Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка за CSS. За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да изключите режима на съвместимост в Internet Explorer). Междувременно, за да осигурим непрекъсната поддръжка, ние ще показваме сайта без стилове и JavaScript.
В тази статия е проектирана и проверена 220GHz широколентова високомощна преплитаща тръба с двойни лопатки за бавна вълна. Първо, предлага се планарна двулъчева шахматна структура с бавна вълна с двойни лопатки. Чрез използване на двурежимна работна схема, производителността и честотната лента на предаване са почти двойно по-високи от тези за единичен режим. Второ, за да се отговори на изискванията за висока изходна мощност и да се подобри стабилността на тръбата за плъзгаща се вълна, проектирана е електронна оптична система с форма на двоен молив, задвижващото напрежение е 20 ~ 21 kV и токът е 2 × 80 mA. Цели на дизайна. Чрез използване на частта на маската и контролния електрод в пистолета с двоен лъч, двата лъча на молив могат да бъдат фокусирани по съответните им центрове със съотношение на компресия 7, разстоянието на фокусиране е около 0,18 mm и стабилността е добра. Равномерната система за магнитно фокусиране също е оптимизирана .Стабилното разстояние на предаване на планарния двоен електронен лъч може да достигне 45 mm, а фокусиращото магнитно поле е 0,6 T, което е достатъчно, за да покрие цялата високочестотна система (HFS). След това, за да се провери използваемостта на електронно-оптичната система и производителността на структурата с бавни вълни, симулации на клетки от частици (PIC) също бяха извършени върху цялата HFS. Резултатите показват, че системата за взаимодействие на лъча може да постигне пикова изходна мощност от близо 31 0 W при 220 GHz, оптимизираното напрежение на лъча е 20,6 kV, токът на лъча е 2 × 80 mA, печалбата е 38 dB, а 3-dB честотната лента надвишава 35 dB около 70 GHz. Накрая се извършва високопрецизно производство на микроструктура, за да се провери производителността на HFS и резултатите показват, че честотната лента и характеристиките на предаване са в добро съответствие с резултатите от симулацията Следователно схемата, предложена в този документ, се очаква да разработи високомощни, ултрашироколентови източници на терагерцова лента с потенциал за бъдещи приложения.
Като традиционно вакуумно електронно устройство, тръбата с пътуваща вълна (TWT) играе незаменима роля в много приложения като радар с висока разделителна способност, сателитни комуникационни системи и изследване на космоса 1,2,3. Въпреки това, тъй като работната честота навлиза в терахерцовата лента, традиционната TWT със свързана кухина и спиралната TWT не успяха да отговорят на нуждите на хората поради относително ниската изходна мощност, тясната честотна лента и трудното производство Следователно, как цялостно да се подобри производителността на THz обхвата се превърна в много загрижен въпрос за много научноизследователски институции. През последните години нови структури с бавни вълни (SWS), като шахматни структури с двойна пластина (SDV) и структури със сгънат вълновод (FW), получиха голямо внимание поради техните естествени равнинни структури, особено новите SDV-SWS с обещаващ потенциал. Тази структура беше предложена от UC-Davis в 20084. Равнинната структура може лесно да бъде произведена чрез микро-нано техники за обработка, като компютърно цифрово управление (CNC) и UV-LIGA, изцяло металната структура на пакета може да осигури по-голям топлинен капацитет с по-висока изходна мощност и усилване, а структурата, подобна на вълновод, също може да осигури по-широка работна честотна лента. В момента UC Davis демонстрира за първи път през 2017 г., че SDV-TWT може да генерира изходи с висока мощност над 10 Сигнали с честотна лента 0 W и почти 14 GHz в G-обхвата5. Въпреки това, тези резултати все още имат пропуски, които не могат да отговорят на свързаните изисквания за висока мощност и широка честотна лента в терагерцовата лента. За G-обхвата SDV-TWT на UC-Davis са използвани листови електронни лъчи. Въпреки че тази схема може значително да подобри токопреносимия капацитет на лъча, е трудно да се поддържа голямо разстояние за предаване поради нестабилността на електронната оптична система с листов лъч (EOS) и има тунел на лъча в свръхрежим, който също може да доведе до саморегулиране на лъча.