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In questu documentu, hè cuncepitu è ​​verificatu un tubu d'onda di viaghju à doppia lama intercalata à banda larga di 220GHz d'alta putenza. Prima, hè pruposta una struttura d'onda lenta a doppia lama a doppia lama planare. Utilizendu un schema di operazione in modalità duale, a prestazione di trasmissione è a larghezza di banda sò guasi u doppiu di quella di un modu unicu. U sistema otticu elettronicu in forma hè cuncepitu, a tensione di guida hè 20 ~ 21 kV, è a corrente hè 2 × 80 mA. Ubiettivi di design. Utilizendu a parte di maschera è l'elettrodu di cuntrollu in a pistola doppia fasciu, i dui fasci di lapis ponu esse focalizzati longu i so centri rispettivi cù un rapportu di compressione di 7, a distanza di focu hè di circa 0,18 mm. ar doppiu fasciu di elettroni pò ghjunghje à 45 mm, è u campu magneticu focalizatu hè 0,6 T, chì hè abbastanza per copre tuttu u sistema d'alta frequenza (HFS). Allora, per verificà l'usabilità di u sistema elettroni-otticu è u rendiment di a struttura d'onda lenta, simulazioni di cellula di particelle (PIC) sò stati ancu realizati nantu à tutta l'HFS. A tensione di u fasciu hè di 20,6 kV, a corrente di u fasciu hè 2 × 80 mA, u guadagnu hè 38 dB, è a larghezza di banda 3-dB supera 35 dB circa 70 GHz. Infine, a fabricazione di microstrutture d'alta precisione hè realizata per verificà u rendiment di l'HFS, è i risultati mostranu chì a larghezza di banda è a trasmissione di a carta hè prevista per sviluppà un bonu schema di carta. -putenza, fonti di radiazione di banda terahertz ultra-banda larga cun potenziale per applicazioni future.
Cum'è un dispositivu elettronicu di vacuum tradiziunale, u tubu d'onda di viaghju (TWT) ghjoca un rolu insustituibile in parechje applicazioni cum'è radar d'alta risoluzione, sistemi di cumunicazione satellitare è esplorazione spaziale1,2,3. , quantu à migliurà cumplettamente u rendiment di a banda THz hè diventatu una questione assai preoccupata per parechje istituzioni di ricerca scientifica. In l'ultimi anni, novi strutture d'onda lenta (SWS), cum'è strutture a doppia lama (SDV) è strutture di guida d'onda piegate (FW), anu ricivutu una grande attenzione per via di e so strutture planari naturali, soprattuttu a nova struttura SDV-SWST. A struttura di ar pò esse facilmente fabbricata da tecniche di trasfurmazioni micro-nano cum'è u cuntrollu numericu di computer (CNC) è UV-LIGA, a struttura di pacchettu in metallo pò furnisce una capacità termica più grande cù una putenza di output è un guadagnu più altu, è a struttura di guida d'onda pò ancu furnisce una larghezza di banda di travagliu più larga. s in a banda G 5. Tuttavia, questi risultati anu sempre lacune chì ùn ponu micca risponde à i requisiti cunnessi di alta putenza è larghezza di banda larga in a banda di terahertz. tunnel di fasciu over-mode, chì pò ancu pruvucà u fasciu à auto-regulazione.- Eccitazione è oscillazione 6,7. Per risponde à i requisiti di alta putenza di output, larghezza di banda larga è bona stabilità di THz TWT, un SDV-SWS dual-beam cù operazione dual-mode hè prupostu in questu documentu, vale à dì, per aumentà a larghezza di banda operativa, l'operazione dual-mode hè pruposta è introdotta in questa struttura. I radiu di fasciu di lapis sò relativamente chjuchi per via di limitazioni di dimensioni verticali. Se a densità di corrente hè troppu alta, a corrente di u fasciu deve esse ridutta, risultatu in una putenza di output relativamente bassa. , chì pò evità u tunneling di fasciu overmode cumparatu cù i dispositi di fasciu di foglia. Per quessa, hè benefica per mantene a stabilità di u tubu di l'onda di viaghju. In basa di u travagliu precedente8,9, stu documentu prupone un campu magneticu uniforme di G-banda focalizendu u doppiu fasciu di pencil EOS, chì pò migliurà assai a distanza di trasmissione stabile di u fasciu è ancu aumentà l'area d'interazzione, per esse a grande potenza d'interazione.
