкасці. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Галдэцкі, А. В. аб магчымасці павелічэння прапускной здольнасці за кошт планарнай кампаноўкі пучка ў шматпрамянёвым клістроне. На 12-й Міжнароднай канферэнцыі IEEE па вакуумнай электроніцы, Бангалор, Індыя, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ і інш. Дызайн трохпрамянёвых электронных гармат з размеркаваннем вузкай плоскасці расшчаплення прамяня ў W-дыяпазоне ў шахматным парадку з двухлопасцевай трубкай бягучай хвалі [J].Science.Rep.11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB & Ruan, CJ Планарная размеркаваная трохпрамянёвая электронна-аптычная сістэма з вузкім падзелам прамянёў для фундаментальнага рэжыму W-дыяпазону TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Чжан, М. Даследаванне перамежнай двухлопасцевай трубкі з бягучай хваляй з ліставымі прамянямі міліметровай хвалі 20-22 (доктар філасофіі, Універсітэт Бэйхан, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Даследаванне стабільнасці ўзаемадзеяння прамянёва-хвалевай трубкі з дзвюма лопасцямі бягучай хвалі з чаргаваннем G-дыяпазону. 43-я Міжнародная канферэнцыя па інфрачырвоным інфрачырвоным міліметровым і тэрагерцавым хвалях, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.851 0263 (2018).