Děkujeme za návštěvu webu Nature.com. Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu pro CSS. Pro dosažení nejlepšího zážitku doporučujeme používat aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v prohlížeči Internet Explorer). Mezitím budeme web zobrazovat bez stylů a JavaScriptu, abychom zajistili jeho nepřetržitou podporu.
V tomto článku je navržena a ověřena širokopásmová vysoce výkonná prokládaná dvoulistá elektronka s postupnou vlnou pro 220 GHz. Nejprve je navržena planární dvoupaprsková, stupňovitě uspořádaná dvoulistá pomalovlnná struktura. Použitím duálního provozního schématu je přenosový výkon a šířka pásma téměř dvojnásobná oproti jednomódovému. Za druhé, aby se splnily požadavky na vysoký výstupní výkon a zlepšila se stabilita elektronky s postupnou vlnou, byl navržen dvojitý tužkově tvarovaný elektronický optický systém s budicím napětím 20~21 kV a proudem 2 × 80 mA. Cíle návrhu. Použitím masky a řídicí elektrody v dvojitém paprskovém paprsku lze dva tužkové paprsky zaostřit podél jejich příslušných středů s kompresním poměrem 7, zaostřovací vzdáleností je přibližně 0,18 mm a stabilitou je dobrá. Optimalizován byl také rovnoměrný magnetický zaostřovací systém. Stabilní přenosová vzdálenost planárního dvojitého elektronového paprsku může dosáhnout 45 mm a zaostřovací magnetické pole je 0,6 T, což je dostatečné k pokrytí celého vysokofrekvenčního systému (HFS). Poté se ověřuje... Pro ověření použitelnosti elektronově-optického systému a výkonu pomalovlnné struktury byly na celém HFS provedeny také simulace částicových buněk (PIC). Výsledky ukazují, že systém interakce paprsku může dosáhnout špičkového výstupního výkonu téměř 310 W při 220 GHz, optimalizované napětí paprsku je 20,6 kV, proud paprsku je 2 × 80 mA, zisk je 38 dB a šířka pásma 3 dB přesahuje 35 dB při přibližně 70 GHz. Nakonec byla provedena vysoce přesná výroba mikrostruktur pro ověření výkonu HFS a výsledky ukazují, že charakteristiky šířky pásma a přenosu jsou v dobré shodě s výsledky simulace. Proto se očekává, že schéma navržené v tomto článku vyvine vysoce výkonné, ultraširokopásmové zdroje záření v terahertzovém pásmu s potenciálem pro budoucí aplikace.
Jako tradiční vakuové elektronické zařízení hraje trubice s postupnou vlnou (TWT) nezastupitelnou roli v mnoha aplikacích, jako jsou radar s vysokým rozlišením, satelitní komunikační systémy a průzkum vesmíru1,2,3. Nicméně, jak provozní frekvence vstupuje do terahertzového pásma, tradiční TWT s vázanou dutinou a spirálové TWT nebyly schopny uspokojit potřeby lidí kvůli relativně nízkému výstupnímu výkonu, úzké šířce pásma a složitým výrobním procesům. Proto se otázka, jak komplexně zlepšit výkon THz pásma, stala pro mnoho vědeckovýzkumných institucí velmi znepokojivou otázkou. V posledních letech se novým strukturám s pomalými vlnami (SWS), jako jsou struktury s odstupňovanými dvojitými lopatkami (SDV) a struktury skládaných vlnovodů (FW), dostalo značné pozornosti díky jejich přirozeným planárním strukturám, zejména novým SDV-SWS se slibným potenciálem. Tuto strukturu navrhla UC-Davis v roce 20084. Planární strukturu lze snadno vyrobit pomocí mikro-nano technik zpracování, jako je počítačové numerické řízení (CNC) a UV-LIGA, a celokovová struktura pouzdra může poskytnout větší tepelnou kapacitu s... vyšší výstupní výkon a zisk a struktura podobná vlnovodu může také poskytnout širší pracovní šířku pásma. V roce 2017 UC Davis poprvé