Eskerrik asko Nature.com webgunea bisitatzeagatik. Erabiltzen ari zaren arakatzailearen bertsioak CSSrako laguntza mugatua du. Esperientzia onena lortzeko, arakatzaile eguneratua erabiltzea gomendatzen dizugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desaktibatzea). Bitartean, laguntza jarraitua bermatzeko, gunea estilorik eta JavaScriptik gabe erakutsiko dugu.
Artikulu honetan, 220 GHz-ko banda zabaleko potentzia handiko bi palako uhin-hodi bidaiari tartekatu bat diseinatu eta egiaztatu da. Lehenik eta behin, bi palako uhin moteleko egitura planar bat proposatzen da. Modu bikoitzeko funtzionamendu-eskema bat erabiliz, transmisio-errendimendua eta banda-zabalera modu bakarrekoak baino ia bikoitzak dira. Bigarrenik, irteera-potentzia handiko eskakizunak betetzeko eta uhin-hodi bidaiariaren egonkortasuna hobetzeko, arkatz itxurako sistema optiko elektroniko bikoitz bat diseinatu da, gidatzeko tentsioa 20 ~ 21 kV da eta korrontea 2 × 80 mA. Diseinu-helburuak. Maskara-zatia eta kontrol-elektrodoa bi palako pistolan erabiliz, bi arkatz-izpiak dagokien zentroetan fokatu daitezke 7ko konpresio-erlazioarekin, fokatze-distantzia 0,18 mm ingurukoa da eta egonkortasuna ona da. Fokatze magnetiko uniformeko sistema ere optimizatu da. Elektroi-izpi bikoitz planar baten transmisio-distantzia egonkorra 45 mm-ra irits daiteke eta fokatze-eremu magnetikoa 0,6 T da, eta hori nahikoa da maiztasun handiko sistema (HFS) osoa estaltzeko. Ondoren, egiaztatzeko... Sistema elektroniko-optikoaren erabilgarritasuna eta uhin moteleko egituraren errendimendua aztertuta, partikula-zelulen (PIC) simulazioak ere egin ziren HFS osoan. Emaitzek erakusten dute habe-elkarrekintza sistemak ia 310 W-ko irteera-potentzia maximoa lor dezakeela 220 GHz-tan, habe-tentsio optimizatua 20,6 kV dela, habe-korrontea 2 × 80 mA dela, irabazia 38 dB dela eta 3 dB-ko banda-zabalera 35 dB baino handiagoa dela 70 GHz inguruan. Azkenik, mikroegituren fabrikazio zehatza egin da HFS-aren errendimendua egiaztatzeko, eta emaitzek erakusten dute banda-zabalera eta transmisio-ezaugarriak simulazioaren emaitzekin bat datozela. Beraz, artikulu honetan proposatutako eskemak potentzia handiko banda ultrazabaleko terahertz-bandako erradiazio-iturriak garatzea espero da, etorkizuneko aplikazioetarako potentziala dutenak.
Hutsean erabiltzen den gailu elektroniko tradizional gisa, uhin bidaiarien hodiak (TWT) ezinbesteko zeregina betetzen du aplikazio askotan, hala nola bereizmen handiko radarrean, satelite bidezko komunikazio sistemetan eta espazioaren esplorazioan1,2,3. Hala ere, funtzionamendu-maiztasuna terahertz bandan sartzen den heinean, ohiko barrunbe akoplatuko TWT eta TWT helikoidalek ezin izan dituzte jendearen beharrak ase, irteera-potentzia nahiko baxua, banda-zabalera estua eta fabrikazio-prozesu zailak direla eta. Beraz, THz bandaren errendimendua nola hobetu oso kezkagarria bihurtu da ikerketa zientifikoko erakunde askorentzat. Azken urteotan, uhin moteleko egitura berritzaileek (SWS), hala nola pala bikoitzeko egitura mailakatuek (SDV) eta uhin-gida tolestuek (FW) arreta handia jaso dute beren egitura planar naturalengatik, batez ere potentzial itxaropentsua duten SDV-SWS berriek. Egitura hau UC-Davisek proposatu zuen 2008an4. Egitura planarra erraz fabrikatu daiteke mikro-nano prozesatzeko tekniken bidez, hala nola ordenagailu bidezko zenbakizko kontrolarekin (CNC) eta UV-LIGA, eta metalezko pakete-egiturak ahalmen termiko handiagoa eman dezake, handiagoarekin. irteerako potentzia eta irabazia, eta uhin-gidaren antzeko egiturak lan-banda-zabalera zabalagoa ere eman dezake. Gaur egun, UC Davisek 2017an lehen aldiz frogatu zuen SDV-TWT-k 100 W-tik gorako