Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili isključite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
U ovom radu je dizajnirana i verifikovana 220GHz širokopojasna visokosnažna isprepletena dvostruka cijev za putujući val. Prvo, predložena je planarna dvostruka snopna struktura sporog vala sa stepenastim rasporedom i dvostrukim lopaticama. Korištenjem dvostruke sheme rada, performanse prijenosa i propusni opseg su gotovo dvostruko veći od jednomodnog. Drugo, kako bi se zadovoljili zahtjevi visoke izlazne snage i poboljšala stabilnost cijevi za putujući val, dizajniran je dvostruki elektronski optički sistem u obliku olovke, pogonski napon je 20~21 kV, a struja je 2 × 80 mA. Ciljevi dizajna. Korištenjem maske i kontrolne elektrode u dvostrukom snopu, dva snopa olovke mogu se fokusirati duž svojih odgovarajućih centara sa omjerom kompresije od 7, udaljenost fokusiranja je oko 0,18 mm, a stabilnost je dobra. Optimiziran je i ujednačeni magnetski sistem fokusiranja. Stabilna udaljenost prijenosa planarnog dvostrukog elektronskog snopa može doseći 45 mm, a fokusirajuće magnetsko polje je 0,6 T, što je dovoljno da pokrije cijeli visokofrekventni sistem (HFS). Zatim, da bi se verificiralo... Upotrebljivost elektronsko-optičkog sistema i performanse strukture sporih talasa, simulacije čestičnih ćelija (PIC) su također izvršene na cijelom HFS-u. Rezultati pokazuju da sistem interakcije snopa može postići vršnu izlaznu snagu od skoro 310 W na 220 GHz, optimizovani napon snopa je 20,6 kV, struja snopa je 2 × 80 mA, pojačanje je 38 dB, a propusni opseg od 3 dB prelazi 35 dB na oko 70 GHz. Konačno, izvršena je izrada visokoprecizne mikrostrukture kako bi se provjerile performanse HFS-a, a rezultati pokazuju da su karakteristike propusnog opsega i prenosa u dobrom skladu sa rezultatima simulacije. Stoga se očekuje da će shema predložena u ovom radu razviti izvore zračenja velike snage, ultraširokopojasnog terahercnog opsega sa potencijalom za buduće primjene.
Kao tradicionalni vakuumski elektronski uređaj, cijev s putujućim valom (TWT) igra nezamjenjivu ulogu u mnogim primjenama kao što su radar visoke rezolucije, satelitski komunikacijski sistemi i istraživanje svemira1,2,3. Međutim, kako radna frekvencija ulazi u terahercni opseg, tradicionalne TWT s spregnutom šupljinom i spiralne TWT nisu mogle zadovoljiti potrebe ljudi zbog relativno niske izlazne snage, uskog propusnog opsega i teških proizvodnih procesa. Stoga je pitanje kako sveobuhvatno poboljšati performanse THz opsega postalo vrlo zabrinjavajuće za mnoge naučnoistraživačke institucije. Posljednjih godina, nove strukture sporih vala (SWS), kao što su strukture s dvostrukim lopaticama (SDV) i strukture preklopljenih valovoda (FW), privukle su veliku pažnju zbog svojih prirodnih planarnih struktura, posebno nove SDV-SWS s obećavajućim potencijalom. Ovu strukturu je predložio UC-Davis 2008. godine4. Planarna struktura se može lako izraditi mikro-nano tehnikama obrade kao što su numeričko upravljanje računarom (CNC) i UV-LIGA, a struktura kućišta od cijelog metala može pružiti veći toplinski kapacitet sa veća izlazna snaga i pojačanje, a struktura slična valovodu također može pružiti širi radni propusni opseg. Trenutno je UC Davis prvi put 2017. godine demonstrirao da SDV-TWT može generirati izlaze velike snage veće od 100 W i signale propusnog opsega od skoro 14 GHz u G-pojasu5. Međutim, ovi rezultati i dalje imaju praznine koje