demonstrovala, že SDV-TWT dokáže generovat vysoce výkonné výstupy přesahující 100 W a signály s šířkou pásma téměř 14 GHz v pásmu G5. Tyto výsledky však stále obsahují mezery, které nemohou splnit související požadavky na vysoký výkon a širokou šířku pásma v terahertzovém pásmu. Pro SDV-TWT v pásmu G od UC-Davis byly použity plošné elektronové svazky. Ačkoli toto schéma může výrazně zlepšit proudovou únosnost svazku, je obtížné udržet dlouhou přenosovou vzdálenost kvůli nestabilitě elektronového optického systému (EOS) plošného svazku a existuje tunel svazku v nadměrném režimu, který může také způsobit samoregulaci svazku. – Buzení a oscilace 6,7. Aby byly splněny požadavky na vysoký výstupní výkon, širokou šířku pásma a dobrou stabilitu THz TWT, je v tomto článku navržena dvoupaprsková SDV-SWS s duálním provozem. To znamená, že pro zvýšení provozní šířky pásma je v této struktuře navržen a zaveden duální provoz. A pro zvýšení výstupního výkonu se používá také planární rozložení dvojitých tužkových paprsků. Rádiové přístroje s jedním tužkovým paprskem jsou relativně malé kvůli omezením vertikální velikosti. Pokud je hustota proudu příliš vysoká, musí být proud paprsku snížen, což má za následek relativně nízký výstupní výkon. Pro zlepšení proudu paprsku se objevily planární distribuované vícepaprskové EOS, které využívají laterální velikost SWS. Díky nezávislému tunelování paprsku může planární distribuované vícepaprskové zařízení dosáhnout vysokého výstupního výkonu při udržování vysokého celkového proudu paprsku a malého proudu na paprsek, což může zabránit tunelování paprsku v nadměrném režimu ve srovnání s plošnými zařízeními. Proto je výhodné udržovat stabilitu trubice s postupnou vlnou. Na základě předchozích prací8,9 tento článek navrhuje Dvojitý tužkový paprsek EOS s rovnoměrným magnetickým polem v pásmu G, který může výrazně zlepšit stabilní přenosovou vzdálenost paprsku a dále zvětšit oblast interakce paprsku, čímž se výrazně zlepší výstupní výkon.
Struktura tohoto článku je následující. Nejprve je popsán návrh SWS buňky s parametry, analýzou disperzních charakteristik a výsledky vysokofrekvenční simulace. Poté je v tomto článku, podle struktury jednotkové buňky, navržen dvojitý tužkový paprskový EOS a systém interakce paprsků. Jsou také prezentovány výsledky simulace intracelulárních částic pro ověření použitelnosti EOS a výkonu SDV-TWT. Článek dále stručně prezentuje výsledky výroby a zkoušek za studena pro ověření správnosti celého HFS. Nakonec je provedeno shrnutí.
Disperzní vlastnosti pomalovlnné struktury, jakožto jedna z nejdůležitějších složek TWT, indikují, zda rychlost elektronů odpovídá fázové rychlosti SWS, a mají tedy velký vliv na interakci paprsku s vlnou. Pro zlepšení výkonu celé TWT byla navržena vylepšená interakční struktura. Struktura jednotkové buňky je znázorněna na obrázku 1. Vzhledem k nestabilitě plošného paprsku a omezení výkonu jednopólového paprsku používá struktura dvojitý perový paprsek pro další zlepšení výstupního výkonu a provozní stability. Pro zvýšení pracovní šířky pásma byl zároveň navržen duální režim pro provoz SWS. Vzhledem k symetrii struktury SDV lze řešení disperzní rovnice elektromagnetického pole rozdělit na liché a sudé režimy. Současně se k realizaci širokopásmové synchronizace interakce paprsku používá základní lichý režim nízkofrekvenčního pásma a základní sudý režim vysokofrekvenčního pásma, čímž se dále zlepšuje pracovní šířka pásma.