potentzia handiko irteerak eta ia 14 GHz-ko banda-zabalerako seinaleak sor ditzakeela G-bandan5. Hala ere, emaitza hauek oraindik hutsuneak dituzte, eta horiek ezin dituzte bete terahertz bandako potentzia handiko eta banda-zabalera zabaleko eskakizunak. UC-Davisen G-bandako SDV-TWTrako, xafla-elektroi-sortak erabili dira. Eskema honek izpiaren korronte-garraioaren ahalmena nabarmen hobetu dezakeen arren, zaila da transmisio-distantzia luzea mantentzea xafla-izpiaren elektroi-sistema optikoaren (EOS) ezegonkortasunagatik, eta gain-moduko izpi-tunel bat dago, eta horrek izpia autoerregulatzea ere eragin dezake. – Kirtzikapena eta oszilazioa 6,7. THz TWT-ren irteera-potentzia handiaren, banda-zabalera zabalaren eta egonkortasun onaren eskakizunak betetzeko, artikulu honetan funtzionamendu bikoitzeko SDV-SWS bikoitzeko habe bat proposatzen da. Hau da, funtzionamendu-banda-zabalera handitzeko, funtzionamendu bikoitza proposatzen da eta egitura honetan sartzen da. Eta, irteera-potentzia handitzeko, arkatz-habe bikoitzen banaketa planarra ere erabiltzen da. Arkatz-habe bakarreko irratiak nahiko txikiak dira tamaina bertikalaren mugak direla eta. Korronte-dentsitatea altuegia bada, habe-korrontea murriztu behar da, eta horrek irteera-potentzia nahiko baxua sortzen du. Habe-korrontea hobetzeko, EOS multi-habe planar banatua sortu da, SWS-ren tamaina laterala ustiatzen duena. Habe-tunel independenteari esker, habe anitzeko banatu planarrak irteera-potentzia handia lor dezake habe-korronte oso altua eta habe bakoitzeko korronte txikia mantenduz, eta horrek gainmoduko habe-tunelazioa saihestu dezake xafla-habe gailuekin alderatuta. Beraz, onuragarria da uhin-hodi bidaiariaren egonkortasuna mantentzea. Aurreko lanetan oinarrituta8,9, artikulu honek G bandako eremu magnetiko uniforme bat proposatzen du. EOS arkatz bikoitzeko izpi fokatzailea, izpiaren transmisio-distantzia egonkorra asko hobetu eta izpiaren interakzio-eremua are gehiago handitu dezakeena, horrela irteera-potentzia asko hobetuz.
Artikulu honen egitura honako hau da. Lehenik, SWS zelularen diseinua deskribatzen da parametroekin, dispertsio-ezaugarrien analisiarekin eta maiztasun handiko simulazio-emaitzekin. Ondoren, unitate-zelularen egituraren arabera, EOS bikoitzeko habe bat eta habe-elkarrekintza sistema bat diseinatzen dira artikulu honetan. Zelula barruko partikulen simulazio-emaitzak ere aurkezten dira EOSen erabilgarritasuna eta SDV-TWTen errendimendua egiaztatzeko. Horrez gain, artikuluak fabrikazio- eta hotz-proben emaitzak labur aurkezten ditu HFS osoaren zuzentasuna egiaztatzeko. Azkenik, laburpen bat egin.
TWT-ren osagai garrantzitsuenetako bat den heinean, uhin moteleko egituraren propietate dispersiboek adierazten dute elektroiaren abiadura SWS-ren fase-abiadurarekin bat datorren ala ez, eta, beraz, eragin handia du izpi-uhinen interakzioan. TWT osoaren errendimendua hobetzeko, interakzio-egitura hobetu bat diseinatu da. Unitate-zelularen egitura 1. irudian ageri da. Xafla-izpiaren ezegonkortasuna eta boligrafo-izpi bakarraren potentzia-muga kontuan hartuta, egiturak boligrafo-izpi bikoitza hartzen du irteera-potentzia eta funtzionamendu-egonkortasuna are gehiago hobetzeko. Bitartean, lan-banda-zabalera handitzeko, modu bikoitz bat proposatu da SWS funtzionatzeko. SDV egituraren simetria dela eta, eremu elektromagnetikoaren dispertsio-ekuazioaren soluzioa modu bakoitietan eta bikoitietan bana daiteke. Aldi berean, maiztasun baxuko bandaren oinarrizko modu bakoitia eta maiztasun handiko bandaren oinarrizko modu bikoitia erabiltzen dira izpien interakzioaren banda zabaleko sinkronizazioa lortzeko, eta horrela lan-banda-zabalera are gehiago hobetzen da.