– Възбуждане и трептене 6,7. За да се изпълнят изискванията за висока изходна мощност, широка честотна лента и добра стабилност на THz TWT, в тази статия се предлага SDV-SWS с двоен лъч с двурежимна работа. Тоест, за да се увеличи работната честотна лента, двурежимната работа е предложена и въведена в тази структура. И за да се увеличи изходната мощност, също се използва плоскостно разпределение на двойни моливни лъчи. Радиостанциите с лъч с молив са сравнително малки поради ограничения на вертикалния размер. Ако плътността на тока е твърде висока, токът на лъча трябва да бъде намален, което води до относително ниска изходна мощност. За да се подобри тока на лъча, се появи планарно разпределен многолъчев EOS, който използва страничния размер на SWS. Благодарение на независимото тунелиране на лъча, планарно разпределеният многолъчев лъч може да постигне висока изходна мощност чрез поддържане на висок общ ток на лъча и малък ток на лъч, което може да избегне тунелирането на лъча в свръхрежим в сравнение с устройствата с листов лъч. Следователно е полезно да се поддържа стабилността на тръбата за плъзгаща се вълна. Въз основа на предишна работа 8, 9, тази статия предлага G-лента равномерно магнитно поле, фокусиращо двоен молив лъч EOS, което може значително да подобри стабилното разстояние на предаване на лъча и допълнително да увеличи зоната на взаимодействие на лъча, като по този начин значително подобрява изходната мощност.
Структурата на тази статия е следната. Първо, дизайнът на SWS клетката с параметри, анализ на характеристиките на дисперсията и резултатите от високочестотната симулация са описани. След това, според структурата на единичната клетка, в тази статия са проектирани EOS с двоен молив и система за взаимодействие на лъча. Резултатите от симулация на вътреклетъчни частици също са представени, за да се провери използваемостта на EOS и производителността на SDV-TWT. В допълнение, хартията представя накратко резултатите от производството и студените тестове за да проверите коректността на целия HFS. Накрая направете резюме.
Като един от най-важните компоненти на TWT, дисперсионните свойства на структурата с бавни вълни показват дали скоростта на електроните съвпада с фазовата скорост на SWS и по този начин има голямо влияние върху взаимодействието лъч-вълна. За да се подобри работата на целия TWT, е проектирана подобрена структура за взаимодействие. Структурата на единичната клетка е показана на фигура 1. Като се има предвид нестабилността на листовия лъч и ограничението на мощността на единичния лъч на перото, структурата приема двойна греда на писалката за допълнително подобряване на изходната мощност и стабилността на работа.Междувременно, за да се увеличи работната честотна лента, е предложен двоен режим за работа на SWS. Поради симетрията на SDV структурата, решението на уравнението за дисперсия на електромагнитното поле може да бъде разделено на нечетни и четни режими. В същото време основният нечетен режим на нискочестотната лента и основният четен режим на високочестотната лента се използват за реализиране на широколентовата синхронизация на взаимодействието на лъча, като по този начин допълнително подобряват работната лента ширина.
Съгласно изискванията за захранване, цялата тръба е проектирана със задвижващо напрежение от 20 kV и ток на двоен лъч от 2 × 80 mA. За да съвпаднем напрежението възможно най-близо с работната честотна лента на SDV-SWS, трябва да изчислим дължината на периода p. Връзката между напрежението на лъча и периода е показана в уравнение (1)10:
Чрез задаване на фазовото изместване на 2,5π при централна честота от 220 GHz, периодът p може да бъде изчислен на 0,46 mm. Фигура 2а показва дисперсионните свойства на SWS единичната клетка. 20 kV лъчева линия съвпада много добре с бимодалната крива. Съвпадащите честотни ленти могат да достигнат около 70 GHz в 210–265,3 GHz (нечетен режим) и 265,4–2 Диапазони от 80 GHz (четен режим). Фигура 2b показва средния импеданс на свързване, който е по-голям от 0,6 Ω от 210 до 290 GHz, което показва, че могат да възникнат силни взаимодействия в работната честотна лента.