Podle požadavků na napájení je celá trubice navržena s budicím napětím 20 kV a proudem dvojitého paprsku 2 × 80 mA. Abychom napětí co nejvíce přizpůsobili provozní šířce pásma SDV-SWS, musíme vypočítat délku periody p. Vztah mezi napětím paprsku a periodou je znázorněn v rovnici (1)10:
Nastavením fázového posunu na 2,5π při střední frekvenci 220 GHz lze vypočítat periodu p na 0,46 mm. Obrázek 2a ukazuje disperzní vlastnosti jednotkové buňky SWS. Paprsková linie 20 kV velmi dobře odpovídá bimodální křivce. Pásma odpovídající frekvence mohou dosáhnout přibližně 70 GHz v rozsazích 210–265,3 GHz (lichý režim) a 265,4–280 GHz (sudý režim). Obrázek 2b ukazuje průměrnou vazební impedanci, která je od 210 do 290 GHz větší než 0,6 Ω, což naznačuje, že v provozním pásmu mohou docházet k silným interakcím.
(a) Disperzní charakteristiky duálního SDV-SWS s elektronovým paprskem 20 kV. (b) Interakční impedance pomalovlnného obvodu SDV.
Je však důležité poznamenat, že mezi lichým a sudým módem existuje pásmová mezera a tuto pásmovou mezeru obvykle označujeme jako pásmo zastavení, jak je znázorněno na obrázku 2a. Pokud je TWT provozována v blízkosti tohoto frekvenčního pásma, může dojít k silné vazbě paprsku, což povede k nežádoucím oscilacím. V praktických aplikacích se obecně vyhýbáme používání TWT v blízkosti pásma zastavení. Je však vidět, že pásmová mezera této pomalovlnné struktury je pouze 0,1 GHz. Je obtížné určit, zda tato malá pásmová mezera způsobuje oscilace. Proto bude v následující části simulace PIC zkoumána stabilita provozu v okolí pásma zastavení, aby se analyzovalo, zda se mohou vyskytnout nežádoucí oscilace.
Model celého HFS je znázorněn na obrázku 3. Skládá se ze dvou stupňů SDV-SWS, propojených Braggovými reflektory. Funkcí reflektoru je přerušit přenos signálu mezi oběma stupni, potlačit kmitání a odraz nefunkčních módů, jako jsou módy vyššího řádu generované mezi horním a dolním listem, čímž se výrazně zlepší stabilita celé trubice. Pro připojení k vnějšímu prostředí se také používá lineární kuželový vazební člen pro připojení SWS ke standardnímu vlnovodu WR-4. Součinitel přenosu dvouúrovňové struktury se měří pomocí řešiče v časové doméně v 3D simulačním softwaru. S ohledem na skutečný vliv terahertzového pásma na materiál je materiál vakuového obalu zpočátku nastaven na měď a vodivost je snížena na 2,25 × 107 S/m12.
Obrázek 4 ukazuje výsledky přenosu pro HFS s lineárními zúženými vazebními členy a bez nich. Výsledky ukazují, že vazební člen má malý vliv na přenosový výkon celého HFS. Ztráta odrazu (S11 < −10 dB) a vložná ztráta (S21 > −5 dB) celého systému v širokopásmovém pásmu 207~280 GHz ukazují, že HFS má dobré přenosové vlastnosti.