Potentzia-eskakizunen arabera, hodi osoa 20 kV-ko tentsio eragilearekin eta 2 × 80 mA-ko habe bikoitzeko korrontearekin diseinatuta dago. Tentsioa SDV-SWS-ren funtzionamendu-bandarekin ahalik eta gehien egokitzeko, p periodoaren luzera kalkulatu behar dugu. Habe-tentsioaren eta periodoaren arteko erlazioa (1)10 ekuazioan ageri da:
220 GHz-ko erdiko maiztasunean fase-desplazamendua 2,5π-ra ezarriz, p periodoa 0,46 mm-koa dela kalkula daiteke. 2a irudiak SWS unitate-zelularen dispertsio-propietateak erakusten ditu. 20 kV-ko izpi-lerroak oso ondo bat egiten du kurba bimodalarekin. Bat datozen maiztasun-bandek 70 GHz inguru irits daitezke 210–265,3 GHz (modu bakoitia) eta 265,4–280 GHz (modu bikoitia) tarteetan. 2b irudiak batez besteko akoplamendu-inpedantziaren irudia erakusten du, 0,6 Ω baino handiagoa dena 210etik 290 GHz-ra, eta horrek adierazten du elkarrekintza sendoak gerta daitezkeela funtzionamendu-banda-zabaleran.
(a) 20 kV-ko elektroi-izpi-lerro batekin SDV-SWS modu bikoitzeko baten dispertsio-ezaugarriak. (b) SDV uhin moteleko zirkuituaren interakzio-inpedantzia.
Hala ere, garrantzitsua da kontuan izatea modu bakoiti eta bikoiti artean banda-tarte bat dagoela, eta normalean banda-tarte horri gelditze-banda deitzen diogu, 2a irudian erakusten den bezala. TWT-a maiztasun-banda honen ondoan funtzionatzen badu, habe-akoplamendu-indar handia gerta daiteke, eta horrek nahi gabeko oszilazioak eragingo ditu. Aplikazio praktikoetan, oro har, saihesten dugu TWT-a gelditze-bandaren ondoan erabiltzea. Hala ere, ikus daiteke uhin moteleko egitura honen banda-tartea 0,1 GHz-koa baino ez dela. Zaila da zehaztea banda-tarte txiki honek oszilazioak eragiten dituen ala ez. Beraz, gelditze-bandaren inguruko funtzionamenduaren egonkortasuna ikertuko da hurrengo PIC simulazio-atalean, nahi gabeko oszilazioak gerta daitezkeen aztertzeko.
HFS osoaren eredua 3. irudian ageri da. SDV-SWS bi etapaz osatuta dago, Bragg islatzaileekin konektatuta. Islatzailearen funtzioa bi etapen arteko seinaleen transmisioa moztea da, goiko eta beheko palen artean sortutako goi-ordenako moduen moduen oszilazioa eta islapena kentzea, horrela hodi osoaren egonkortasuna asko hobetuz. Kanpoko ingurunera konektatzeko, akoplagailu koniko lineal bat ere erabiltzen da SWS WR-4 uhin-gida estandar batera konektatzeko. Bi mailako egituraren transmisio-koefizientea denbora-domeinuko ebazle batekin neurtzen da 3D simulazio softwarean. Terahertz bandak materialean duen benetako eragina kontuan hartuta, huts-gutunazalaren materiala hasieran kobrea da, eta eroankortasuna 2,25 × 107 S/m12-ra murrizten da.
4. irudiak HFSren transmisio-emaitzak erakusten ditu, akoplagailu koniko linealekin eta gabe. Emaitzek erakusten dute akoplagailuak eragin txikia duela HFS osoaren transmisio-errendimenduan. Sistema osoaren itzulera-galerak (S11 < − 10 dB) eta txertatze-galerak (S21 > − 5 dB) 207~280 GHz-ko banda zabalean erakusten dute HFS-k transmisio-ezaugarri onak dituela.