(a) Дисперсионни характеристики на двумодов SDV-SWS с 20 kV линия на електронен лъч. (b) Импеданс на взаимодействие на SDV веригата с бавни вълни.
Въпреки това е важно да се отбележи, че има пролука между нечетните и четните режими и ние обикновено наричаме тази пролука като лента за спиране, както е показано на Фигура 2а. Ако TWT работи близо до тази честотна лента, може да възникне силна сила на свързване на лъча, което ще доведе до нежелани трептения. В практическите приложения обикновено избягваме използването на TWT близо до лентата на спиране. Въпреки това може да се види, че пролуката на тази структура с бавни вълни е само 0,1 GHz. Трудно е да се определи дали тази малка пропускаща лента причинява трептения. Следователно стабилността на работа около лентата на спиране ще бъде изследвана в следващия раздел за PIC симулация, за да се анализира дали могат да възникнат нежелани трептения.
Моделът на целия HFS е показан на фигура 3. Състои се от два етапа на SDV-SWS, свързани с рефлектори на Bragg. Функцията на рефлектора е да прекъсва предаването на сигнала между двата етапа, да потиска трептенията и отражението на неработещи режими, като режими от висок порядък, генерирани между горните и долните перки, като по този начин значително подобрява стабилността на цялата тръба. За връзка с външната среда е използван линеен заострен съединител също така се използва за свързване на SWS към стандартен вълновод WR-4. Коефициентът на предаване на двустепенната структура се измерва от инструмент за решаване на времева област в софтуера за 3D симулация. Като се има предвид действителният ефект на терахерцовата лента върху материала, материалът на вакуумната обвивка първоначално е настроен на мед и проводимостта е намалена до 2,25×107 S/m12.
Фигура 4 показва резултатите от предаването за HFS със и без линейни заострени съединители. Резултатите показват, че съединителят има малък ефект върху производителността на предаване на цялата HFS. Загубата на връщане (S11 < − 10 dB) и загубата на вмъкване (S21 > − 5 dB) на цялата система в широколентовия 207~280 GHz показват, че HFS има добри характеристики на предаване.
Тъй като захранването на вакуумни електронни устройства, електронният пистолет директно определя дали устройството може да генерира достатъчно изходна мощност.2, задвижващото напрежение Ua на електронните лъчи първоначално е зададено на 20 kV, токовете I на двата електронни лъча са 80 mA, а диаметърът на лъча dw на електронните лъчи е 0,13 mm. В същото време, за да се гарантира, че може да се постигне плътността на тока на електронния лъч и катода, коефициентът на компресия на електронния лъч е зададен на 7, така че токът плътността на електронния лъч е 603 A/cm2, а плътността на тока на катода е 86 A/cm2, което може да се постигне чрез. Това се постига с помощта на нови катодни материали. Според теорията на дизайна 14, 15, 16, 17, типичният електронен пистолет на Пиърс може да бъде уникално идентифициран.
Фигура 5 показва съответно хоризонталната и вертикалната схематични диаграми на пистолета. Може да се види, че профилът на електронния пистолет в посока x е почти идентичен с този на типичен листов електронен пистолет, докато в посоката y двата електронни лъча са частично разделени от маската. Позициите на двата катода са при x = – 0,155 mm, y = 0 mm и x = 0,15 5 mm, y = 0 mm, съответно. Съгласно проектните изисквания за коефициент на компресия и размер на инжектиране на електрони, размерите на двете катодни повърхности са определени на 0,91 mm × 0,13 mm.
За да направи фокусираното електрическо поле, получено от всеки електронен лъч в x-посоката, симетрично спрямо собствения му център, тази статия прилага контролен електрод към електронния пистолет. Като зададем напрежението на фокусиращия електрод и контролния електрод на −20 kV и напрежението на анода на 0 V, можем да получим разпределението на траекторията на пистолета с двоен лъч, както е показано на Фиг. 6. Може да се види, че излъчваните електрони имат добра свиваемост в y-посоката и всеки електронен лъч се сближава към x-посоката по собствения си център на симетрия, което показва, че контролният електрод балансира неравномерното електрическо поле, генерирано от фокусиращия електрод.