Jako zdroj napájení vakuových elektronických zařízení přímo určuje elektronová tryska, zda je zařízení schopno generovat dostatečný výstupní výkon. V kombinaci s analýzou HFS v části II je třeba navrhnout dvoupaprskovou EOS tak, aby poskytovala dostatečný výkon. V této části je na základě předchozí práce v pásmu W8,9 navržena dvojitá tužková elektronová tryska s použitím planární masky a řídicích elektrod. Nejprve se podle konstrukčních požadavků SWS v části ... Jak je znázorněno na obr. 2 je budicí napětí Ua elektronových paprsků zpočátku nastaveno na 20 kV, proudy I obou elektronových paprsků jsou 80 mA a průměr paprsku dw elektronových paprsků je 0,13 mm. Zároveň, aby se zajistilo dosažení proudové hustoty elektronového paprsku a katody, je kompresní poměr elektronového paprsku nastaven na 7, takže proudová hustota elektronového paprsku je 603 A/cm2 a proudová hustota katody je 86 A/cm2, čehož lze dosáhnout použitím nových katodových materiálů. Podle konstrukční teorie 14, 15, 16, 17 lze typickou Pierceovu elektronovou trysku jednoznačně identifikovat.
Obrázek 5 znázorňuje horizontální a vertikální schematické diagramy elektronové trysky. Je vidět, že profil elektronové trysky ve směru x je téměř identický s profilem typické elektronové trysky ve tvaru listu, zatímco ve směru y jsou dva elektronové paprsky částečně odděleny maskou. Polohy dvou katod jsou x = –0,155 mm, y = 0 mm a x = 0,155 mm, y = 0 mm. Podle konstrukčních požadavků na kompresní poměr a velikost vstřikovaných elektronů jsou rozměry obou katodových povrchů stanoveny na 0,91 mm × 0,13 mm.
Aby bylo zaostřené elektrické pole přijímané každým elektronovým paprskem ve směru x symetrické kolem jeho vlastního středu, v tomto článku je aplikována řídicí elektroda na elektronovou trysku. Nastavením napětí na zaostřovací elektrodě a řídicí elektrodě na -20 kV a napětí na anodě na 0 V můžeme získat rozdělení trajektorie dvojité elektronové trysky, jak je znázorněno na obr. 6. Je vidět, že emitované elektrony mají dobrou stlačitelnost ve směru y a každý elektronový paprsek konverguje směrem k x podél svého vlastního středu symetrie, což naznačuje, že řídicí elektroda vyvažuje nerovnoměrné elektrické pole generované zaostřovací elektrodou.
Obrázek 7 znázorňuje obálku paprsku ve směrech x a y. Výsledky ukazují, že projekční vzdálenost elektronového paprsku ve směru x se liší od projekční vzdálenosti ve směru y. Projekční vzdálenost ve směru x je přibližně 4 mm a projekční vzdálenost ve směru y se blíží 7 mm. Proto by skutečná projekční vzdálenost měla být zvolena mezi 4 a 7 mm. Obrázek 8 znázorňuje průřez elektronového paprsku ve vzdálenosti 4,6 mm od povrchu katody. Vidíme, že tvar průřezu se nejvíce blíží standardnímu kruhovému elektronovému paprsku. Vzdálenost mezi oběma elektronovými paprsky se blíží navrženým 0,31 mm a poloměr je přibližně 0,13 mm, což splňuje konstrukční požadavky. Obrázek 9 znázorňuje výsledky simulace proudu paprsku. Je vidět, že oba proudy paprsku jsou 76 mA, což je v dobré shodě s navrženými 80 mA.
Vzhledem ke kolísání budicího napětí v praktických aplikacích je nutné studovat citlivost tohoto modelu na napětí. V rozsahu napětí 19,8 ~ 20,6 kV jsou získány obálky proudu a proudu paprsku, jak je znázorněno na obrázku 1 a obrázku 1.10 a 11. Z výsledků je patrné, že změna budicího napětí nemá žádný vliv na obálku elektronového paprsku a proud elektronového paprsku se mění pouze od 0,74 do 0,78 A. Lze tedy usoudit, že elektronová tryska navržená v tomto článku má dobrou citlivost na napětí.
Vliv fluktuací budicího napětí na obálky paprsku ve směru x a y.