Hutsean dauden gailu elektronikoen elikatze-iturri gisa, elektroi-kanoiak zuzenean zehazten du gailuak irteera-potentzia nahikoa sor dezakeen ala ez. II. ataleko HFS-ren analisiarekin konbinatuta, izpi bikoitzeko EOS bat diseinatu behar da potentzia nahikoa emateko. Atal honetan, W-banda8,9-n egindako aurreko lanean oinarrituta, arkatz bikoitzeko elektroi-kanoi bat diseinatzen da maskara planar bat eta kontrol-elektrodoak erabiliz. Lehenik eta behin, SWS-ren diseinu-eskakizunen arabera. IRUDIAN erakusten den bezala. 2, elektroi-sorten Ua bultzada-tentsioa hasieran 20 kV-tan ezartzen da, bi elektroi-sorten I korronteak 80 mA-koak dira, eta elektroi-sorten dw habe-diametroa 0,13 mm-koa da. Aldi berean, elektroi-sortaren eta katodoaren korronte-dentsitatea lortu ahal izateko, elektroi-sortaren konpresio-erlazioa 7-tan ezartzen da, beraz, elektroi-sortaren korronte-dentsitatea 603 A/cm2 da, eta katodoaren korronte-dentsitatea 86 A/cm2, eta hori lor daiteke Hau katodo-material berriak erabiliz lortzen da. 14, 15, 16, 17 diseinu-teoriaren arabera, Pierce elektroi-kanoi tipiko bat modu bakarrean identifikatu daiteke.
5. irudiak kanoiaren diagrama eskematiko horizontalak eta bertikalak erakusten ditu, hurrenez hurren. Ikus daiteke elektroi-kanoiaren profila x norabidean xafla itxurako elektroi-kanoi tipiko baten profilaren ia berdina dela, y norabidean, berriz, bi elektroi-sortak maskarak partzialki bereizita daudela. Bi katodoen posizioak x = – 0,155 mm, y = 0 mm eta x = 0,155 mm, y = 0 mm dira, hurrenez hurren. Konpresio-erlazioaren eta elektroi-injekzio-tamainaren diseinu-eskakizunen arabera, bi katodoen gainazalen neurriak 0,91 mm × 0,13 mm-koak direla zehaztu da.
Elektroi-sorta bakoitzak x norabidean jasotzen duen eremu elektriko fokatua bere zentroarekiko simetrikoa izan dadin, artikulu honek kontrol-elektrodo bat aplikatzen dio elektroi-kanoiari. Fokatze-elektrodoaren eta kontrol-elektrodoaren tentsioa -20 kV-tan eta anodoaren tentsioa 0 V-tan ezarriz, izpi bikoitzeko kanoiaren ibilbide-banaketa lor dezakegu, 6. irudian erakusten den bezala. Ikus daiteke igorritako elektroiek konprimagarritasun ona dutela y norabidean, eta elektroi-sorta bakoitza x norabiderantz konbergitzen dela bere simetria-zentroan zehar, eta horrek adierazten du kontrol-elektrodoak fokatze-elektrodoak sortutako eremu elektriko desberdina orekatzen duela.
7. irudiak x eta y norabideetako habe-biltzailea erakusten du. Emaitzek erakusten dute elektroi-habearen proiekzio-distantzia x norabidean y norabidean dagoenaren desberdina dela. Jaurtiketa-distantzia x norabidean 4 mm ingurukoa da, eta y norabidean, berriz, 7 mm ingurukoa. Beraz, benetako jaurtiketa-distantzia 4 eta 7 mm artean aukeratu behar da. 8. irudiak elektroi-habearen zeharkako sekzioa erakusten du katodoaren gainazaletik 4,6 mm-ra. Ikus dezakegu zeharkako sekzioaren forma elektroi-habe zirkular estandar baten antzekoena dela. Bi elektroi-habeen arteko distantzia diseinatutako 0,31 mm-tik gertu dago, eta erradioa 0,13 mm ingurukoa da, eta horrek diseinu-eskakizunak betetzen ditu. 9. irudiak habe-korrontearen simulazio-emaitzak erakusten ditu. Ikus daiteke bi habe-korronteak 76 mA direla, eta hori bat dator diseinatutako 80 mA-rekin.
Aplikazio praktikoetan gidatzeko tentsioaren gorabeherak kontuan hartuta, beharrezkoa da modelo honen tentsio-sentsibilitatea aztertzea. 19,8 ~ 20,6 kV-ko tentsio-tartean, korronte- eta habe-korronte-inguratzaileak lortzen dira, 1. irudian eta 1.10 eta 11. irudietan erakusten den bezala. Emaitzetatik, ikus daiteke gidatzeko tentsioaren aldaketak ez duela eraginik elektroi-habearen inguratzailean, eta elektroi-habearen korrontea 0,74 A-tik 0,78 A-ra bakarrik aldatzen dela. Beraz, kontsidera daiteke artikulu honetan diseinatutako elektroi-kanoak tentsioarekiko sentikortasun ona duela.
Gidatzeko tentsioaren gorabeheren eragina x eta y norabideko habe-inguratzaileetan.