Фигура 7 показва обвивката на лъча в посоките x и y. Резултатите показват, че разстоянието на прожектиране на електронния лъч в посоката x е различно от това в посоката y. Разстоянието на прожектиране в посоката x е около 4 mm, а разстоянието на изхвърляне в посоката y е близо до 7 mm. Следователно действителното разстояние на изхвърляне трябва да бъде избрано между 4 и 7 mm. Фигура 8 показва напречното сечение на електронния лъч при 4,6 mm от повърхността на катода. Виждаме, че формата на напречното сечение е най-близка до стандартен кръгов електронен лъч. Разстоянието между двата електронни лъча е близко до проектираните 0,31 mm, а радиусът е около 0,13 mm, което отговаря на проектните изисквания. Фигура 9 показва резултатите от симулацията на тока на лъча. Вижда се, че двата тока на лъча са 76 mA, което е в добро съответствие с проектираните 80 m А.
Като се има предвид флуктуацията на задвижващото напрежение в практически приложения, е необходимо да се проучи чувствителността на напрежението на този модел. В диапазона на напрежението от 19,8 ~ 20,6 kV се получават обвивките на тока и тока на лъча, както е показано на Фигура 1 и Фигури 1.10 и 11. От резултатите може да се види, че промяната на задвижващото напрежение няма ефект върху обвивката на електронния лъч и токът на електронния лъч се променя само от 0,74 до 0,78 A. Следователно може да се счита, че електронният пистолет, проектиран в тази статия, има добра чувствителност към напрежение.
Ефектът от колебанията на управляващото напрежение върху обвивките на лъча в посока x и y.
Еднородното магнитно фокусиращо поле е обща система за фокусиране на постоянен магнит. Благодарение на равномерното разпределение на магнитното поле в целия канал на лъча, то е много подходящо за осесиметрични електронни лъчи. В този раздел се предлага еднаква магнитна фокусираща система за поддържане на предаването на дълги разстояния на двойни моливни лъчи. Чрез анализиране на генерираното магнитно поле и обвивката на лъча се предлага проектната схема на системата за фокусиране и се изследва проблемът с чувствителността. В теорията за стабилното предаване на единичен молив лъч18,19 стойността на магнитното поле на Брилуен може да бъде изчислена чрез уравнение (2). В тази статия ние също използваме тази еквивалентност, за да оценим магнитното поле на странично разпределен двоен молив лъч. В комбинация с електронния пистолет, проектиран в тази статия, изчислената стойност на магнитното поле е около 4000 Gs. Според реф.20, 1,5-2 пъти изчислената стойност обикновено се избира в практически проекти.
Фигура 12 показва структурата на една система с фокусиращо поле на магнитно поле. Синята част е постоянен магнит, магнетизиран в аксиална посока. Изборът на материал е NdFeB или FeCoNi. Остатъчната намагнитност Br, зададена в симулационния модел, е 1,3 T и пропускливостта е 1,05. За да се осигури стабилно предаване на лъча в цялата верига, дължината на магнита първоначално е настроена на 70 mm. В допълнение, размерът на магнита в Посоката x определя дали напречното магнитно поле в канала на лъча е равномерно, което изисква размерът в посоката x да не може да бъде твърде малък. В същото време, като се има предвид цената и теглото на цялата тръба, размерът на магнита не трябва да бъде твърде голям. Следователно магнитите първоначално са настроени на 150 mm × 150 mm × 70 mm. Междувременно, за да се гарантира, че цялата верига с бавни вълни може да бъде поставена във фокусиращата система, разстоянието между магнита s е настроен на 20 mm.
През 2015 г. Purna Chandra Panda21 предложи полюсен елемент с нов стъпаловиден отвор в еднаква магнитна фокусираща система, която може допълнително да намали големината на изтичането на поток към катода и напречното магнитно поле, генерирано в отвора на полюсния елемент. В тази статия добавяме стъпаловидна структура към полюсния елемент на фокусиращата система. Дебелината на полюсния елемент първоначално е зададена на 1,5 mm, височината и ширината от трите стъпки са 0,5 mm, а разстоянието между отворите на полюсния накрайник е 2 mm, както е показано на фигура 13.