ne mogu zadovoljiti srodne zahtjeve velike snage i širokog propusnog opsega u terahercnom opsegu. Za UC-Davisov G-pojasni SDV-TWT korišteni su pločasti elektronski snopovi. Iako ova shema može značajno poboljšati kapacitet nošenja struje snopa, teško je održavati veliku udaljenost prijenosa zbog nestabilnosti elektronskog optičkog sistema (EOS) pločastog snopa, a postoji i tunel snopa u prekomjernom modu, što također može uzrokovati samoregulaciju snopa. – Pobuda i oscilacija 6,7. Kako bi se zadovoljili zahtjevi visoke izlazne snage, širokog propusnog opsega i dobre stabilnosti THz TWT-a, u ovom radu se predlaže dvostruki SDV-SWS s dvostrukim načinom rada. To jest, kako bi se povećao radni propusni opseg, u ovoj strukturi se predlaže i uvodi dvostruki način rada. Također, kako bi se povećala izlazna snaga, koristi se i planarna distribucija dvostrukih olovnih snopova. Radio uređaji s jednim olovnim snopom su relativno mali zbog ograničenja vertikalne veličine. Ako je gustoća struje previsoka, struja snopa mora se smanjiti, što rezultira relativno niskom izlaznom snagom. Da bi se poboljšala struja snopa, pojavio se planarni distribuirani višesnopni EOS, koji iskorištava bočnu veličinu SWS-a. Zbog nezavisnog tuneliranja snopa, planarni distribuirani višesnopni može postići visoku izlaznu snagu održavanjem visoke ukupne struje snopa i male struje po snopu, što može izbjeći prekomjerno tuneliranje snopa u usporedbi s uređajima s pločastim snopom. Stoga je korisno održavati stabilnost cijevi s putujućim valom. Na temelju prethodnog rada8,9, ovaj rad predlaže EOS dvostrukog olovnog snopa s jednoličnim magnetskim poljem u G-pojasu, koji može značajno poboljšati stabilnu udaljenost prijenosa snopa i dodatno povećati područje interakcije snopa, čime se značajno poboljšava izlazna snaga.
Struktura ovog rada je sljedeća. Prvo, opisan je dizajn SWS ćelije s parametrima, analizom disperzijskih karakteristika i rezultatima visokofrekventne simulacije. Zatim, u skladu sa strukturom jedinične ćelije, u ovom radu su dizajnirani EOS sa dvostrukom olovnom zrakom i sistem interakcije zraka. Također su predstavljeni rezultati simulacije intracelularnih čestica kako bi se provjerila upotrebljivost EOS-a i performanse SDV-TWT. Pored toga, rad ukratko predstavlja rezultate izrade i hladnih ispitivanja kako bi se provjerila ispravnost cijelog HFS-a. Na kraju je napravljen sažetak.
Kao jedna od najvažnijih komponenti TWT-a, disperzivna svojstva strukture sporog vala ukazuju na to da li se brzina elektrona podudara s faznom brzinom SWS-a, te stoga imaju veliki utjecaj na interakciju snopa i vala. Kako bi se poboljšale performanse cijelog TWT-a, dizajnirana je poboljšana struktura interakcije. Struktura jedinične ćelije prikazana je na slici 1. Uzimajući u obzir nestabilnost pločastog snopa i ograničenje snage jednostrukog snopa olovke, struktura usvaja dvostruki snop olovke kako bi se dodatno poboljšala izlazna snaga i stabilnost rada. U međuvremenu, kako bi se povećao radni propusni opseg, predložen je dvojni način rada za rad SWS-a. Zbog simetrije SDV strukture, rješenje jednadžbe disperzije elektromagnetskog polja može se podijeliti na parne i neparne načine rada. Istovremeno, fundamentalni neparni način rada niskofrekventnog pojasa i fundamentalni parni način rada visokofrekventnog pojasa koriste se za ostvarivanje širokopojasne sinhronizacije interakcije snopa, čime se dodatno poboljšava radni propusni opseg.