Fokatze-eremu magnetiko uniformea ​​fokatze-sistema iraunkor arrunta da iman bidez. Eremu magnetiko uniformea ​​habe-kanal osoan zehar banatzen denez, oso egokia da elektroi-sorta axial simetrikoetarako. Atal honetan, arkatz-sorta bikoitzen distantzia luzeko transmisioa mantentzeko fokatze-sistema magnetiko uniforme bat proposatzen da. Sortutako eremu magnetikoa eta habe-azalera aztertuz, fokatze-sistemaren diseinu-eskema proposatzen da eta sentikortasun-arazoa aztertzen da. Arkatz-sorta bakar baten transmisio-teoria egonkorraren arabera18,19, Brillouin eremu magnetikoaren balioa (2) ekuazioaren bidez kalkula daiteke. Lan honetan, baliokidetasun hau ere erabiltzen dugu alboetan banatutako arkatz-sorta bikoitz baten eremu magnetikoa kalkulatzeko. Lan honetan diseinatutako elektroi-kanoiarekin konbinatuta, kalkulatutako eremu magnetikoaren balioa 4000 Gs ingurukoa da. 20. erreferentziaren arabera, kalkulatutako balioaren 1,5-2 aldiz aukeratzen da normalean diseinu praktikoetan.
12. irudiak eremu magnetiko uniforme baten fokatze-eremu sistema baten egitura erakusten du. Zati urdina ardatz-norabidean magnetizatutako iman iraunkorra da. Materialaren hautaketa NdFeB edo FeCoNi da. Simulazio-ereduan ezarritako Br erremanentzia 1,3 T da eta iragazkortasuna 1,05. Izpiaren transmisio egonkorra zirkuitu osoan bermatzeko, imanaren luzera hasieran 70 mm-tan ezartzen da. Gainera, imanaren tamaina x norabidean zehazten du habe-kanaleko zeharkako eremu magnetikoa uniformea ​​den ala ez, eta horrek eskatzen du x norabideko tamaina ezin dela txikiegia izan. Aldi berean, hodi osoaren kostua eta pisua kontuan hartuta, imanaren tamaina ez da handiegia izan behar. Beraz, imanak hasieran 150 mm × 150 mm × 70 mm-tan ezartzen dira. Bitartean, uhin moteleko zirkuitu osoa fokatze-sisteman jar daitekeela ziurtatzeko, imanen arteko distantzia 20 mm-tan ezartzen da.
2015ean, Purna Chandra Panda21-ek fokatze-sistema magnetiko uniforme batean zulo mailakatu berri bat duen polo-pieza bat proposatu zuen, eta horrek katodora doan fluxu-ihesaren magnitudea eta polo-piezako zuloan sortutako zeharkako eremu magnetikoa are gehiago murriztu ditzake. Lan honetan, fokatze-sistemaren polo-piezari egitura mailakatu bat gehitzen diogu. Polo-pieza hasieran 1,5 mm-koa da, hiru urratsen altuera eta zabalera 0,5 mm-koak dira, eta polo-piezako zuloen arteko distantzia 2 mm-koa da, 13. irudian erakusten den bezala.
14a irudiak bi elektroi-sorten erdiko lerroetan zehar eremu magnetikoaren banaketa axiala erakusten du. Ikus daiteke bi elektroi-sorten zehar eremu magnetikoaren indarrak berdinak direla. Eremu magnetikoaren balioa 6000 Gs ingurukoa da, hau da, Brillouin eremu teorikoa baino 1,5 aldiz handiagoa, transmisio- eta fokatze-errendimendua handitzeko. Aldi berean, katodoko eremu magnetikoa ia 0 da, eta horrek adierazten du polo-zatiak eragin ona duela fluxu magnetikoaren ihesa saihesteko. 14b irudiak By-ren zeharkako eremu magnetikoaren banaketa erakusten du z norabidean bi elektroi-sorten goiko ertzean. Ikus daiteke zeharkako eremu magnetikoa 200 Gs baino txikiagoa dela polo-zatiaren zuloan bakarrik, uhin moteleko zirkuituan, zeharkako eremu magnetikoa ia zero den bitartean, eta horrek frogatzen du zeharkako eremu magnetikoak elektroi-sortan duen eragina hutsala dela. Polo-zatien saturazio magnetikoa saihesteko, polo-zatien barruko eremu magnetikoaren indarra aztertu behar da. 14c irudiak polo-zatiaren barruko eremu magnetikoaren banaketaren balio absolutua erakusten du. Ikus daiteke eremu magnetikoaren indarraren balio absolutua dela 1,2T baino gutxiago, eta horrek adierazten du polo-piezaren saturazio magnetikoa ez dela gertatuko.
Br = 1.3 T-rako eremu magnetikoaren intentsitatearen banaketa.(a) Eremu axialaren banaketa.(b) By eremu lateralaren banaketa z norabidean.(c) Eremu-banaketaren balio absolutua polo-piezan.