A struttura di stu documentu hè a seguente. Prima, u disignu di a cellula SWS cù i parametri, l'analisi di e caratteristiche di dispersione è i risultati di simulazione d'alta frequenza sò descritti. Allora, secondu a struttura di a cellula unitaria, un sistema di interazzione di u fasciu di u matita doppia EOS è un sistema d'interazione di fasciu sò cuncepiti in questu documentu. u currettu di tuttu HFS.Finally fà un riassuntu.
Cum'è unu di i cumpunenti più impurtanti di u TWT, e proprietà dispersive di a struttura di l'onda lenta indicanu se a velocità di l'elettroni currisponde à a velocità di fase di u SWS, è cusì hà una grande influenza nantu à l'interazzione fasciu-onda. fasciu di penna per migliurà ancu a putenza di output è a stabilità di u funziunamentu.Intantu, per aumentà a larghezza di banda di travagliu, hè statu prupostu un modu duale per l'operazione SWS. A causa di a simmetria di a struttura SDV, a suluzione di l'equazione di dispersione di u campu elettromagneticu pò esse divisa in modi dispari è pari.
Sicondu i bisogni di l'energia, u tubu tutale hè cuncepitu cù una tensione di guida di 20 kV è una corrente di doppia fascia di 2 × 80 mA. Per accuncià a tensione u più vicinu pussibule à a larghezza di banda operativa di u SDV-SWS, avemu bisognu di calculà a durata di u periodu p. A relazione trà a tensione di fasciu è u periodu hè mostrata in l'equazione (1)10:
Fixendu u shift à 2.5π à a freccia centrale di 220 GHz, u periodu p pò esse calculatu per esse 0.46 mm. A figura 2a mostra e proprietà di dispersione di a cellula unitaria SWS. A linea di fasciu di 20 kV currisponde assai bè à a curva bimodale. E bande di frequenze corrispondenti ponu ghjunghje à circa 70 GHz in u modu 21,4–26 GHz (210 GHz) è 26–26 GHz 210–260 GHz. even mode) ranges.Figure 2b mostra l'impedenza di accoppiamentu mediu, chì hè più grande di 0,6 Ω da 210 à 290 GHz, chì indica chì l'interazzione forte pò esse in a larghezza di banda operativa.
(a) Caratteristiche di dispersione di un SDV-SWS dual-mode cù una linea di fasciu elettronicu 20 kV. (b) Impedenza di interazione di u circuitu SDV à onda lenta.
Tuttavia, hè impurtante di nutà chì ci hè un intervallu di banda trà i modi dispari è pari, è di solitu riferitemu à questa banda gap cum'è a banda di stop, cum'è mostra in a Figura 2a. Se u TWT hè operatu vicinu à questa banda di frequenza, pò accade una forte forza di accoppiamentu di u fasciu, chì porta à oscillazioni indesiderate. 0.1 GHz.Hè difficiuli di determinà s'ellu sta piccula gap band cause oscillations.Therefore, l'stabilità di u funziunamentu intornu à a banda di stop serà investigata in a seguente sezione di simulazione PIC per analizà se l'oscillazioni indesiderate ponu accade.
U mudellu di u HFS tutale hè mostratu in Figura 3. Hè custituitu di dui tappe di SDV-SWS, cunnessi da riflettori Bragg. A funzione di u riflettore hè di cutà a trasmissione di u signale trà e duie tappe, supprime l'oscillazione è a riflessione di i modi non funzionanti, cum'è i modi d'altu ordine generati trà e pale supiriori è inferiori, per quessa, per migliurà assai a stabilità di l'ambiente esternu di l'ambiente esterno. per cunnette u SWS à una guida d'onda standard WR-4. U coefficient di trasmissione di a struttura di dui livelli hè misurata da un solutore di u duminiu di u tempu in u software di simulazione 3D. In cunsiderà l'effettu propiu di a banda di terahertz nantu à u materiale, u materiale di l'envelope di vacuum hè inizialmente stabilitu in rame, è a conduttività hè ridutta à 2.25 × 1207 S / m.
