Dankon pro via vizito al Nature.com. La retumilversio, kiun vi uzas, havas limigitan subtenon por CSS. Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu kongruecan reĝimon en Internet Explorer). Dume, por certigi daŭran subtenon, ni montros la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
En ĉi tiu artikolo, 220GHz larĝbenda alt-potenca interplektita duobla-klinga vojaĝanta ondotubo estas desegnita kaj kontrolita. Unue, planara duobla-traba ŝanceligita duobla-klinga malrapid-onda strukturo estas proponita. Uzante du-reĝiman operacian skemon, la transmisia rendimento kaj bendolarĝo estas preskaŭ duoblaj ol tiuj de unu-reĝima. Due, por plenumi la postulojn de alta elira potenco kaj plibonigi la stabilecon de la vojaĝanta ondotubo, duobla krajonforma elektronika optika sistemo estas desegnita, la pela tensio estas 20~21 kV, kaj la kurento estas 2 × 80 mA. Dezajnaj celoj. Uzante la maskan parton kaj kontrolan elektrodon en la duobla-traba pafilo, la du krajonaj radioj povas esti fokusitaj laŭ siaj respektivaj centroj kun kunprema proporcio de 7, la fokusa distanco estas ĉirkaŭ 0.18 mm, kaj la stabileco estas bona. La unuforma magneta fokusa sistemo ankaŭ estis optimumigita. La stabila transmisia distanco de la planara duobla elektrona radio povas atingi 45 mm, kaj la fokusa magneta kampo estas 0.6 T, kio sufiĉas por kovri la tutan alt-frekvencan sistemon (HFS). Poste, por kontroli la Pri la uzebleco de la elektron-optika sistemo kaj la funkciado de la malrapid-onda strukturo, ankaŭ oni faris simuladojn de partikla ĉelo (PIC) sur la tuta HFS. La rezultoj montras, ke la radio-interaga sistemo povas atingi pintan eliran potencon de preskaŭ 310 W je 220 GHz, la optimumigita radiotensio estas 20.6 kV, la radiofluo estas 2 × 80 mA, la gajno estas 38 dB, kaj la 3-dB bendolarĝo superas 35 dB ĉirkaŭ 70 GHz. Fine, alt-preciza mikrostruktura fabrikado estas farita por kontroli la funkciadon de la HFS, kaj la rezultoj montras, ke la bendolarĝo kaj transmisiaj karakterizaĵoj bone kongruas kun la simuladrezultoj. Tial, la skemo proponita en ĉi tiu artikolo supozeble disvolvos alt-potencajn, ultra-larĝbendajn terahercajn bendajn radiadfontojn kun potencialo por estontaj aplikoj.
Kiel tradicia vakua elektronika aparato, vojaĝanta ondotubo (TWT) ludas neanstataŭigeblan rolon en multaj aplikoj kiel alt-rezolucia radaro, satelitaj komunikaj sistemoj kaj kosma esplorado1,2,3. Tamen, kiam la funkcianta frekvenco eniras la terahercan bendon, la tradicia kunligita-kavaĵa TWT kaj helikforma TWT ne plu kapablas kontentigi la bezonojn de homoj pro relative malalta elira potenco, mallarĝa bendlarĝo kaj malfacilaj fabrikadaj procezoj. Tial, kiel amplekse plibonigi la rendimenton de la THz-bendo fariĝis tre zorgiga temo por multaj sciencaj esplorinstitucioj. En la lastaj jaroj, novaj malrapid-ondaj strukturoj (SWS), kiel ŝanceligitaj duobla-klingaj (SDV) strukturoj kaj falditaj ondgvidilaj (FW) strukturoj, ricevis ampleksan atenton pro siaj naturaj ebenaj strukturoj, precipe la novaj SDV-SWS kun promesplena potencialo. Ĉi tiu strukturo estis proponita de UC-Davis en 20084. La ebena strukturo povas esti facile fabrikita per mikro-nano-prilaboraj teknikoj kiel komputila numera kontrolo (CNC) kaj UV-LIGA, la tute metala pakaĵa strukturo povas provizi pli grandan termikan kapaciton kun pli alta... elira potenco kaj gajno, kaj la ondgvidil-simila strukturo ankaŭ povas provizi pli larĝan laboran bendlarĝon. Nuntempe, UC Davis montris por la unua fojo en 2017, ke SDV-TWT povas generi alt-potencajn eligojn pli ol 100 