CST PS moduluan oinarrituta, izpi bikoitzeko pistolaren eta fokatze-sistemaren ardatz-posizio erlatiboa optimizatuta dago. 9. erreferentziaren eta simulazioen arabera, kokapen optimoa anodo-zatiak polo-zatiaren gainean gainjartzen den tokia da, imanetik urrun. Hala ere, ikusi zen remanentzia 1,3T-tan ezarrita bazegoen, elektroi-izpiaren transmitantzia ezin zela % 99ra iritsi. Remanentzia 1,4 T-ra handituz, fokatze-eremu magnetikoa 6500 Gs-ra igoko da. Xoz eta yoz planoetako izpi-ibilbideak 15. irudian ageri dira. Ikus daiteke izpiak transmisio ona duela, gorabehera txikiak eta 45 mm-tik gorako transmisio-distantzia duela.
Br = 1.4 T sistema magnetiko homogeneo baten pean dauden habe bikoitzen ibilbideak.(a) xoz planoa.(b) yoz hegazkina.
16. irudiak habearen zeharkako sekzioa erakusten du katodotik urrun dauden posizio desberdinetan. Ikus daiteke fokatze-sisteman habe-sekzioaren forma ondo mantentzen dela, eta sekzioaren diametroa ez dela asko aldatzen. 17. irudiak habe-biltzaileak erakusten ditu x eta y norabideetan, hurrenez hurren. Ikus daiteke habearen gorabehera oso txikia dela bi norabideetan. 18. irudiak habe-korrontearen simulazio-emaitzak erakusten ditu. Emaitzek erakusten dute korrontea 2 × 80 mA ingurukoa dela, eta hori bat dator elektroi-kanoiaren diseinuan kalkulatutako balioarekin.
Elektroi-sortaren zeharkako sekzioa (fokatze-sistemarekin) katodotik urrun dauden posizio desberdinetan.
Muntaketa-erroreak, tentsio-gorabeherak eta eremu magnetikoaren indarraren aldaketak bezalako arazo sorta bat kontuan hartuta, prozesatzeko aplikazio praktikoetan, fokatze-sistemaren sentikortasuna aztertzea beharrezkoa da. Benetako prozesamenduan anodo-zatiaren eta polo-zatiaren artean tarte bat dagoenez, tarte hori simulazioan ezarri behar da. Tartearen balioa 0,2 mm-tan ezarri zen eta 19a irudiak habe-gutuna eta habe-korrontea erakusten ditu y norabidean. Emaitza honek erakusten du habe-gutunaren aldaketa ez dela esanguratsua eta habe-korrontea ia ez dela aldatzen. Beraz, sistema ez da sentikorra muntaketa-erroreekiko. Gidatze-tentsioaren gorabeherarako, errore-tartea ±0,5 kV-tan ezarri da. 19b irudiak konparazio-emaitzak erakusten ditu. Ikus daiteke tentsio-aldaketak eragin txikia duela habe-gutunaren gainean. Errore-tartea -0,02tik +0,03 T-ra ezarri da eremu magnetikoaren indarraren aldaketetarako. Konparazio-emaitzak 20. irudian erakusten dira. Ikus daiteke habe-gutuna ia ez dela aldatzen, eta horrek esan nahi du EOS osoa ez dela sentikorra eremu magnetikoaren indarraren aldaketekiko.
Izpi-biltzailea eta korrontearen emaitzak fokatze magnetiko uniformeko sistema baten pean. (a) Muntaketa-tolerantzia 0,2 mm-koa da. (b) Bultzada-tentsioaren gorabehera ±0,5 kV-koa da.
0,63 eta 0,68 T arteko eremu magnetiko axialaren intentsitatearen gorabeherak dituen fokatze-sistema magnetiko uniforme baten pean dagoen habe-biltzailea.
Artikulu honetan diseinatutako fokatze-sistema HFS-rekin bat etor dadin, beharrezkoa da fokatze-sistema eta HFS konbinatzea ikerketarako. 21. irudiak HFS kargatuta duten eta ez duten habe-biltzaileen konparaketa erakusten du. Emaitzek erakusten dute habe-biltzailea ez dela asko aldatzen HFS osoa kargatuta dagoenean. Beraz, fokatze-sistema egokia da goiko diseinuko uhin-hodi bidaiari HFSrako.