Prema zahtjevima za napajanje, cijela cijev je dizajnirana s pogonskim naponom od 20 kV i strujom dvostrukog snopa od 2 × 80 mA. Da bi se napon što više uskladio s radnim propusnim opsegom SDV-SWS-a, potrebno je izračunati dužinu perioda p. Odnos između napona snopa i perioda prikazan je u jednačini (1)10:
Postavljanjem faznog pomaka na 2,5π na centralnoj frekvenciji od 220 GHz, period p se može izračunati na 0,46 mm. Slika 2a prikazuje svojstva disperzije SWS jedinične ćelije. Linija snopa od 20 kV se vrlo dobro poklapa sa bimodalnom krivuljom. Frekvencijski opsezi koji se podudaraju mogu doseći oko 70 GHz u opsezima od 210–265,3 GHz (neparni mod) i 265,4–280 GHz (parni mod). Slika 2b prikazuje prosječnu impedansu sprege, koja je veća od 0,6 Ω od 210 do 290 GHz, što ukazuje na to da se u radnom propusnom opsegu mogu pojaviti jake interakcije.
(a) Disperzijske karakteristike dualnog SDV-SWS-a sa linijom elektronskog snopa od 20 kV. (b) Interakcijska impedancija SDV kola sporog talasa.
Međutim, važno je napomenuti da postoji jaz između neparnih i parnih modova, i taj jaz obično nazivamo zaustavnim pojasom, kao što je prikazano na slici 2a. Ako se TWT koristi u blizini ovog frekventnog pojasa, može doći do jake sprege snopa, što će dovesti do neželjenih oscilacija. U praktičnim primjenama, uglavnom izbjegavamo korištenje TWT-a u blizini zaustavnog pojasa. Međutim, može se vidjeti da je jaz ove strukture sporih valova samo 0,1 GHz. Teško je utvrditi da li ovaj mali jaz uzrokuje oscilacije. Stoga će se u sljedećem odjeljku PIC simulacije istražiti stabilnost rada oko zaustavnog pojasa kako bi se analiziralo da li se mogu pojaviti neželjene oscilacije.
Model cijelog HFS-a prikazan je na slici 3. Sastoji se od dva stepena SDV-SWS-a, povezanih Bragg-ovim reflektorima. Funkcija reflektora je da prekine prenos signala između dva stepena, suzbije oscilacije i refleksiju neradnih modova, kao što su modovi višeg reda generisani između gornjih i donjih lopatica, čime se značajno poboljšava stabilnost cijele cijevi. Za povezivanje sa vanjskim okruženjem, linearni konusni spojnik se također koristi za povezivanje SWS-a sa standardnim talasovodom WR-4. Koeficijent prenosa dvoslojne strukture mjeri se pomoću rješavača vremenskog domena u 3D simulacijskom softveru. Uzimajući u obzir stvarni uticaj terahercnog opsega na materijal, materijal vakuumske ovojnice je inicijalno postavljen na bakar, a provodljivost je smanjena na 2,25×107 S/m12.
Slika 4 prikazuje rezultate prenosa za HFS sa i bez linearnih konusnih sprežnika. Rezultati pokazuju da sprežnik ima mali uticaj na performanse prenosa cijelog HFS-a. Gubitak povratka (S11 < −10 dB) i gubitak umetnutog signala (S21 > −5 dB) cijelog sistema u širokopojasnom opsegu od 207~280 GHz pokazuju da HFS ima dobre karakteristike prenosa.
Kao izvor napajanja vakuumskih elektronskih uređaja, elektronski top direktno određuje da li uređaj može generirati dovoljno izlazne snage. U kombinaciji s analizom HFS-a u Odjeljku II, potrebno je dizajnirati EOS s dvostrukim snopom kako bi se osigurala dovoljna snaga. U ovom dijelu, na temelju prethodnog rada u W-opsegu 8, 9, dizajniran je dvostruki elektronski top s olovkom korištenjem planarnog dijela maske i kontrolnih elektroda. Prvo, prema zahtjevima dizajna SWS-a u Odjeljku. Kao što je prikazano na Sl. 2, pogonski napon Ua elektronskih snopova je inicijalno postavljen na 20 kV, struje I oba elektronska snopa su 80 mA, a prečnik snopa dw elektronskih snopova je 0,13 mm. Istovremeno, kako bi se osiguralo postizanje gustine struje elektronskog snopa i katode, stepen kompresije elektronskog snopa je postavljen na 7, tako da je gustina struje elektronskog snopa 603 A/cm2, a gustina struje katode 86 A/cm2, što se može postići korištenjem novih materijala katode. Prema teoriji dizajna 14, 15, 16, 17, tipičan Pierceov elektronski top može se jedinstveno identifikovati.