W kaj preskaŭ 14 GHz-bendlarĝajn signalojn en la G-bendo5. Tamen, ĉi tiuj rezultoj ankoraŭ havas breĉojn, kiuj ne povas plenumi la rilatajn postulojn de alta potenco kaj larĝa bendlarĝo en la teraherca bendo. Por la G-benda SDV-TWT de UC-Davis, foliaj elektronfaskoj estis uzitaj. Kvankam ĉi tiu skemo povas signife plibonigi la kurent-portantan kapaciton de la fasko, estas malfacile konservi longan dissendodistancon pro la malstabileco de la foliaj faskaj elektron-optika sistemo (EOS), kaj ekzistas troreĝima faska tunelo, kiu ankaŭ povas kaŭzi memreguligon de la fasko. – Ekscito kaj oscilado 6,7. Por plenumi la postulojn de alta elira potenco, larĝa bendlarĝo kaj bona stabileco de THz TWT, du-traba SDV-SWS kun du-reĝima operacio estas proponita en ĉi tiu artikolo. Tio estas, por pliigi la funkcian bendlarĝon, du-reĝima operacio estas proponita kaj enkondukita en ĉi tiu strukturo. Kaj, por pliigi la eliran potencon, ankaŭ plana distribuo de duoblaj krajontraboj estas uzata. Unuopaj krajontrabaj radioj estas relative malgrandaj pro vertikalaj grandeclimigoj. Se la kurentdenseco estas tro alta, la radiofluo devas esti reduktita, rezultante en relative malalta elira potenco. Por plibonigi la radiofluon, aperis planara distribuita plurtraba EOS, kiu ekspluatas la lateralan grandecon de la SWS. Pro la sendependa radiotunelado, la planara distribuita plurtraba povas atingi altan eliran potencon konservante altan totalan radiofluon kaj malgrandan kurenton po radio, kio povas eviti troreĝiman radiotuneladon kompare kun tuk-trabaj aparatoj. Tial, estas utile konservi la stabilecon de la vojaĝanta onda tubo. Surbaze de antaŭa laboro 8,9, ĉi tiu artikolo proponas G-bendan unuforman magnetan kampon. fokusa duobla krajona radio EOS, kiu povas multe plibonigi la stabilan transmisian distancon de la radio kaj plue pliigi la interagan areon de la radio, tiel multe plibonigante la eligan potencon.
La strukturo de ĉi tiu artikolo estas jena. Unue, la SWS-ĉela dezajno kun parametroj, analizo de dispersaj karakterizaĵoj kaj rezultoj de altfrekvencaj simuladoj estas priskribitaj. Poste, laŭ la strukturo de la unuobla ĉelo, duobla krajona traba EOS kaj traba interaga sistemo estas dizajnitaj en ĉi tiu artikolo. Rezultoj de intraĉelaj partiklaj simuladoj ankaŭ estas prezentitaj por kontroli la uzeblecon de EOS kaj la rendimenton de SDV-TWT. Krome, la artikolo mallonge prezentas la rezultojn de fabrikado kaj malvarmaj testoj por kontroli la ĝustecon de la tuta HFS. Fine, faru resumon.
Kiel unu el la plej gravaj komponantoj de la TWT, la dispersivaj ecoj de la malrapid-onda strukturo indikas ĉu la elektrona rapido kongruas kun la fazrapido de la SWS, kaj tiel havas grandan influon sur la radio-onda interago. Por plibonigi la rendimenton de la tuta TWT, plibonigita interaga strukturo estas desegnita. La strukturo de la unuopa ĉelo estas montrita en Figuro 1. Konsiderante la malstabilecon de la folitrabo kaj la potenclimigon de la ununura plumtrabo, la strukturo adoptas duoblan plumtrabon por plue plibonigi la eliran potencon kaj funkcian stabilecon. Dume, por pliigi la laboran bendlarĝon, duobla reĝimo estis proponita por la SWS funkcii. Pro la simetrio de la SDV-strukturo, la solvo de la elektromagneta kampa dispersa ekvacio povas esti dividita en neparajn kaj parajn reĝimojn. Samtempe, la fundamenta nepara reĝimo de la malaltfrekvenca bendo kaj la fundamenta para reĝimo de la altfrekvenca bendo estas uzataj por realigi la larĝbendan sinkronigon de la radio-interago, tiel plue plibonigante la laboran bendlarĝon.