III. atalean proposatutako EOSaren zuzentasuna egiaztatzeko eta 220 GHz-ko SDV-TWTaren errendimendua ikertzeko, izpi-uhinen arteko elkarrekintzaren 3D-PIC simulazio bat egin da. Simulazio softwarearen mugak direla eta, ezin izan dugu EOS osoa HFS-ra gehitu. Beraz, elektroi-kanoia 0,13 mm-ko diametroa eta bi gainazalen arteko 0,31 mm-ko distantzia duen igorle-gainazal baliokide batekin ordezkatu da, goian diseinatutako elektroi-kanoiaren parametro berberekin. EOSaren sentikortasun eza eta egonkortasun ona direla eta, gidatzeko tentsioa behar bezala optimiza daiteke PIC simulazioan irteera-potentzia onena lortzeko. Simulazio-emaitzek erakusten dute irteera-potentzia saturatua eta irabazia 20,6 kV-ko gidatzeko tentsioan, 2 × 80 mA-ko (603 A/cm2) habe-korrontean eta 0,05 W-ko sarrera-potentzian lor daitezkeela.
Irteerako seinale onena lortzeko, ziklo kopurua ere optimizatu behar da. Irteerako potentzia onena bi etapa kopurua 42 + 48 ziklo denean lortzen da, 22a irudian erakusten den bezala. 0,05 W-ko sarrera-seinalea 314 W-ra anplifikatzen da, 38 dB-ko irabaziarekin. Fourier Transformatu Azkarraren (FFT) bidez lortutako irteera-potentziaren espektroa purua da, 220 GHz-tan gailurra hartuz. 22b irudiak SWS-ko elektroi-energiaren ardatz-posizio banaketa erakusten du, elektroi gehienek energia galtzen dutelarik. Emaitza honek adierazten du SDV-SWS-k elektroien energia zinetikoa RF seinale bihur dezakeela, eta horrela seinalearen anplifikazioa lortuz.
SDV-SWS irteerako seinalea 220 GHz-tan. (a) Irteerako potentzia espektro barnearekin. (b) Elektroien energia banaketa SWS txertaketaren amaieran dagoen elektroi-sortarekin.
23. irudiak SDV-TWT bikoitzeko moduko izpi bikoitzeko baten irteerako potentziaren banda-zabalera eta irabazia erakusten ditu. Irteerako errendimendua are gehiago hobetu daiteke maiztasunak 200 GHz-tik 275 GHz-ra zabalduz eta gidatzeko tentsioa optimizatuz. Emaitza honek erakusten du 3 dB-ko banda-zabalerak 205 eta 275 GHz artean estali dezakeela, eta horrek esan nahi du modu bikoitzeko funtzionamenduak funtzionamendu-banda-zabalera asko zabaldu dezakeela.
Hala ere, 2a irudiaren arabera, badakigu modu bakoiti eta bikoiti artean geldialdi-banda bat dagoela, eta horrek nahi gabeko oszilazioak sor ditzakeela. Beraz, geldialdien inguruko lan-egonkortasuna aztertu behar da. 24a-c irudiak 20 ns-ko simulazio-emaitzak dira, hurrenez hurren, 265,3 GHz, 265,35 GHz eta 265,4 GHz-tan. Ikus daiteke simulazio-emaitzek gorabehera batzuk badituzte ere, irteerako potentzia nahiko egonkorra dela. Espektroa 24. irudian ere erakusten da, hurrenez hurren, espektro purua da. Emaitza hauek adierazten dute ez dagoela auto-oszilaziorik geldialdi-bandaren ondoan.
Fabrikazioa eta neurketa beharrezkoak dira HFS osoaren zuzentasuna egiaztatzeko. Zati honetan, HFSa ordenagailu bidezko kontrol numerikoaren (CNC) teknologia erabiliz fabrikatzen da, 0,1 mm-ko erremintaren diametroarekin eta 10 μm-ko mekanizazio zehaztasunarekin. Maiztasun handiko egituraren materiala oxigenorik gabeko eroankortasun handiko (OFHC) kobrea da. 25a irudiak fabrikatutako egitura erakusten du. Egitura osoak 66,00 mm-ko luzera, 20,00 mm-ko zabalera eta 8,66 mm-ko altuera ditu. Zortzi pin zulo daude egituraren inguruan banatuta. 25b irudiak eskaneatze mikroskopia elektronikoaren (SEM) bidezko egitura erakusten du. Egitura honen palak modu uniformean ekoizten dira eta gainazaleko zimurtasun ona dute. Neurketa zehatza egin ondoren, mekanizazio errore orokorra % 5 baino txikiagoa da, eta gainazaleko zimurtasuna 0,4 μm ingurukoa da. Mekanizazio egiturak diseinu eta zehaztasun eskakizunak betetzen ditu.