Slika 5 prikazuje horizontalni i vertikalni shematski dijagram topa, respektivno. Može se vidjeti da je profil elektronskog topa u x-smjeru gotovo identičan profilu tipičnog elektronskog topa u obliku lista, dok su u y-smjeru dva elektronska snopa djelimično odvojena maskom. Položaji dvije katode su na x = –0,155 mm, y = 0 mm i x = 0,155 mm, y = 0 mm, respektivno. Prema zahtjevima dizajna omjera kompresije i veličine ubrizgavanja elektrona, dimenzije dvije površine katode određene su na 0,91 mm × 0,13 mm.
Da bi fokusirano električno polje koje prima svaki elektronski snop u x-pravcu bilo simetrično oko svog centra, u ovom radu se na elektronski top primjenjuje kontrolna elektroda. Postavljanjem napona fokusirajuće elektrode i kontrolne elektrode na -20 kV, a napona anode na 0 V, možemo dobiti raspodjelu putanje dvostrukog topa snopa, kao što je prikazano na slici 6. Može se vidjeti da emitovani elektroni imaju dobru kompresibilnost u y-pravcu, a svaki elektronski snop konvergira prema x-pravcu duž svog centra simetrije, što ukazuje na to da kontrolna elektroda uravnotežuje nejednako električno polje koje generiše fokusirajuća elektroda.
Slika 7 prikazuje omotač snopa u x i y smjerovima. Rezultati pokazuju da se udaljenost projekcije elektronskog snopa u x-smjeru razlikuje od one u y-smjeru. Udaljenost bacanja u x smjeru je oko 4 mm, a udaljenost bacanja u y smjeru je blizu 7 mm. Stoga, stvarna udaljenost bacanja treba biti odabrana između 4 i 7 mm. Slika 8 prikazuje poprečni presjek elektronskog snopa na 4,6 mm od površine katode. Možemo vidjeti da je oblik poprečnog presjeka najbliži standardnom kružnom elektronskom snopu. Udaljenost između dva elektronska snopa je blizu projektiranih 0,31 mm, a poluprečnik je oko 0,13 mm, što zadovoljava projektne zahtjeve. Slika 9 prikazuje rezultate simulacije struje snopa. Može se vidjeti da su dvije struje snopa 76 mA, što je u dobrom skladu s projektiranih 80 mA.
Uzimajući u obzir fluktuaciju napona pobude u praktičnim primjenama, potrebno je proučiti osjetljivost napona ovog modela. U rasponu napona od 19,8 ~ 20,6 kV, dobijene su omotači struje i struje snopa, kao što je prikazano na slici 1 i slici 1.10 i 11. Iz rezultata se može vidjeti da promjena napona pobude nema utjecaja na omotač elektronskog snopa, a struja elektronskog snopa se mijenja samo od 0,74 do 0,78 A. Stoga se može smatrati da elektronski top dizajniran u ovom radu ima dobru osjetljivost na napon.
Utjecaj fluktuacija napona pobude na omotače snopa u x i y smjeru.