Laŭ la potencaj postuloj, la tuta tubo estas desegnita kun ŝarĝa tensio de 20 kV kaj duobla lumfluo de 2 × 80 mA. Por kiel eble plej bone kongruigi la tension kun la funkcia bendlarĝo de la SDV-SWS, ni bezonas kalkuli la longon de la periodo p. La rilato inter lumtensio kaj periodo estas montrita en ekvacio (1)10:
Agordante la fazŝovon al 2.5π ĉe la centra frekvenco de 220 GHz, la periodo p povas esti kalkulita je 0.46 mm. Figuro 2a montras la dispersajn ecojn de la SWS-unuobla ĉelo. La 20 kV-lumlinio tre bone kongruas kun la bimodala kurbo. Kongruaj frekvencbendoj povas atingi ĉirkaŭ 70 GHz en la intervaloj 210–265.3 GHz (nepara reĝimo) kaj 265.4–280 GHz (para reĝimo). Figuro 2b montras la mezan kuplan impedancon, kiu estas pli granda ol 0.6 Ω de 210 ĝis 290 GHz, indikante ke fortaj interagoj povas okazi en la funkcianta bendlarĝo.
(a) Dispersaj karakterizaĵoj de du-reĝima SDV-SWS kun 20 kV elektrona lumlinio. (b) Interaga impedanco de la SDV-malrapidonda cirkvito.
Tamen, gravas noti, ke ekzistas bendbreĉo inter la para kaj nepara reĝimoj, kaj ni kutime nomas ĉi tiun bendbreĉon la haltbendo, kiel montrite en Figuro 2a. Se la TWT estas funkciigata proksime al ĉi tiu frekvencbendo, forta kuplado-forto de la radio povas okazi, kio kondukos al nedezirataj osciloj. En praktikaj aplikoj, ni ĝenerale evitas uzi TWT proksime al la haltbendo. Tamen, oni povas vidi, ke la bendbreĉo de ĉi tiu malrapidonda strukturo estas nur 0.1 GHz. Estas malfacile determini ĉu ĉi tiu malgranda bendbreĉo kaŭzas oscilojn. Tial, la stabileco de funkciado ĉirkaŭ la haltbendo estos esplorita en la sekva PIC-simulada sekcio por analizi ĉu nedezirataj osciloj povas okazi.
La modelo de la tuta HFS estas montrita en Figuro 3. Ĝi konsistas el du stadioj de SDV-SWS, konektitaj per Bragg-reflektoroj. La funkcio de la reflektoro estas interrompi la signaltransdonon inter la du stadioj, subpremi la osciladon kaj reflekton de nefunkciaj reĝimoj kiel ekzemple alt-ordaj reĝimoj generitaj inter la supraj kaj malsupraj klingoj, tiel multe plibonigante la stabilecon de la tuta tubo. Por konekto al la ekstera medio, lineara konusforma kuplilo ankaŭ estas uzata por konekti la SWS al WR-4-norma ondgvidilo. La transmisia koeficiento de la du-nivela strukturo estas mezurata per tempodomajna solvanto en la 3D-simulada programaro. Konsiderante la faktan efikon de la teraherca bendo sur la materialon, la materialo de la vakua koverto estas komence agordita al kupro, kaj la konduktiveco estas reduktita al 2,25 × 10⁷ S/m⁻².
Figuro 4 montras la transmisiajn rezultojn por HFS kun kaj sen linearaj konusformaj kupliloj. La rezultoj montras, ke la kuplilo havas malmultan efikon sur la transmisia rendimento de la tuta HFS. La revenperdo (S11 < − 10 dB) kaj enmetperdo (S21 > − 5 dB) de la tuta sistemo en la larĝbendo 207~280 GHz montras, ke HFS havas bonajn transmisiajn karakterizaĵojn.