Rovnoměrné magnetické zaostřovací pole je běžný systém zaostřování s permanentními magnety. Díky rovnoměrnému rozložení magnetického pole v celém kanálu paprsku je velmi vhodný pro osově symetrické elektronové paprsky. V této části je navržen rovnoměrný magnetický zaostřovací systém pro udržení přenosu dvojitých tužkových paprsků na velké vzdálenosti. Analýzou generovaného magnetického pole a obálky paprsku je navrženo konstrukční schéma zaostřovacího systému a je studován problém citlivosti. Podle teorie stabilního přenosu jednoho tužkového paprsku18,19 lze hodnotu Brillouinova magnetického pole vypočítat pomocí rovnice (2). V tomto článku také používáme tuto ekvivalenci k odhadu magnetického pole laterálně rozloženého dvojitého tužkového paprsku. V kombinaci s elektronovou tryskou navrženou v tomto článku je vypočítaná hodnota magnetického pole přibližně 4000 Gs. Podle Ref. 20 se v praktických návrzích obvykle volí 1,5-2násobek vypočítané hodnoty.
Obrázek 12 znázorňuje strukturu systému zaostřování magnetického pole s rovnoměrným magnetickým polem. Modrá část představuje permanentní magnet zmagnetizovaný v axiálním směru. Volbou materiálu je NdFeB nebo FeCoNi. Remanence Br nastavená v simulačním modelu je 1,3 T a permeabilita je 1,05. Aby byl zajištěn stabilní přenos paprsku v celém obvodu, je délka magnetu zpočátku nastavena na 70 mm. Velikost magnetu ve směru x navíc určuje, zda je příčné magnetické pole v kanálu paprsku rovnoměrné, což vyžaduje, aby velikost ve směru x nebyla příliš malá. Zároveň by vzhledem k ceně a hmotnosti celé trubice neměla být velikost magnetu příliš velká. Proto jsou magnety zpočátku nastaveny na 150 mm × 150 mm × 70 mm. Aby se zajistilo, že celý pomalovlnný obvod bude možné umístit do zaostřovacího systému, je vzdálenost mezi magnety nastavena na 20 mm.
V roce 2015 Purna Chandra Panda21 navrhl pólový nástavec s novým stupňovitým otvorem v jednotném magnetickém zaostřovacím systému, který může dále snížit velikost úniku magnetického toku na katodu a příčné magnetické pole generované v otvoru pólového nástavce. V tomto článku přidáváme k pólovému nástavci zaostřovacího systému stupňovitou strukturu. Tloušťka pólového nástavce je zpočátku nastavena na 1,5 mm, výška a šířka tří stupňů je 0,5 mm a vzdálenost mezi otvory pólového nástavce je 2 mm, jak je znázorněno na obrázku 13.
Obrázek 14a ukazuje axiální rozložení magnetického pole podél středových os dvou elektronových paprsků. Je vidět, že síly magnetického pole podél obou elektronových paprsků jsou stejné. Hodnota magnetického pole je přibližně 6000 Gs, což je 1,5krát více než teoretické Brillouinovo pole pro zvýšení přenosu a zaostřování. Zároveň je magnetické pole na katodě téměř nulové, což naznačuje, že pólový nástavec má dobrý vliv na prevenci úniku magnetického toku. Obrázek 14b ukazuje rozložení příčného magnetického pole By ve směru z na horním okraji obou elektronových paprsků. Je vidět, že příčné magnetické pole je menší než 200 Gs pouze u otvoru pólového nástavce, zatímco v pomalovlnném obvodu je příčné magnetické pole téměř nulové, což dokazuje, že vliv příčného magnetického pole na elektronový paprsek je zanedbatelný. Aby se zabránilo magnetickému nasycení pólových nástavců, je nutné studovat sílu magnetického pole uvnitř pólových nástavců. Obrázek 14c ukazuje absolutní hodnotu rozložení magnetického pole uvnitř pólového nástavce. Je vidět, že absolutní hodnota síly magnetického pole je menší než 1,2 T, což naznačuje, že k magnetickému nasycení pólového nástavce nedojde.