A Figura 4 mostra i risultati di trasmissione per HFS cù e senza accoppiatori lineari cunici. I risultati mostranu chì l'accoppiatore hà pocu effettu nantu à a prestazione di trasmissione di tuttu HFS. A perdita di ritornu (S11 < − 10 dB) è a perdita di inserzione (S21 > − 5 dB) di tuttu u sistema in u 207 ~ 280 GHz hà una bona caratteristica di trasmissione HFS.
Cum'è l'alimentazione di i dispositi elettronici di vacuum, u cannone elettronicu determina direttamente se u dispusitivu pò generà abbastanza putenza di output. Cumbinatu cù l'analisi di HFS in a Sezione II, un EOS dual-beam deve esse cuncepitu per furnisce una putenza sufficiente.2, a tensione di guida Ua di i fasci di elettroni hè inizialmente stabilitu à 20 kV, i currenti I di i dui fasci di elettroni sò tramindui 80 mA, è u diametru di u fasciu dw di i fasci di elettroni hè di 0,13 mm. densità currenti di u fasciu ilittroni hè 603 A / cm2, è a densità currenti di u cathode hè 86 A / cm2, chì pò esse rializatu da Stu hè rializatu cù novi materiali catodi.Secunnu a tiurìa di disignu 14, 15, 16, 17, un tipicu cannoni elettroni Pierce pò esse identificatu unicu.
A figura 5 mostra i diagrammi schematici horizontali è verticali di a pistola, rispettivamente. Si pò vede chì u prufilu di u cannone elettronicu in a direzzione x hè quasi identica à quellu di un cannone elettronicu tipicu, mentre chì in a direzzione y i dui fasci di elettroni sò parzialmente separati da a maschera. 0 mm, rispittivamenti.Segundu à i bisogni di disignu di rapportu di compressione è taglia di iniezione di l'elettroni, e dimensioni di e duie superfici cathode sò determinate à esse 0,91 mm × 0,13 mm.
Per fà u campu elettricu focalizatu ricevutu da ogni fasciu di elettroni in a direzzione x simmetricu annantu à u so propiu centru, stu documentu applicà un elettrodu di cuntrollu à u cannone elettronicu. Fixendu a tensione di l'elettrodu di focalizazione è l'elettrodu di cuntrollu à -20 kV, è a tensione di l'anodu à 0 V, pudemu ottene a distribuzione di a trajectoria di l'elettrodu cum'è mostra in figura. anu una bona compressibilità in a direzzione y, è ogni fasciu d'elettroni cunverge versu a direzzione x longu u so propiu centru di simmetria, chì indica chì l'elettrodu di cuntrollu equilibra u campu elettricu ineguale generatu da l'elettrodu focusing.
A figura 7 mostra l'involucramentu di u fasciu in a direzzione x è y. I risultati mostranu chì a distanza di proiezione di u fasciu di elettroni in a direzzione x hè diversa da quella in a direzzione y. A distanza di lanciu in a direzzione x hè di circa 4 mm, è a distanza di lanciu in a direzzione y hè vicinu à 7 mm. à 4,6 mm da a superficia di cathode.Pudemu vede chì a forma di a seccione trasversale hè più vicinu à un fasciu di elettroni standard circular. A distanza trà i dui fasci di elettroni hè vicinu à u 0,31 mm disignatu, è u raghju hè di circa 0,13 mm, chì risponde à i requisiti di u disignu. 0 mA.
In cunsiderà a fluttuazione di a tensione di guida in l'applicazioni pratiche, hè necessariu di studià a sensibilità di tensione di stu mudellu. In a gamma di tensione di 19,8 ~ 20,6 kV, l'involucri di corrente è di u fasciu sò ottenuti, cum'è mostra in Figura 1 è Figura 1.10 è 11. Da i risultati, si pò vede chì u cambiamentu di tensione di guida, è ùn hè micca solu l'effettu di a tensione di guidà da l'elettronica, è ùn hè micca solu l'effettu di l'elettropa da a corrente. 74 à 0,78 A.Per quessa, pò esse cunsideratu chì u cannone elettronicu cuncepitu in questa carta hà una bona sensibilità à a tensione.