Kiel la elektrofonto de vakuaj elektronikaj aparatoj, la elektronkanono rekte determinas ĉu la aparato povas generi sufiĉan eliran potencon. Kombinite kun la analizo de HFS en Sekcio II, du-traba EOS devas esti desegnita por provizi sufiĉan potencon. En ĉi tiu parto, surbaze de antaŭa laboro en W-bendo8,9, duobla krajona elektronkanono estas desegnita uzante ebenan maskoparton kaj kontrolajn elektrodojn. Unue, laŭ la dezajnaj postuloj de SWS en Sekcio. Kiel montrite en FIG. 2, la pela tensio Ua de la elektronfaskoj estas komence agordita je 20 kV, la kurentoj I de la du elektronfaskoj ambaŭ estas 80 mA, kaj la traba diametro dw de la elektronfaskoj estas 0.13 mm. Samtempe, por certigi, ke la kurentdenseco de la elektronfasko kaj la katodo povas esti atingita, la kunprema proporcio de la elektronfasko estas agordita je 7, do la kurentdenseco de la elektronfasko estas 603 A/cm², kaj la kurentdenseco de la katodo estas 86 A/cm², kio povas esti atingita per uzado de novaj katodmaterialoj. Laŭ la dezajna teorio 14, 15, 16, 17, tipa Pierce-elektronkanono povas esti unike identigita.
Figuro 5 montras la horizontalajn kaj vertikalajn skemdiagramojn de la pafilo, respektive. Videblas, ke la profilo de la elektronkanono en la x-direkto estas preskaŭ identa al tiu de tipa lamenforma elektronkanono, dum en la y-direkto la du elektronfaskoj estas parte apartigitaj per la masko. La pozicioj de la du katodoj estas je x = – 0,155 mm, y = 0 mm kaj x = 0,155 mm, y = 0 mm, respektive. Laŭ la dezajnaj postuloj pri kunprema proporcio kaj grandeco de la elektrona injekto, la dimensioj de la du katodsurfacoj estas determinitaj kiel 0,91 mm × 0,13 mm.
Por fari la fokusitan elektran kampon ricevitan de ĉiu elektronfasko en la x-direkto simetria ĉirkaŭ sia propra centro, ĉi tiu artikolo aplikas kontrolan elektrodon al la elektronkanono. Agordante la tension de la fokusa elektrodo kaj la kontrola elektrodo al −20 kV, kaj la tension de la anodo al 0 V, ni povas akiri la trajektorio-distribuon de la duoblafaska kanono, kiel montrite en Fig. 6. Videblas, ke la elsenditaj elektronoj havas bonan kunpremeblecon en la y-direkto, kaj ĉiu elektronfasko konverĝas al la x-direkto laŭ sia propra simetricentro, kio indikas, ke la kontrola elektrodo balancas la neegalan elektran kampon generitan de la fokusa elektrodo.
Figuro 7 montras la radiokoverton en la x- kaj y-direktoj. La rezultoj montras, ke la projekcia distanco de la elektrona radio en la x-direkto estas malsama ol tiu en la y-direkto. La ĵetdistanco en la x-direkto estas ĉirkaŭ 4 mm, kaj la ĵetdistanco en la y-direkto estas proksima al 7 mm. Tial, la fakta ĵetdistanco devus esti elektita inter 4 kaj 7 mm. Figuro 8 montras la transversan sekcon de la elektrona radio je 4,6 mm de la katoda surfaco. Ni povas vidi, ke la formo de la transversa sekco estas plej proksima al norma cirkla elektrona radio. La distanco inter la du elektronaj radioj estas proksima al la desegnita 0,31 mm, kaj la radiuso estas ĉirkaŭ 0,13 mm, kio plenumas la dezajnajn postulojn. Figuro 9 montras la simulajn rezultojn de la radiofluo. Oni povas vidi, ke la du radiofluoj estas 76 mA, kio bone kongruas kun la desegnita 80 mA.
Konsiderante la fluktuon de la stira tensio en praktikaj aplikoj, necesas studi la tensian sentemon de ĉi tiu modelo. En la tensiintervalo de 19,8 ~ 20,6 kV, la kurento- kaj lumfluaj kovertoj estas akiritaj, kiel montrite en Figuro 1 kaj Figuro 1.10 kaj 11. El la rezultoj, oni povas vidi, ke la ŝanĝo de la stira tensio ne havas efikon sur la elektronfaskanonan koverton, kaj la elektronfaskanono ŝanĝiĝas nur de 0,74 ĝis 0,78 A. Tial, oni povas konsideri, ke la elektronkanono desegnita en ĉi tiu artikolo havas bonan sentemon al tensio.
La efiko de fluktuoj de la tensioterapio sur la radiokovertoj en la x- kaj y-direktoj.