Ujednačeno magnetsko polje za fokusiranje je uobičajeni sistem fokusiranja permanentnim magnetom. Zbog ujednačene raspodjele magnetskog polja kroz kanal snopa, vrlo je pogodno za osnosimetrične elektronske snopove. U ovom odjeljku predlaže se ujednačen sistem magnetskog fokusiranja za održavanje prijenosa dvostrukih olovnih snopova na velike udaljenosti. Analizom generiranog magnetskog polja i omotača snopa, predlaže se shema dizajna sistema za fokusiranje i proučava se problem osjetljivosti. Prema teoriji stabilnog prijenosa jednog olovnog snopa18,19, vrijednost Brillouinovog magnetskog polja može se izračunati pomoću jednačine (2). U ovom radu također koristimo ovu ekvivalenciju za procjenu magnetskog polja lateralno distribuiranog dvostrukog olovnog snopa. U kombinaciji s elektronskim topom dizajniranim u ovom radu, izračunata vrijednost magnetskog polja je oko 4000 Gs. Prema Ref. 20, u praktičnim dizajnima se obično bira 1,5-2 puta izračunata vrijednost.
Slika 12 prikazuje strukturu sistema fokusiranja magnetskog polja uniformnog oblika. Plavi dio predstavlja permanentni magnet magnetiziran u aksijalnom smjeru. Izbor materijala je NdFeB ili FeCoNi. Remanencija Br postavljena u simulacijskom modelu je 1,3 T, a permeabilnost je 1,05. Kako bi se osigurao stabilan prijenos snopa u cijelom kolu, dužina magneta je inicijalno postavljena na 70 mm. Osim toga, veličina magneta u x smjeru određuje da li je poprečno magnetsko polje u kanalu snopa uniformno, što zahtijeva da veličina u x smjeru ne smije biti premala. Istovremeno, uzimajući u obzir cijenu i težinu cijele cijevi, veličina magneta ne smije biti prevelika. Stoga su magneti inicijalno postavljeni na 150 mm × 150 mm × 70 mm. U međuvremenu, kako bi se osiguralo da se cijelo kolo sporog vala može smjestiti u sistem fokusiranja, udaljenost između magneta je postavljena na 20 mm.
Godine 2015, Purna Chandra Panda21 predložio je polni dio s novim stepenastim otvorom u uniformnom magnetskom sistemu fokusiranja, što može dodatno smanjiti veličinu curenja fluksa na katodu i transverzalno magnetsko polje generirano na otvoru polovnog dijela. U ovom radu dodajemo stepenastu strukturu polnom dijelu sistema za fokusiranje. Debljina polovnog dijela je inicijalno postavljena na 1,5 mm, visina i širina tri stepenika su 0,5 mm, a udaljenost između otvora polovnog dijela je 2 mm, kao što je prikazano na slici 13.
Slika 14a prikazuje aksijalnu raspodjelu magnetskog polja duž središnjih linija dva elektronska snopa. Može se vidjeti da su sile magnetskog polja duž dva elektronska snopa jednake. Vrijednost magnetskog polja je oko 6000 Gs, što je 1,5 puta više od teorijskog Brillouinovog polja, što povećava performanse prenosa i fokusiranja. Istovremeno, magnetsko polje na katodi je gotovo 0, što ukazuje da polni dio ima dobar učinak na sprječavanje curenja magnetskog fluksa. Slika 14b prikazuje raspodjelu transverzalnog magnetskog polja By u z-smjeru na gornjoj ivici dva elektronska snopa. Može se vidjeti da je transverzalno magnetsko polje manje od 200 Gs samo na otvoru polnog dijela, dok je u kolu sporog vala transverzalno magnetsko polje gotovo nula, što dokazuje da je utjecaj transverzalnog magnetskog polja na elektronski snop zanemariv. Da bi se spriječilo magnetsko zasićenje polova, potrebno je proučavati jačinu magnetskog polja unutar polova. Slika 14c prikazuje apsolutnu vrijednost raspodjele magnetskog polja unutar polnog dijela. Može se vidjeti da je apsolutna vrijednost jačine magnetskog polja manje od 1,2 T, što ukazuje da neće doći do magnetskog zasićenja polnog dijela.
Raspodjela jačine magnetskog polja za Br = 1,3 T.(a) Aksijalna raspodjela polja.(b) Lateralna raspodjela polja By u z-smjeru.(c) Apsolutna vrijednost raspodele polja unutar polnog dijela.