L'effettu di i fluttuazioni di tensione di guida nantu à l'involucri di u fasciu di direzzione x è y.
Un campu di focu magneticu uniforme hè un sistema di focalizazione di magnete permanente cumuni. A causa di a distribuzione uniforme di u campu magneticu in u canali di u fasciu, hè assai adattatu per i fasci di elettroni assisimmetrici. à a tiurìa di trasmissione stabile di una sola fasciu di lapis18,19, u valore di u campu magneticu Brillouin pò esse calculatu da equazioni (2).In questu documentu, avemu ancu aduprà sta equivalenza per stime u campu magneticu di un fasciu di lapis doppiu distribuitu lateralmente. Cumminatu cù u cannone elettronicu cuncepitu in questa carta, u valore di u campu magneticu calculatu hè di circa Gs.40000.20, 1,5-2 volte u valore calculatu hè generalmente sceltu in disinni pratichi.
A figura 12 mostra a struttura di un sistema di campu di focalizazione di u campu magneticu uniforme. A parte blu hè u magnetu permanente magnetizatu in a direzzione assiale. A selezzione di materiale hè NdFeB o FeCoNi. A remanenza Br stabilita in u mudellu di simulazione hè 1,3 T è a permeabilità hè 1,05. In ordine per assicurà a trasmissione stabile di u fasciu in u circuitu di u magnetu iniziale. A direzzione x determina se u campu magneticu trasversale in u canali di fasciu hè uniforme, chì esige chì a dimensione in a direzzione x ùn pò esse troppu chjuca. À u listessu tempu, cunziddi u costu è u pesu di u tubu sanu, a dimensione di u magnetu ùn deve esse troppu grande. Per quessa, i magneti sò inizialmente stabiliti à 150 mm × 150 mm × 70 mm. s hè stabilitu à 20 mm.
In u 2015, Purna Chandra Panda21 hà prupostu un pezzu di polu cù un novu pirtusu in un sistema di focalizazione magnetica uniforme, chì pò ancu riduce a magnitudine di a fuga di flussu à u catodu è u campu magneticu trasversale generatu in u foru di u polu. trè passi sò 0,5 mm, è a distanza trà i buchi di u polu hè di 2 mm, cum'è mostra in Figura 13.
A figura 14a mostra a distribuzione di u campu magneticu assiale longu u centru di i dui fasci di elettroni. Si pò vede chì e forze di u campu magneticu longu à i dui fasci di elettroni sò uguali. U valore di u campu magneticu hè di circa 6000 Gs, chì hè 1,5 volte u campu di Brillouin teoricu per aumentà a trasmissione è a prestazione di focalizazione. On preventing magnetic flow leakage.Figure 14b mostra a distribuzione di u campu magneticu trasversale By in a direzzione z à u latu supiriuri di i dui fasci di elettroni. Si pò vede chì u campu magneticu trasversale hè menu di 200 Gs solu à u foru di u pezzu di u polu, mentri in u circuitu d'onda lenta, u campu magneticu trasversale hè quasi influenzatu chì u campu magneticu trasversale hè guasi cero. saturazione magnetica di i pezzi di u polu, hè necessariu di studià a forza di u campu magneticu à l'internu di i pezzi di u polu. A figura 14c mostra u valore assolutu di a distribuzione di u campu magneticu à l'internu di u pezzu di u polu.
Distribuzione di forza di u campu magneticu per Br = 1,3 T. (a) Distribuzione di u campu assiale. (b) Distribuzione di u campu laterale By in a direzzione z. (c) Valore assolutu di a distribuzione di u campu in u pezzu polu.
Basatu nantu à u modulu CST PS, a pusizioni relative assiale di a pistola dual beam è u sistema di focusing hè ottimizatu.Secunnu Ref.9 è simulazioni, u locu ottimali hè induve u pezzu anodu si sovrappone à u pezzu polu luntanu da u magnet.However, hè statu trovu chì, se u remanence hè stata stabilita à 1.3T, a transmittance di u fasciu elettroni ùn pudia ghjunghje sin'à 99%. Aumentendu a remanence à 1.4 T, u campu magneticu focusing serà aumentatu à 6500000000000000000000000000000000000000000000 1.4 T. Si pò vede chì u fasciu hà una bona trasmissione, una piccula fluttuazione, è una distanza di trasmissione più grande di 45 mm.