Unuforma magneta fokusa kampo estas ofta permanenta magneta fokusa sistemo. Pro la unuforma magneta kampa distribuo tra la radiokanalo, ĝi estas tre taŭga por akssimetriaj elektronradioj. En ĉi tiu sekcio, unuforma magneta fokusa sistemo por konservi la longdistancan transmision de duoblaj krajonradioj estas proponita. Analizante la generitan magnetan kampon kaj radiokoverton, la dezajnskemo de la fokusa sistemo estas proponita, kaj la sentema problemo estas studata. Laŭ la stabila transmisia teorio de ununura krajonradio18,19, la valoro de la magneta kampo de Brillouin povas esti kalkulita per ekvacio (2). En ĉi tiu artikolo, ni ankaŭ uzas ĉi tiun ekvivalentecon por taksi la magnetan kampon de laterale distribuita duobla krajonradio. Kombinite kun la elektronkanono desegnita en ĉi tiu artikolo, la kalkulita magneta kampa valoro estas ĉirkaŭ 4000 Gs. Laŭ Ref. 20, 1,5-2-oble la kalkulita valoro estas kutime elektita en praktikaj dezajnoj.
Figuro 12 montras la strukturon de sistemo de fokusa kampo kun unuforma magneta kampo. La blua parto estas la permanenta magneto magnetigita en la aksa direkto. La materialo elektita estas NdFeB aŭ FeCoNi. La remanenco Br agordita en la simula modelo estas 1.3 T kaj la permeablo estas 1.05. Por certigi la stabilan transdonon de la fasko en la tuta cirkvito, la longo de la magneto estas komence agordita je 70 mm. Krome, la grandeco de la magneto en la x-direkto determinas ĉu la transversa magneta kampo en la faska kanalo estas uniforma, kio postulas, ke la grandeco en la x-direkto ne estu tro malgranda. Samtempe, konsiderante la koston kaj la pezon de la tuta tubo, la grandeco de la magneto ne estu tro granda. Tial, la magnetoj estas komence agorditaj je 150 mm × 150 mm × 70 mm. Dume, por certigi, ke la tuta malrapid-onda cirkvito povas esti metita en la fokusan sistemon, la distanco inter la magnetoj estas agordita je 20 mm.
En 2015, Purna Chandra Panda21 proponis polusan pecon kun nova ŝtupara truo en unuforma magneta fokusa sistemo, kiu povas plue redukti la magnitudon de flua elfluado al la katodo kaj la transversan magnetan kampon generitan ĉe la polusana truo. En ĉi tiu artikolo, ni aldonas ŝtuparan strukturon al la polusana peco de la fokusa sistemo. La dikeco de la polusana peco estas komence agordita je 1.5 mm, la alto kaj larĝo de la tri ŝtupoj estas 0.5 mm, kaj la distanco inter la polusanaj truoj estas 2 mm, kiel montrite en Figuro 13.
Figuro 14a montras la aksan distribuon de la magneta kampo laŭlonge de la centraj linioj de la du elektronaj faskoj. Videblas, ke la magnetaj kampaj fortoj laŭlonge de la du elektronaj faskoj estas egalaj. La valoro de la magneta kampo estas ĉirkaŭ 6000 Gs, kio estas 1,5-oble la teoria Brillouin-kampo por pliigi la transmisian kaj fokusan rendimenton. Samtempe, la magneta kampo ĉe la katodo estas preskaŭ 0, indikante, ke la polusa peco havas bonan efikon al la preventado de elfluo de magneta fluo. Figuro 14b montras la transversan distribuon de la magneta kampo By en la z-direkto ĉe la supra rando de la du elektronaj faskoj. Videblas, ke la transversa magneta kampo estas malpli ol 200 Gs nur ĉe la truo de la polusa peco, dum en la malrapidonda cirkvito, la transversa magneta kampo estas preskaŭ nula, kio pruvas, ke la influo de la transversa magneta kampo sur la elektronan faskon estas nekonsiderinda. Por preventi magnetan saturiĝon de la polusaj pecoj, necesas studi la magnetan kampan forton ene de la polusaj pecoj. Figuro 14c montras la absolutan valoron de la distribuo de la magneta kampo ene de la polusa peco. Videblas, ke la absoluta valoro de la magneta kampa forto estas malpli ol 1.2T, indikante ke la magneta saturiĝo de la poluspeco ne okazos.
Distribuo de magneta kampa forto por Br = 1,3 T. (a) Aksa kampa distribuo. (b) Latera kampa distribuo By en la z-direkto. (c) Absoluta valoro de kampa distribuo ene de la poluspeco.