Na osnovu CST PS modula, optimizovan je aksijalni relativni položaj dvostrukog snopa i sistema za fokusiranje. Prema Ref. 9 i simulacijama, optimalna lokacija je tamo gdje se anodni dio preklapa sa polnim dijelom dalje od magneta. Međutim, utvrđeno je da ako je remanencija postavljena na 1,3 T, transmitancija elektronskog snopa ne može dostići 99%. Povećanjem remanencije na 1,4 T, fokusirajuće magnetno polje će se povećati na 6500 Gs. Putanje snopa na xoz i yoz ravnima prikazane su na Slici 15. Može se vidjeti da snop ima dobar prenos, male fluktuacije i udaljenost prenosa veću od 45 mm.
Trajektorije dvostrukih olovnih snopova pod homogenim magnetnim sistemom sa Br = 1,4 T. (a) xoz ravan. (b) yoz letjelica.
Slika 16 prikazuje poprečni presjek snopa na različitim pozicijama dalje od katode. Može se vidjeti da je oblik dijela snopa u sistemu za fokusiranje dobro održavan, a prečnik dijela se ne mijenja mnogo. Slika 17 prikazuje omotače snopa u x i y smjerovima, respektivno. Može se vidjeti da je fluktuacija snopa u oba smjera vrlo mala. Slika 18 prikazuje rezultate simulacije struje snopa. Rezultati pokazuju da je struja oko 2 × 80 mA, što je u skladu s izračunatom vrijednošću u dizajnu elektronskog topa.
Presjek elektronskog snopa (sa sistemom za fokusiranje) na različitim pozicijama udaljenim od katode.
Uzimajući u obzir niz problema kao što su greške pri montaži, fluktuacije napona i promjene jačine magnetskog polja u praktičnim primjenama obrade, potrebno je analizirati osjetljivost sistema za fokusiranje. Budući da u stvarnoj obradi postoji razmak između anodnog dijela i pola, ovaj razmak treba postaviti u simulaciji. Vrijednost razmaka postavljena je na 0,2 mm, a slika 19a prikazuje omotač snopa i struju snopa u y smjeru. Ovaj rezultat pokazuje da promjena omotača snopa nije značajna i da se struja snopa gotovo ne mijenja. Stoga je sistem neosjetljiv na greške pri montaži. Za fluktuacije pogonskog napona, raspon greške postavljen je na ±0,5 kV. Slika 19b prikazuje rezultate poređenja. Može se vidjeti da promjena napona ima mali utjecaj na omotač snopa. Raspon greške postavljen je od -0,02 do +0,03 T za promjene jačine magnetskog polja. Rezultati poređenja prikazani su na slici 20. Može se vidjeti da se omotač snopa gotovo ne mijenja, što znači da je cijeli EOS neosjetljiv na promjene jačine magnetskog polja.
Rezultati omotača snopa i struje pod uniformnim sistemom magnetnog fokusiranja. (a) Tolerancija montaže je 0,2 mm. (b) Fluktuacija pogonskog napona je ±0,5 kV.
Omotač snopa pod uniformnim sistemom magnetnog fokusiranja sa fluktuacijama aksijalnog magnetnog polja u rasponu od 0,63 do 0,68 T.
Da bi se osiguralo da sistem fokusiranja dizajniran u ovom radu može odgovarati HFS-u, potrebno je kombinovati sistem fokusiranja i HFS za istraživanje. Slika 21 prikazuje poređenje omotača snopa sa i bez opterećenog HFS-a. Rezultati pokazuju da se omotač snopa ne mijenja mnogo kada je cijeli HFS opterećen. Stoga je sistem fokusiranja pogodan za HFS sa putujućim talasom gore navedenog dizajna.