Фигура 14а показва аксиалното разпределение на магнитното поле по централните линии на двата електронни лъча. Може да се види, че силите на магнитното поле по протежение на двата електронни лъча са равни. Стойността на магнитното поле е около 6000 Gs, което е 1,5 пъти по-голямо от теоретичното поле на Брилуен за увеличаване на предаването и фокусирането. В същото време магнитното поле на катода е почти 0, което показва, че полюсът има добър ефект върху предотвратяването на изтичане на магнитен поток. Фигура 14b показва разпределението на напречното магнитно поле By в посока z в горния ръб на двата електронни лъча. Може да се види, че напречното магнитно поле е по-малко от 200 Gs само в отвора на полюсния елемент, докато в веригата с бавни вълни напречното магнитно поле е почти нула, което доказва, че влиянието на напречното магнитно поле върху електронния лъч е незначително .За да се предотврати магнитното насищане на полюсните накрайници, е необходимо да се изследва силата на магнитното поле вътре в полюсите. Фигура 14c показва абсолютната стойност на разпределението на магнитното поле вътре в полюсите. Може да се види, че абсолютната стойност на напрегнатостта на магнитното поле е по-малка от 1,2T, което показва, че магнитното насищане на полюсите няма да настъпи.
Разпределение на силата на магнитното поле за Br = 1,3 T. (a) Разпределение на аксиалното поле. (b) Разпределение на страничното поле By в посока z. (c) Абсолютна стойност на разпределението на полето в рамките на полюсния накрайник.
Въз основа на модула CST PS, аксиалното относително положение на пистолета с двоен лъч и фокусиращата система е оптимизирано. Съгласно реф.9 и симулации, оптималното местоположение е там, където анодната част припокрива полюсната част далеч от магнита. Установено е обаче, че ако остатъчната намагненост е настроена на 1.3T, пропускливостта на електронния лъч не може да достигне 99%. Чрез увеличаване на остатъчната намагнетност до 1.4 T, фокусиращото магнитно поле ще се увеличи до 6500 Gs. Траекториите на лъча в равнините xoz и yoz са показани на фигура 15. Може да се види, че лъчът има добро предаване, малка флуктуация и разстояние на предаване по-голямо от 45 мм.
Траектории на лъчи с двоен молив при хомогенна магнитна система с Br = 1,4 T. (a) xoz равнина. (b) yoz самолет.
Фигура 16 показва напречното сечение на лъча в различни позиции далеч от катода. Може да се види, че формата на секцията на лъча във фокусиращата система е добре поддържана и диаметърът на сечението не се променя много. Фигура 17 показва обвивките на лъча съответно в посоките x и y. Може да се види, че флуктуацията на лъча в двете посоки е много малка. Фигура 18 показва резултатите от симулацията на лъча Резултатите показват, че токът е около 2 × 80 mA, което е в съответствие с изчислената стойност в дизайна на електронната пушка.
Напречно сечение на електронен лъч (с фокусираща система) в различни позиции далеч от катода.
Имайки предвид поредица от проблеми като грешки при сглобяване, колебания на напрежението и промени в силата на магнитното поле при практически приложения за обработка, е необходимо да се анализира чувствителността на фокусиращата система. Тъй като има празнина между анодната част и полюсната част при действителната обработка, тази празнина трябва да бъде зададена в симулацията. Стойността на междината е зададена на 0,2 mm и Фигура 19а показва обвивката на лъча и тока на лъча в посока y .Този резултат показва, че промяната в обвивката на лъча не е значителна и токът на лъча почти не се променя. Следователно системата е нечувствителна към грешки при сглобяване. За колебанията на управляващото напрежение обхватът на грешката е зададен на ±0,5 kV. Фигура 19b показва резултатите от сравнението. Може да се види, че промяната на напрежението има малък ефект върху обвивката на лъча. Диапазонът на грешката е зададен от -0,02 до +0,03 T за промени в силата на магнитното поле. Резултатите от сравнението са показани на фигура 20. Може да се види, че обвивката на лъча почти не се променя, което означава, че цялата EOS е нечувствителна към промените в силата на магнитното поле.