Surbaze de la CST PS-modulo, la aksa relativa pozicio de la duobla-radia pafilo kaj la fokusa sistemo estas optimumigita. Laŭ Ref. 9 kaj simuladoj, la optimuma loko estas kie la anoda peco interkovras la polusan pecon for de la magneto. Tamen, oni trovis, ke se la remanenco estis agordita al 1.3T, la transmitanco de la elektrona radio ne povus atingi 99%. Pliigante la remanencon al 1.4T, la fokusa magneta kampo estos pliigita al 6500 Gs. La radiotrajektorioj sur la ebenoj xoz kaj yoz estas montritaj en Figuro 15. Videblas, ke la radio havas bonan transdonon, malgrandan fluktuon, kaj transdonodistancon pli grandan ol 45mm.
Trajektorioj de duoblaj krajonaj radioj sub homogena magneta sistemo kun Br = 1.4 T. (a) xoz ebeno. (b) yoz aviadilo.
Figuro 16 montras la transversan sekcon de la radiofasko ĉe malsamaj pozicioj for de la katodo. Videblas, ke la formo de la radiosekcio en la fokusa sistemo estas bone konservita, kaj la sekcia diametro ne multe ŝanĝiĝas. Figuro 17 montras la radiokovertojn en la x kaj y direktoj, respektive. Videblas, ke la fluktuo de la radio en ambaŭ direktoj estas tre malgranda. Figuro 18 montras la simulajn rezultojn de la radiofluo. La rezultoj montras, ke la kurento estas ĉirkaŭ 2 × 80 mA, kio kongruas kun la kalkulita valoro en la elektronkanona dezajno.
Elektronfaska transversa sekco (kun fokusa sistemo) ĉe malsamaj pozicioj for de la katodo.
Konsiderante serion da problemoj kiel muntaj eraroj, tensiofluktuoj kaj ŝanĝoj en magneta kampa forto en praktikaj prilaboraj aplikoj, necesas analizi la sentemon de la fokusa sistemo. Ĉar ekzistas interspaco inter la anoda peco kaj la polusa peco en la fakta prilaborado, ĉi tiu interspaco devas esti agordita en la simulado. La interspaco estis agordita al 0.2 mm kaj Figuro 19a montras la radiokoverton kaj radiofluon en la y-direkto. Ĉi tiu rezulto montras, ke la ŝanĝo en la radiokoverto ne estas signifa kaj la radiofluo apenaŭ ŝanĝiĝas. Tial, la sistemo estas imuna al muntaj eraroj. Por la fluktuo de la pela tensio, la erarintervalo estas agordita al ±0.5 kV. Figuro 19b montras la komparajn rezultojn. Videblas, ke la tensioŝanĝo havas malmultan efikon sur la radiokoverton. La erarintervalo estas agordita de -0.02 ĝis +0.03 T por ŝanĝoj en magneta kampa forto. La komparaj rezultoj estas montritaj en Figuro 20. Videblas, ke la radiokoverto apenaŭ ŝanĝiĝas, kio signifas, ke la tuta EOS estas imuna al ŝanĝoj en la magneta kampa forto.
La koverto de la radio kaj la rezultoj de la kurento sub unuforma magneta fokusa sistemo. (a) La munta toleremo estas 0,2 mm. (b) La fluktuo de la pela tensio estas ±0,5 kV.
Radiokoverto sub unuforma magneta fokusa sistemo kun aksaj magnetkampaj fortfluktuoj intervalantaj de 0,63 ĝis 0,68 T.
Por certigi, ke la fokusa sistemo desegnita en ĉi tiu artikolo povas kongrui kun la alta ondoradia (HFS), necesas kombini la fokusan sistemon kaj la HFS por esplorado. Figuro 21 montras komparon de la radiokovertoj kun kaj sen ŝarĝita HFS. La rezultoj montras, ke la radiokoverto ne multe ŝanĝiĝas kiam la tuta HFS estas ŝarĝita. Tial, la fokusa sistemo taŭgas por la vojaĝanta onda tuba HFS de la supre menciita dezajno.