Kako bi se provjerila ispravnost EOS-a predloženog u Odjeljku III i istražile performanse 220 GHz SDV-TWT-a, izvršena je 3D-PIC simulacija interakcije snopa i vala. Zbog ograničenja softvera za simulaciju, nismo bili u mogućnosti dodati cijeli EOS u HFS. Stoga je elektronski top zamijenjen ekvivalentnom emitiranom površinom promjera 0,13 mm i udaljenosti između dvije površine od 0,31 mm, istim parametrima kao i elektronski top dizajniran gore. Zbog neosjetljivosti i dobre stabilnosti EOS-a, pogonski napon se može pravilno optimizirati kako bi se postigla najbolja izlazna snaga u PIC simulaciji. Rezultati simulacije pokazuju da se zasićena izlazna snaga i pojačanje mogu dobiti pri pogonskom naponu od 20,6 kV, struji snopa od 2 × 80 mA (603 A/cm2) i ulaznoj snazi ​​od 0,05 W.
Da bi se dobio najbolji izlazni signal, potrebno je optimizirati i broj ciklusa. Najbolja izlazna snaga se dobija kada je broj dva stepena 42 + 48 ciklusa, kao što je prikazano na slici 22a. Ulazni signal od 0,05 W pojačava se na 314 W sa pojačanjem od 38 dB. Spektar izlazne snage dobijen brzom Fourierovom transformacijom (FFT) je čist, sa vrhuncem na 220 GHz. Slika 22b prikazuje aksijalnu raspodjelu energije elektrona u SWS-u, pri čemu većina elektrona gubi energiju. Ovaj rezultat ukazuje na to da SDV-SWS može pretvoriti kinetičku energiju elektrona u RF signale, čime se ostvaruje pojačanje signala.
Izlazni signal SDV-SWS na 220 GHz. (a) Izlazna snaga sa uključenim spektrom. (b) Raspodjela energije elektrona sa elektronskim snopom na kraju SWS umetka.
Slika 23 prikazuje propusni opseg izlazne snage i pojačanje dual-modnog dual-snopnog SDV-TWT. Izlazne performanse mogu se dodatno poboljšati podešavanjem frekvencija od 200 do 275 GHz i optimizacijom napona pogona. Ovaj rezultat pokazuje da propusni opseg od 3 dB može pokriti 205 do 275 GHz, što znači da dual-modni rad može značajno proširiti radni propusni opseg.
Međutim, prema slici 2a, znamo da postoji zaustavni pojas između neparnih i parnih modova, što može dovesti do neželjenih oscilacija. Stoga je potrebno proučiti stabilnost rada oko zaustavnih pojaseva. Slike 24a-c predstavljaju rezultate simulacije od 20 ns na 265,3 GHz, 265,35 GHz i 265,4 GHz, respektivno. Može se vidjeti da iako rezultati simulacije imaju neke fluktuacije, izlazna snaga je relativno stabilna. Spektar je također prikazan na slici 24, respektivno, spektar je čist. Ovi rezultati ukazuju na to da nema samooscilacija u blizini zaustavnog pojasa.
Izrada i mjerenje su neophodni za provjeru ispravnosti cijelog HFS-a. U ovom dijelu, HFS se izrađuje korištenjem tehnologije numeričkog upravljanja računarom (CNC) s promjerom alata od 0,1 mm i tačnošću obrade od 10 μm. Materijal za visokofrekventnu strukturu je visokoprovodljivi bakar bez kisika (OFHC). Slika 25a prikazuje izrađenu strukturu. Cijela struktura ima dužinu od 66,00 mm, širinu od 20,00 mm i visinu od 8,66 mm. Osam rupa za igle je raspoređeno po strukturi. Slika 25b prikazuje strukturu dobijenu skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM). Lopatice ove strukture su jednoliko proizvedene i imaju dobru hrapavost površine. Nakon preciznog mjerenja, ukupna greška obrade je manja od 5%, a hrapavost površine je oko 0,4 μm. Struktura obrade ispunjava zahtjeve dizajna i preciznosti.