Rozložení intenzity magnetického pole pro Br = 1,3 T. (a) Axiální rozložení pole. (b) Boční rozložení pole By ve směru z. (c) Absolutní hodnota rozložení pole uvnitř pólového nástavce.
Na základě modulu CST PS je optimalizována axiální relativní poloha dvojitého paprskového trysky a zaostřovacího systému. Podle Ref. 9 a simulací je optimální umístění tam, kde anodový kus překrývá pólový kus směrem od magnetu. Bylo však zjištěno, že pokud by byla remanence nastavena na 1,3 T, propustnost elektronového paprsku nemohla dosáhnout 99 %. Zvýšením remanence na 1,4 T by se zaostřovací magnetické pole zvýšilo na 6500 Gs. Trajektorie paprsku v rovinách xoz a yoz jsou znázorněny na obrázku 15. Je vidět, že paprsek má dobrou propustnost, malé kolísání a přenosovou vzdálenost větší než 45 mm.
Trajektorie dvojitých tužkových paprsků v homogenním magnetickém systému s Br = 1,4 T. (a) rovina xoz. (b) letadlo yoz.
Obrázek 16 ukazuje průřez paprskem v různých polohách od katody. Je vidět, že tvar průřezu paprsku v zaostřovacím systému je dobře zachován a průměr průřezu se příliš nemění. Obrázek 17 ukazuje obálky paprsku ve směru x a y. Je vidět, že kolísání paprsku v obou směrech je velmi malé. Obrázek 18 ukazuje výsledky simulace proudu paprsku. Výsledky ukazují, že proud je přibližně 2 × 80 mA, což je v souladu s vypočítanou hodnotou v návrhu elektronového děla.
Průřez elektronového paprsku (se zaostřovacím systémem) v různých polohách od katody.
Vzhledem k řadě problémů, jako jsou chyby při montáži, kolísání napětí a změny síly magnetického pole v praktických aplikacích zpracování, je nutné analyzovat citlivost zaostřovacího systému. Protože ve skutečném zpracování je mezi anodovým a pólovým nástavcem mezera, je třeba tuto mezeru v simulaci nastavit. Hodnota mezery byla nastavena na 0,2 mm a obrázek 19a ukazuje obálku paprsku a proud paprsku ve směru y. Tento výsledek ukazuje, že změna obálky paprsku není významná a proud paprsku se téměř nemění. Systém je proto necitlivý na chyby při montáži. Pro kolísání budicího napětí je rozsah chyb nastaven na ±0,5 kV. Obrázek 19b ukazuje výsledky porovnání. Je vidět, že změna napětí má malý vliv na obálku paprsku. Rozsah chyb je nastaven od -0,02 do +0,03 T pro změny síly magnetického pole. Výsledky porovnání jsou znázorněny na obrázku 20. Je vidět, že obálka paprsku se téměř nemění, což znamená, že celý EOS je necitlivý na změny síly magnetického pole.
Výsledky obálky paprsku a proudu za rovnoměrného magnetického zaostřovacího systému. (a) Tolerance montáže je 0,2 mm. (b) Kolísání budicího napětí je ±0,5 kV.
Obálka paprsku v rovnoměrném magnetickém fokusačním systému s fluktuacemi axiálního magnetického pole v rozmezí od 0,63 do 0,68 T.
Aby bylo zajištěno, že zaostřovací systém navržený v tomto článku bude odpovídat HFS, je nutné pro výzkum kombinovat zaostřovací systém a HFS. Obrázek 21 ukazuje srovnání obálek paprsku s HFS a bez něj. Výsledky ukazují, že obálka paprsku se při zatížení celého HFS příliš nemění. Zaostřovací systém je proto vhodný pro HFS s postupnou vlnou výše uvedené konstrukce.