Por kontroli la ĝustecon de la EOS proponita en Sekcio III kaj esplori la funkciadon de la 220 GHz SDV-TWT, 3D-PIC-simulado de radio-onda interagado estas farita. Pro limigoj de la simulada programaro, ni ne povis aldoni la tutan EOS al HFS. Tial, la elektronkanono estis anstataŭigita per ekvivalenta elsendanta surfaco kun diametro de 0,13 mm kaj distanco inter la du surfacoj de 0,31 mm, la samaj parametroj kiel la elektronkanono desegnita supre. Pro la nesentemeco kaj bona stabileco de EOS, la stira tensio povas esti konvene optimumigita por atingi la plej bonan eliran potencon en la PIC-simulado. La simuladaj rezultoj montras, ke la saturita elira potenco kaj gajno povas esti akiritaj ĉe stira tensio de 20,6 kV, radiofluo de 2 × 80 mA (603 A/cm2), kaj enira potenco de 0,05 W.
Por atingi la plej bonan eliran signalon, la nombro da cikloj ankaŭ devas esti optimumigita. La plej bona elira potenco atingiĝas kiam la nombro de du ŝtupoj estas 42 + 48 cikloj, kiel montrite en Figuro 22a. Enira signalo de 0,05 W estas amplifikita ĝis 314 W kun gajno de 38 dB. La elira potencospektro akirita per Rapida Fourier-Transformo (FFT) estas pura, pintante je 220 GHz. Figuro 22b montras la aksan pozician distribuon de elektrona energio en la SWS, kie la plej multaj elektronoj perdas energion. Ĉi tiu rezulto indikas, ke la SDV-SWS povas konverti la kinetikan energion de elektronoj en RF-signalojn, tiel realigante signalan amplifikadon.
SDV-SWS-eliga signalo je 220 GHz. (a) Eliga potenco kun inkluzivita spektro. (b) Energidistribuo de elektronoj kun la elektronfasko ĉe la fino de la SWS-enmetita bildo.
Figuro 23 montras la bendlarĝon kaj gajnon de elira potenco de du-reĝima du-traba SDV-TWT. La elira rendimento povas esti plue plibonigita per balaado de frekvencoj de 200 ĝis 275 GHz kaj optimumigo de la stira tensio. Ĉi tiu rezulto montras, ke la 3-dB bendlarĝo povas kovri 205 ĝis 275 GHz, kio signifas, ke du-reĝima operacio povas multe plilarĝigi la funkcian bendlarĝon.
Tamen, laŭ Fig. 2a, ni scias, ke ekzistas haltbendo inter la para kaj nepara reĝimoj, kio povas konduki al nedezirataj osciloj. Tial, necesas studi la stabilecon de la laboro ĉirkaŭ la haltiloj. Figuroj 24a-c montras la 20-ns-simuladrezultojn je 265.3 GHz, 265.35 GHz kaj 265.4 GHz, respektive. Videblas, ke kvankam la simuladrezultoj havas kelkajn fluktuojn, la elira potenco estas relative stabila. La spektro estas ankaŭ montrita en Figuro 24 respektive, la spektro estas pura. Ĉi tiuj rezultoj indikas, ke ne ekzistas memoscilado proksime al la haltbendo.
Fabrikado kaj mezurado estas necesaj por kontroli la ĝustecon de la tuta altfrekvenca sistemo (HFS). En ĉi tiu parto, la HFS estas fabrikita per komputila numera kontrola (CNC) teknologio kun ildiametro de 0.1 mm kaj maŝinada precizeco de 10 μm. La materialo por la altfrekvenca strukturo estas provizita per oksigen-libera altkonduktiveca (OFHC) kupro. Figuro 25a montras la fabrikitan strukturon. La tuta strukturo havas longon de 66.00 mm, larĝon de 20.00 mm kaj alton de 8.66 mm. Ok stiftotruoj estas distribuitaj ĉirkaŭ la strukturo. Figuro 25b montras la strukturon per skana elektrona mikroskopio (SEM). La klingoj de ĉi tiu strukturo estas unuforme produktitaj kaj havas bonan surfacan malglatecon. Post preciza mezurado, la totala maŝinada eraro estas malpli ol 5%, kaj la surfaca malglateco estas ĉirkaŭ 0.4 μm. La maŝinada strukturo plenumas la dezajnajn kaj precizecajn postulojn.