Traiettorie di doppia travi di matita sottu un sistema magneticu homogeneu cù Br = 1,4 T.(a) xoz plane.(b) yoz aircraft.
A figura 16 mostra a sezione trasversale di u fasciu in diverse pusizioni luntanu da u cathode.Si pò vede chì a forma di a seccione di u fasciu in u sistema di focalizazione hè bè mantinuta, è u diametru di a seccione ùn cambia assai. A figura 17 mostra l'involucri di u fasciu in a direzzione x è y, rispettivament. I risultati mostranu chì u currente hè di circa 2 × 80 mA, chì hè coherente cù u valore calculatu in u disignu di pistole elettroni.
Sezione trasversale di fasciu elettroni (cù sistema di focalizazione) in diverse pusizioni luntanu da u catodu.
In cunsiderà una seria di prublemi cum'è l'errore di assemblea, i fluttuazioni di tensione, è i cambiamenti in a forza di u campu magneticu in l'applicazioni di trasfurmazioni pratiche, hè necessariu analizà a sensibilità di u sistema di focalizazione. Perchè ci hè una lacuna trà u pezzu anodu è u pezzu di u polu in u prucessu attuale, sta lacuna deve esse stabilita in a simulazione. Risultatu s mostra chì u cambiamentu in l'envelope di u fasciu ùn hè micca significativu è a corrente di u fasciu ùn cambia pocu. Per quessa, u sistema hè insensibile à l'errore di assemblea. Per a fluttuazione di a tensione di guida, u intervalu di errore hè stabilitu à ± 0,5 kV. A figura 19b mostra i risultati di paraguni. Pò esse vistu chì u cambiamentu di tensione hè pocu effettu da a tensione di l'errore da -2 à 0.0.0. cambiamenti in a forza di u campu magneticu. I risultati di paraguni sò mostrati in a Figura 20.Si pò vede chì l'envelope di u fasciu ùn cambia pocu, chì significa chì tuttu l'EOS hè insensibile à i cambiamenti in a forza di u campu magneticu.
L'envelope di u fasciu è i risultati attuali sottu un sistema di focalizazione magnetica uniforme. (a) A tolleranza di l'assemblea hè 0,2 mm. (b) A fluttuazione di tensione di guida hè ± 0,5 kV.
Involucro di fasciu sottu un sistema di focalizazione magnetica uniforme cù fluttuazioni di forza di u campu magneticu assiale chì varieghja da 0,63 à 0,68 T.
Per assicurà chì u sistema di focalizazione cuncepitu in questu documentu pò cuncordà cù HFS, hè necessariu cumminà u sistema di focalizazione è HFS per a ricerca. A figura 21 mostra un paragone di l'involucri di fasciu cù è senza HFS caricati. I risultati mostranu chì l'involucro di fasciu ùn cambia assai quandu l'HFS tutale hè caricatu.
Per verificà a correzione di i Eiu pruposti III III è indettate a performance di u 220 GHM SDV-Twt, una superficia di sobili è di saponezione cù un diamettatore di 0,13mm è una distanza trà e duie superficie di 0,31mm, u U stessu pageters cum'è a pistora di l'elettronica sopra a insensività è una bona stazione di l'eposte di u megliu di a piccula vendita di 0,05!
Per ottene u megliu signale di output, u numeru di ciculi deve ancu esse ottimizatu. U megliu putenza di output hè ottenuta quandu u numeru di dui fasi hè 42 + 48 cicli, cum'è mostra in a Figura 22a.A 0.05 W signale di input hè amplificatu à 314 W cun un guadagnu di 38 dB. U spettru di putenza di output ottenutu da Fast Fourier Transform 2 (FFT Fourier Transformation puri) a distribuzione di pusizioni axial di l'energia di l'elettroni in u SWS, cù a maiò parte di l'elettroni perdennu l'energia. Stu risultatu indica chì u SDV-SWS pò cunvertisce l'energia cinetica di l'elettroni in signali RF, realizà cusì l'amplificazione di u signale.
Segnale di output SDV-SWS à 220 GHz. (a) Potenza di output cù spettru inclusu. (b) Distribuzione di l'energia di l'elettroni cù u fasciu di elettroni à a fine di l'inseritu SWS.