Pro ověření správnosti EOS navrženého v části III a prozkoumání výkonu 220 GHz SDV-TWT byla provedena 3D-PIC simulace interakce paprsku a vlny. Vzhledem k omezením simulačního softwaru jsme nebyli schopni přidat celý EOS do HFS. Proto byla elektronová tryska nahrazena ekvivalentní emisní plochou o průměru 0,13 mm a vzdálenosti mezi oběma plochami 0,31 mm, což jsou stejné parametry jako u výše navržené elektronové trysky. Díky necitlivosti a dobré stabilitě EOS lze budicí napětí vhodně optimalizovat pro dosažení nejlepšího výstupního výkonu v PIC simulaci. Výsledky simulace ukazují, že nasyceného výstupního výkonu a zesílení lze dosáhnout při budicím napětí 20,6 kV, proudu paprsku 2 × 80 mA (603 A/cm2) a vstupním výkonu 0,05 W.
Aby se dosáhlo nejlepšího výstupního signálu, je třeba optimalizovat také počet cyklů. Nejlepšího výstupního výkonu se dosáhne, když je počet dvou stupňů 42 + 48 cyklů, jak je znázorněno na obrázku 22a. Vstupní signál 0,05 W je zesílen na 314 W se ziskem 38 dB. Výstupní výkonové spektrum získané rychlou Fourierovou transformací (FFT) je čisté s vrcholem na 220 GHz. Obrázek 22b ukazuje axiální rozložení energie elektronů v SWS, přičemž většina elektronů energii ztrácí. Tento výsledek naznačuje, že SDV-SWS dokáže převést kinetickou energii elektronů na RF signály, čímž dochází k zesílení signálu.
Výstupní signál SDV-SWS při 220 GHz. (a) Výstupní výkon se zahrnutým spektrem. (b) Energetické rozložení elektronů s elektronovým paprskem na konci vložky SWS.
Obrázek 23 znázorňuje šířku pásma výstupního výkonu a zisk duálního dvoupaprskového SDV-TWT. Výstupní výkon lze dále zlepšit změnou frekvencí od 200 do 275 GHz a optimalizací budicího napětí. Tento výsledek ukazuje, že šířka pásma 3 dB může pokrýt 205 až 275 GHz, což znamená, že duální provoz může výrazně rozšířit provozní šířku pásma.
Nicméně podle obr. 2a víme, že mezi lichým a sudým módem existuje pásmo zastavení, které může vést k nežádoucím oscilacím. Proto je třeba studovat stabilitu práce v okolí pásma zastavení. Obrázky 24a-c znázorňují výsledky 20ns simulace při 265,3 GHz, 265,35 GHz a 265,4 GHz. Je vidět, že ačkoli výsledky simulace vykazují určité fluktuace, výstupní výkon je relativně stabilní. Spektrum je také znázorněno na obrázku 24, spektrum je čisté. Tyto výsledky naznačují, že v blízkosti pásma zastavení nedochází k žádné vlastní oscilaci.
Pro ověření správnosti celého vysokofrekvenčního obráběcího systému (HFS) je nezbytná výroba a měření. V této části je HFS vyroben pomocí technologie počítačového numerického řízení (CNC) s průměrem nástroje 0,1 mm a přesností obrábění 10 μm. Materiálem pro vysokofrekvenční strukturu je bezkyslíkatá měď s vysokou vodivostí (OFHC). Obrázek 25a ukazuje vyrobenou strukturu. Celá struktura má délku 66,00 mm, šířku 20,00 mm a výšku 8,66 mm. Po celé struktuře je rozmístěno osm otvorů pro kolíky. Obrázek 25b ukazuje strukturu pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM). Lopatky této struktury jsou vyrobeny rovnoměrně a mají dobrou drsnost povrchu. Po přesném měření je celková chyba obrábění menší než 5 % a drsnost povrchu je přibližně 0,4 μm. Obráběná struktura splňuje požadavky na konstrukci a přesnost.