Figuro 26 montras la komparon inter faktaj testrezultoj kaj simuladoj de transmisia rendimento. Pordo 1 kaj Pordo 2 en Figuro 26a respondas al la enigaj kaj eligaj pordoj de la HFS, respektive, kaj estas ekvivalentaj al Pordo 1 kaj Pordo 4 en Figuro 3. La faktaj mezurrezultoj de S11 estas iomete pli bonaj ol la simuladaj rezultoj. Samtempe, la mezuritaj rezultoj de S21 estas iomete pli malbonaj. La kialo povas esti, ke la materiala konduktiveco agordita en la simulado estas tro alta kaj la surfaca malglateco post fakta maŝinado estas malbona. Ĝenerale, la mezuritaj rezultoj bone kongruas kun la simuladaj rezultoj, kaj la transmisia bendlarĝo plenumas la postulon de 70 GHz, kio konfirmas la fareblecon kaj korektecon de la proponita du-reĝima SDV-TWT. Tial, kombinite kun la fakta fabrikada procezo kaj testrezultoj, la ultra-larĝbenda du-traba SDV-TWT-dezajno proponita en ĉi tiu artikolo povas esti uzata por posta fabrikado kaj aplikoj.
En ĉi tiu artikolo, detala dezajno de ebena distribua 220 GHz du-faska SDV-TWT estas prezentita. La kombinaĵo de du-reĝima operacio kaj du-faska ekscito plue pliigas la funkcian bendlarĝon kaj eliran potencon. La fabrikado kaj malvarma testo ankaŭ estas efektivigitaj por kontroli la ĝustecon de la tuta HFS. La faktaj mezurrezultoj bone kongruas kun la simuladrezultoj. Por la desegnita du-faska EOS, maska ​​sekcio kaj kontrolaj elektrodoj estis uzitaj kune por produkti du-krajonan faskon. Sub la desegnita unuforma fokusa magneta kampo, la elektrona fasko povas esti stabile transdonita trans longajn distancojn kun bona formo. Estonte, la produktado kaj testado de EOS estos efektivigitaj, kaj la termika testo de la tuta TWT ankaŭ estos efektivigita. Ĉi tiu SDV-TWT-dezajna skemo proponita en ĉi tiu artikolo plene kombinas la nunan maturan ebenan prilaboran teknologion, kaj montras grandan potencialon en rendimentaj indikiloj kaj prilaborado kaj muntado. Tial, ĉi tiu artikolo kredas, ke la ebena strukturo plej verŝajne fariĝos la evolua tendenco de vakuaj elektronikaj aparatoj en la teraherca bendo.
La plej multaj el la krudaj datumoj kaj analizaj modeloj en ĉi tiu studo estas inkluzivitaj en ĉi tiu artikolo. Pliajn koncernajn informojn oni povas ricevi de la korespondanta aŭtoro laŭ racia peto.
Gamzina, D. et al. Nanoskala CNC-maŝinado de sub-terahercaj vakuaj elektronikaĵoj. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. kaj Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikado de sub-terahercaj ondgvidiloj uzante plurtavolan SU-8 fotoreziston. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS kaj aliaj. 2017 THz-teknologia vojmapo. J. Fiziko. D por apliki. fiziko. 50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Forta limigo de plasmona ondodisvastiĝo per ultra-larĝbendaj ŝanceligitaj duoble-kradaj ondogvidiloj.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Elfaro de Nano-CNC-maŝinita 220-GHz vojaĝanta onda tubamplifilo. IEEE Trans. elektronikaj aparatoj. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Esplorante diokotronan malstabilecon de senlime larĝaj lamenaj elektronfaskoj uzante makroskopan malvarmfluidan modelteorion. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV pri la ŝanco pliigi bendolarĝon per la ebena aranĝo de la trabo en plurtraba klistron. En 12-a IEEE Internacia Konferenco pri Vakua Elektroniko, Bengaluro, Barato, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Dezajno de tri-faskaj elektronkanonoj kun mallarĝa faska disiga ebena distribuo en W-benda ŝancelita duobla-klinga vojaĝanta ondotubo [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 Planara distribuita tri-faska elektrona optika sistemo kun mallarĝa faska apartigo por W-benda fundamenta reĝimo TWT. IEEE Trans.electronic devices. 68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Esploro pri Interplektita Duobla-Klinga Vojaĝanta Ondotubo kun Milimetraj Ondoformaj Foliaj Traboj 20-22 (PhD, Universitato Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studo pri stabileco de interagado inter radioj kaj ondoj de G-benda interplektita duklinga vojaĝanta ondotubo. 2018 43-a Internacia Konferenco pri Infraruĝaj Milimetraj kaj Terahercaj Ondoj, Nagojo. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).