A Figura 23 mostra a larghezza di banda di putenza di output è u guadagnu di un dual-mode dual-beam SDV-TWT. U rendimentu di output pò esse migliuratu ancu da frequenze spazzate da 200 à 275 GHz è ottimizendu a tensione di u drive. Stu risultatu mostra chì a larghezza di banda 3-dB pò copre da 205 à 275 GHz, chì significa chì u funziunamentu di banda larga di 205 à 275 GHz.
Tuttavia, secondu a Fig. 2a, sapemu chì ci hè una banda di stop trà i modi impari è pari, chì pò purtà à oscillations.Therefore, a stabilità di u travagliu intornu à i stops deve esse studiatu. I figuri 24a-c sò i risultati di simulazione 20 ns à 265.3 GHz, 265.35 GHz, è ancu esse 265.3 GHz. putenza hè relativamente stable.The spettru hè dinù mostratu in Figura 24 rispittivamenti, u spettru hè puri.Questi risultati indicanu chì ùn ci hè micca self-oscillation vicinu à u stopband.
A fabricazione è a misurazione sò necessarii per verificà a correttezza di tuttu u HFS. In questa parte, l'HFS hè fabricatu cù a tecnulugia di cuntrollu numericu di computer (CNC) cù un diametru di l'uttellu di 0,1 mm è una precisione di machining di 10 μm. U materiale per a struttura d'alta freccia hè furnita da una struttura d'alta conduttività (OFHC) senza ossigenu (OFHC). mm, una larghezza di 20,00 mm è una altezza di 8,66 mm.Ottu pin buchi sò distribuiti intornu à a structure.Figure 25b mostra a struttura da scanning microscopy ilittronica (SEM).The lame di sta struttura sò uniformi pruduciutu è hannu una bona rugosità superficia.Dopu a misura precisa, l 'errore di machining generale hè menu cà 05% struttura di machining, è u struttura superficia roughness hè menu di 05. esigenze di decisione.
A figura 26 mostra u paragone trà i risultati di a prova attuale è simulazioni di prestazioni di trasmissione. Port 1 è Port 2 in Figura 26a currispondenu à i porti di input è output di l'HFS, rispettivamente, è sò equivalenti à Port 1 è Port 4 in Figura 3. I risultati di misurazioni attuali di S11 sò ligeramente megliu cà i risultati di simulazione. A simulazione hè troppu alta è a rugosità di a superficia dopu a machinazione attuale hè povera. In generale, i risultati misurati sò in bonu accordu cù i risultati di simulazione, è a larghezza di banda di trasmissione risponde à u requisitu di 70 GHz, chì verifica a fattibilità è a correttezza di u SDV-TWT dual-mode prupostu. per a fabricazione è l'applicazioni successive.
In questu documentu, un disignu detallatu di una distribuzione planar SDV-TWT dual-beam 220 GHz hè presentatu. A cumminazione di u funziunamentu dual-mode è l'excitazione dual-beam aumenta ancu a larghezza di banda operativa è a putenza di output. A fabricazione è a prova di friddu sò ancu realizati per verificà a correttezza di l'HFS tutale.I risultati di a misurazione attuale sò in bonu accordu cù i risultati di simulazione. Per l'EOS à dui fasgi cuncepitu, una sezione di maschera è l'elettrodi di cuntrollu sò stati aduprati inseme per pruduce un fasciu di dui lapis. Sottu u campu magneticu di focalizazione uniforme cuncepitu, u fasciu di elettroni pò esse trasmessu stabilmente à longu distanze cù una bona forma. prupostu in stu documentu cumplettamente combina a tecnulugia di trasfurmazioni di u pianu maturu attuale, è mostra un grande putenziale in indicatori di rendiment è trasfurmazioni è assembly.Therefore, stu documentu crede chì a struttura planar hè più prubabile di diventà a tendenza di sviluppu di i dispusitivi ilittronica vacuum in a banda terahertz.
A maiò parte di e dati prima è di i mudelli analitici in stu studiu sò stati inclusi in questu paper. Ulteriori infurmazioni pertinenti ponu esse acquistati da l'autore currispundenti nantu à una dumanda raghjone.
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