Obrázek 26 ukazuje srovnání skutečných výsledků testů a simulací přenosového výkonu. Port 1 a port 2 na obrázku 26a odpovídají vstupnímu a výstupnímu portu HFS a jsou ekvivalentní portu 1 a portu 4 na obrázku 3. Skutečné výsledky měření S11 jsou o něco lepší než výsledky simulace. Zároveň jsou naměřené výsledky S21 o něco horší. Důvodem může být příliš vysoká vodivost materiálu nastavená v simulaci a špatná drsnost povrchu po skutečném obrábění. Celkově jsou naměřené výsledky v dobré shodě s výsledky simulace a šířka pásma přenosu splňuje požadavek 70 GHz, což ověřuje proveditelnost a správnost navrhovaného duálního SDV-TWT. V kombinaci se skutečným výrobním procesem a výsledky testů lze tedy ultraširokopásmový duální SDV-TWT navržený v tomto článku použít pro následnou výrobu a aplikace.
V tomto článku je prezentován detailní návrh planárního distribučního dvoupaprskového SDV-TWT s frekvencí 220 GHz. Kombinace duálního provozu a buzení dvojitým paprskem dále zvyšuje provozní šířku pásma a výstupní výkon. Pro ověření správnosti celého HFS byla provedena také výroba a studený test. Skutečné výsledky měření jsou v dobré shodě s výsledky simulace. U navrženého dvoupaprskového EOS byla maskovací sekce a řídicí elektrody použity společně k vytvoření dvoutužkového paprsku. V navrženém rovnoměrném fokusujícím magnetickém poli může být elektronový paprsek stabilně přenášen na velké vzdálenosti s dobrým tvarem. V budoucnu bude provedena výroba a testování EOS a také tepelný test celého TWT. Toto konstrukční schéma SDV-TWT navržené v tomto článku plně kombinuje současnou vyspělou technologii zpracování rovin a vykazuje velký potenciál ve výkonnostních ukazatelích, zpracování a montáži. Proto se tento článek domnívá, že planární struktura se s největší pravděpodobností stane vývojovým trendem vakuových elektronických zařízení v terahertzovém pásmu.
Většina nezpracovaných dat a analytických modelů z této studie byla zahrnuta v tomto článku. Další relevantní informace lze získat od příslušného autora na základě přiměřené žádosti.
Gamzina, D. a kol. Nanoměřítkové CNC obrábění vakuové elektroniky v subterahertzovém rozsahu. IEEE Trans. electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. a Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikace subterahertzových vlnovodů s použitím vícevrstvého fotorezistu SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS a kol., Plán vývoje THz technologie 2017. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR a Luhmann, NC Silné omezení šíření plazmonických vln pomocí ultraširokopásmových střídavých vlnovodů s dvojitou mřížkou. application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. a kol. Výkon nano CNC obráběného zesilovače s postupnou vlnou 220 GHz. IEEE Trans. Elektronické devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Zkoumání diokotronové nestability nekonečně širokých vrstvených elektronových paprsků s využitím teorie makroskopického modelu studené tekutiny. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV o možnosti zvýšení šířky pásma planárním uspořádáním paprsku ve vícepaprskovém klystronu. In 12. mezinárodní konference IEEE o vakuové elektronice, Bengalúr, Indie, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ a kol. Návrh třípaprskových elektronových trysek s úzkým rozdělením roviny dělení paprsku v dvoulisté trubici s postupnou vlnou v pásmu W [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB a Ruan, CJ Planární distribuovaný třípaprskový elektronový optický systém s úzkou separací paprsků pro TWT v základním módu v pásmu W. IEEE Trans.electronic devices. 68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Výzkum prokládané dvoulisté trubice s postupnou vlnou a milimetrovými vlnovými deskami 20-22 (PhD, Univerzita Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. a He, Y. Studie stability interakce paprsku a vlny prokládané dvoulisté trubice s postupnou vlnou v pásmu G. 2018 43. mezinárodní konference o infračervených milimetrových a terahertzových vlnách, Nagoja. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).