Обвивката на лъча и токът се получават при еднаква магнитна фокусираща система. (a) Допустимото отклонение при сглобяване е 0,2 mm. (b) Флуктуацията на управляващото напрежение е ±0,5 kV.
Обвивка на лъча под еднаква магнитна фокусираща система с аксиални флуктуации на силата на магнитното поле в диапазона от 0,63 до 0,68 T.
За да се гарантира, че системата за фокусиране, проектирана в тази статия, може да съвпадне с HFS, е необходимо да се комбинират системата за фокусиране и HFS за изследване. Фигура 21 показва сравнение на обвивките на лъча със и без зареден HFS. Резултатите показват, че обвивката на лъча не се променя много, когато се зареди целият HFS. Следователно системата за фокусиране е подходяща за тръбата за плъзгаща се вълна HFS от горния дизайн.
За да се провери коректността на EOS, предложен в раздел III, и да се проучи работата на 220 GHz SDV-TWT, се извършва 3D-PIC симулация на взаимодействие лъч-вълна. Поради ограничения на софтуера за симулация не успяхме да добавим целия EOS към HFS. Следователно, електронният пистолет беше заменен с еквивалентна излъчваща повърхност с диаметър 0,13 mm и разстояние между двете повърхности 0 .31 mm, същите параметри като електронния пистолет, проектиран по-горе. Благодарение на нечувствителността и добрата стабилност на EOS, задвижващото напрежение може да бъде правилно оптимизирано, за да се постигне най-добрата изходна мощност в PIC симулацията. Резултатите от симулацията показват, че наситената изходна мощност и печалба могат да бъдат получени при задвижващо напрежение от 20,6 kV, ток на лъча от 2 × 80 mA (603 A/cm2) и входна мощност от 0,0 5 W.
За да се получи най-добрият изходен сигнал, броят на циклите също трябва да бъде оптимизиран. Най-добрата изходна мощност се получава, когато броят на двата етапа е 42 + 48 цикъла, както е показано на фигура 22a. 0,05 W входен сигнал се усилва до 314 W с усилване от 38 dB. Спектърът на изходната мощност, получен чрез бързо преобразуване на Фурие (FFT), е чист, достигайки пик при 220 GHz. e 22b показва разпределението на аксиалната позиция на енергията на електроните в SWS, като повечето от електроните губят енергия. Този резултат показва, че SDV-SWS може да преобразува кинетичната енергия на електроните в RF сигнали, като по този начин реализира усилване на сигнала.
Изходен сигнал на SDV-SWS при 220 GHz. (a) Изходна мощност с включен спектър. (b) Разпределение на енергията на електрони с електронния лъч в края на вмъкването на SWS.
Фигура 23 показва широчината на честотната лента на изходната мощност и усилването на двурежимен двулъчев SDV-TWT. Изходната производителност може да бъде допълнително подобрена чрез преместване на честоти от 200 до 275 GHz и оптимизиране на напрежението на задвижването. Този резултат показва, че честотната лента от 3 dB може да покрие 205 до 275 GHz, което означава, че двурежимната работа може значително да разшири работната честотна лента.
Въпреки това, съгласно Фиг. 2a, ние знаем, че има лента на спиране между нечетните и четните режими, което може да доведе до нежелани трептения. Следователно трябва да се проучи стабилността на работата около спиранията. Фигури 24a-c са резултатите от симулацията от 20 ns съответно при 265,3 GHz, 265,35 GHz и 265,4 GHz. Може да се види, че въпреки че резултатите от симулацията имат някои колебания, изходната мощност е относително стабилна. Спектърът също е показан на Фигура 24, съответно, спектърът е чист. Тези резултати показват, че няма автоколебания близо до лентата на спиране.
Производството и измерването са необходими, за да се провери правилността на целия HFS. В тази част HFS се произвежда с помощта на технология за компютърно цифрово управление (CNC) с диаметър на инструмента от 0,1 mm и точност на обработка от 10 μm. Материалът за високочестотната структура е осигурен от безкислородна мед с висока проводимост (OFHC). Фигура 25a показва изработената структура. Цялата структура има дължина 66. 00 mm, ширина 20,00 mm и височина 8,66 mm. Осем отвора за щифтове са разпределени около структурата. Фигура 25b показва структурата чрез сканираща електронна микроскопия (SEM). Остриетата на тази структура са равномерно произведени и имат добра грапавост на повърхността. След прецизно измерване общата грешка при обработката е по-малка от 5%, а грапавостта на повърхността е около 0,4 μm. Структурата на обработката отговаря на изискванията за дизайн и точност.