Slika 26 prikazuje poređenje stvarnih rezultata ispitivanja i simulacija performansi prenosa. Port 1 i Port 2 na slici 26a odgovaraju ulaznim i izlaznim portovima HFS-a, respektivno, i ekvivalentni su Portu 1 i Portu 4 na slici 3. Stvarni rezultati mjerenja S11 su nešto bolji od rezultata simulacije. Istovremeno, izmjereni rezultati S21 su nešto lošiji. Razlog tome može biti što je provodljivost materijala postavljena u simulaciji previsoka, a hrapavost površine nakon stvarne obrade loša. Sveukupno, izmjereni rezultati su u dobrom skladu s rezultatima simulacije, a propusni opseg prenosa ispunjava zahtjev od 70 GHz, što potvrđuje izvodljivost i ispravnost predloženog dvomodnog SDV-TWT. Stoga, u kombinaciji sa stvarnim procesom izrade i rezultatima ispitivanja, ultraširokopojasni dizajn dvosnopnog SDV-TWT predložen u ovom radu može se koristiti za naknadnu izradu i primjene.
U ovom radu je predstavljen detaljan dizajn planarnog distribucijskog 220 GHz dvosnopnog SDV-TWT-a. Kombinacija rada u dvostrukom modu i dvostruke pobude snopom dodatno povećava radni propusni opseg i izlaznu snagu. Izrada i hladno ispitivanje su također provedeni kako bi se provjerila ispravnost cijelog HFS-a. Stvarni rezultati mjerenja su u dobrom skladu s rezultatima simulacije. Za dizajnirani dvosnopni EOS, maska ​​i kontrolne elektrode su korištene zajedno za proizvodnju dvoslojnog snopa. Pod dizajniranim uniformnim fokusirajućim magnetnim poljem, elektronski snop se može stabilno prenositi na velike udaljenosti s dobrim oblikom. U budućnosti će se provoditi proizvodnja i testiranje EOS-a, a također će se provoditi i termički test cijelog TWT-a. Ova shema dizajna SDV-TWT-a predložena u ovom radu u potpunosti kombinira trenutnu zrelu tehnologiju obrade ravni i pokazuje veliki potencijal u pokazateljima performansi te obradi i montaži. Stoga se u ovom radu vjeruje da će planarna struktura najvjerovatnije postati trend razvoja vakuumskih elektroničkih uređaja u terahercnom opsegu.
Većina sirovih podataka i analitičkih modela iz ove studije uključena je u ovaj rad. Dodatne relevantne informacije mogu se dobiti od odgovarajućeg autora na razuman zahtjev.
Gamzina, D. i dr. Nanoskalna CNC obrada subterahercne vakuumske elektronike. IEEE Trans.elektronski uređaji. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. i Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikacija subterahercnih talasovoda korištenjem višeslojnog SU-8 fotorezista. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS i dr., Plan razvoja THz tehnologije 2017. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR i Luhmann, NC Snažno ograničavanje širenja plazmonskih valova putem ultraširokopojasnih stepenasto raspoređenih dvostruko rešetkastih valovoda.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. i dr. Performanse Nano CNC obrađenog cijevnog pojačala s putujućim valom od 220 GHz. IEEE Trans. Elektronski uređaji. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Istraživanje diokotronske nestabilnosti beskonačno širokih elektronskih snopova korištenjem teorije makroskopskog modela hladnog fluida. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV o mogućnosti povećanja propusnog opsega planarnim rasporedom snopa u višesnopnom klistronu. U 12. IEEE međunarodnoj konferenciji o vakuumskoj elektronici, Bangalore, Indija, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ i dr. Dizajn elektronskih topova s ​​tri snopa i uskom distribucijom ravni razdvajanja snopa u W-pojasnoj cijevi s dvostrukim lopaticama i stepenastim rasporedom [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB i Ruan, CJ Planarni distribuirani elektronski optički sistem sa tri snopa i uskim razmakom snopa za TWT u W-pojasu osnovnog moda. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Istraživanje isprepletene cijevi s dvostrukim lopaticama za putujući val s milimetarskim pločastim gredama 20-22 (doktorat, Univerzitet Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studija o stabilnosti interakcije snopa i vala dvostruke cijevi s putujućim valom s isprepletenim G-pojasom. 2018. 43. Međunarodna konferencija o infracrvenim milimetarskim i terahercnim valovima, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).