26. irudiak benetako proben emaitzen eta transmisio-errendimenduaren simulazioen arteko konparaketa erakusten du. 26a irudiko 1. eta 2. ataka HFS-ren sarrera eta irteera atakei dagozkie, hurrenez hurren, eta 3. irudiko 1. eta 4. ataken baliokideak dira. S11-ren benetako neurketa-emaitzak simulazio-emaitzak baino zertxobait hobeak dira. Aldi berean, S21-ren neurtutako emaitzak zertxobait okerragoak dira. Arrazoia izan daiteke simulazioan ezarritako materialaren eroankortasuna altuegia izatea eta benetako mekanizazioaren ondoren gainazalaren zimurtasuna eskasa izatea. Oro har, neurtutako emaitzak simulazio-emaitzekin bat datoz, eta transmisio-banda-zabalerak 70 GHz-ko eskakizuna betetzen du, eta horrek proposatutako SDV-TWT bikoitzeko moduaren bideragarritasuna eta zuzentasuna egiaztatzen ditu. Beraz, benetako fabrikazio-prozesuarekin eta proben emaitzekin konbinatuta, artikulu honetan proposatutako ultra-banda zabaleko habe bikoitzeko SDV-TWT diseinua ondorengo fabrikazio eta aplikazioetarako erabil daiteke.
Artikulu honetan, 220 GHz-ko banaketa planarreko SDV-TWT bikoitzeko habe baten diseinu zehatza aurkezten da. Funtzionamendu bikoitzaren eta bikoitzeko habe-kitzikapenaren konbinazioak funtzionamendu-banda-zabalera eta irteera-potentzia areagotzen ditu. Fabrikazioa eta proba hotza ere egiten dira HFS osoaren zuzentasuna egiaztatzeko. Benetako neurketaren emaitzak simulazio-emaitzekin bat datoz. Diseinatutako bi habeko EOSrako, maskara-atal bat eta kontrol-elektrodoak erabili dira elkarrekin bi arkatzezko habe bat sortzeko. Diseinatutako fokatze-eremu magnetiko uniformearen pean, elektroi-sorta distantzia luzeetan egonkor transmititu daiteke forma onarekin. Etorkizunean, EOSen ekoizpena eta probak egingo dira, eta TWT osoaren proba termikoa ere egingo da. Artikulu honetan proposatutako SDV-TWT diseinu-eskema honek egungo plano-prozesatzeko teknologia heldua guztiz konbinatzen du, eta potentzial handia erakusten du errendimendu-adierazleetan eta prozesamenduan eta muntaketan. Beraz, artikulu honek uste du egitura planarra dela hutseko gailu elektronikoen garapen-joera izateko aukera gehien duena terahertz bandan.
Ikerketa honetako datu gordin eta eredu analitiko gehienak artikulu honetan sartu dira. Informazio gehiago dagokion egilearengandik lor daiteke, arrazoizko eskaera eginez gero.
Gamzina, D. et al. Terahertz azpiko huts-elektronikaren CNC mekanizazio nanoeskala. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. eta Paoloni, C. UV-LIGA bidezko mikrofabrikazioa terahertz azpiko uhin-gidak erabiliz, SU-8 fotoerresistentea erabiliz. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 THz teknologiaren bide-orria. J. Physics. Aplikatzeko D. physics. 50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR eta Luhmann, NC Uhin plasmonikoaren hedapenaren konfinamendu sendoa banda ultrazabaleko sare bikoitzeko uhin-gida mailakatuen bidez.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Nano CNC mekanizatutako 220 GHz-ko uhin bidaiarizko hodi anplifikadore baten errendimendua. IEEE Trans. gailu elektronikoak. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. eta Ruan, CJ. Xafla infinitu zabaleko elektroi-sorten diokotron-ezegonkortasuna ikertzen, fluido hotz makroskopikoaren eredu-teoria erabiliz. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV, habe anitzeko klistron batean habearen diseinu planarra erabiliz banda-zabalera handitzeko aukerari buruz. 12th IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Hiru habeko elektroi-kanoien diseinua, habe-banaketa estuko plano-banaketarekin W bandako uhin-hodi bikoitz mailakatuan [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB eta Ruan, CJ Planar banatutako hiru habeko sistema optiko elektronikoa, habe-bereizpen estuarekin W bandako oinarrizko moduko TWTrako.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Ikerketa tartekatutako uhin-hodi bikoitz-paladun eta milimetro-uhineko xafla-habeen 20-22 inguruan (Doktoregoa, Beihang Unibertsitatea, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. eta He, Y. G bandako tartekatutako bi palako uhin-hodi bidaiari baten izpi-uhinen interakzio-egonkortasunari buruzko ikerketa. 2018ko 43. Infragorri Milimetroko eta Terahertzeko Uhinei buruzko Nazioarteko Konferentzia, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).