Фигура 26 показва сравнението между действителните резултати от теста и симулациите на производителността на предаване. Порт 1 и порт 2 на фигура 26а съответстват съответно на входните и изходните портове на HFS и са еквивалентни на порт 1 и порт 4 на фигура 3. Действителните резултати от измерването на S11 са малко по-добри от резултатите от симулацията. В същото време измерените резултати на S21 са малко по-лоши. Причината може да е, че проводимостта на материала, зададена в симулацията, е твърде висока и грапавостта на повърхността след действителната машинна обработка е лоша. Като цяло измерените резултати са в добро съгласие с резултатите от симулацията и честотната лента на предаване отговаря на изискването от 70 GHz, което потвърждава осъществимостта и коректността на предложения двурежимен SDV-TWT. Следователно, комбиниран с действителния процес на производство и резултатите от теста, ултрашироколентовият двулъчев SDV-TWT дизайн, предложен в тази статия, може да се използва за последваща изработка и приложения.
В тази статия е представен подробен дизайн на 220 GHz двулъчев SDV-TWT с плоско разпределение. Комбинацията от двурежимна работа и двулъчево възбуждане допълнително увеличава работната честотна лента и изходната мощност. Производството и студеният тест също се извършват, за да се провери коректността на цялата HFS.Действителните резултати от измерването са в добро съгласие с резултатите от симулацията. За проектираната двулъчева EOS, секция на маската и контролни електроди са използвани заедно, за да произведат лъч с два молива. Под проектираното равномерно фокусиращо магнитно поле електронният лъч може да бъде стабилно предаван на дълги разстояния с добра форма. В бъдеще ще бъдат извършени производството и тестването на EOS и ще бъде извършен термичният тест на целия TWT. Тази проектна схема на SDV-TWT, предложена в това Хартията напълно съчетава текущата зряла технология за равнинна обработка и показва голям потенциал в показателите за производителност и обработката и сглобяването. Ето защо, тази статия вярва, че равнинната структура е най-вероятно да се превърне в тенденция за развитие на вакуумни електронни устройства в терахерцовата лента.
Повечето от необработените данни и аналитични модели в това проучване са включени в този документ. Допълнителна информация може да бъде получена от съответния автор при разумно искане.
Gamzina, D. et al. Наномащабна CNC обработка на субтерагерцова вакуумна електроника. IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. и Paoloni, C. UV-LIGA микропроизводство на суб-терагерцови вълноводи с помощта на многослоен фоторезист SU-8.J.Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 THz технологична пътна карта.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 Силно ограничаване на разпространението на плазмонични вълни чрез ултрашироколентови шахматни вълноводи с двойна решетка.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Производителност на нано CNC машинно обработен 220-GHz тръбен усилвател с пътуваща вълна.IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Изследване на диокотронна нестабилност на безкрайно широки листови електронни лъчи с помощта на макроскопична теория на модела на студена течност. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV относно възможността за увеличаване на честотната лента чрез планарното оформление на лъча в многолъчев клистрон. В 12-та международна конференция на IEEE за вакуумна електроника, Бангалор, Индия, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Проектиране на трилъчеви електронни оръдия с тясно разпределение на равнината на разделяне на лъча в W-лента с шахматна тръба с двойна лопатка на пътуваща вълна [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 Планарна разпределена трилъчева електронна оптична система с тясно разделяне на лъча за W-лентов основен режим TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Джан, М. Изследване на преплетена тръба с двойна лопатка на пътуваща вълна с милиметрови вълнови греди 20-22 (докторска степен, университет Бейханг, 2018 г.).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Проучване на стабилността на взаимодействието лъч-вълна на G-диапазона с преплитане на двойна лопатка за пътуваща вълна. 2018 43-та международна конференция за инфрачервени милиметрови и терахерцови вълни, Нагоя.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.851 0263 (2018).