Kiitos käynnistäsi Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Sillä välin näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä jatkuvan tuen varmistamiseksi.
Tässä työssä suunnitellaan ja testataan 220 GHz:n laajakaistainen, suuritehoinen lomitettu kaksoislapainen kulkuaaltoputki. Ensin esitetään tasomainen, porrastettu kaksoissädehidas kaksoislapainen rakenne. Kaksoismooditoimintamallin avulla lähetysteho ja kaistanleveys ovat lähes kaksinkertaiset yksimoodimalliin verrattuna. Toiseksi, suuren lähtötehon vaatimusten täyttämiseksi ja kulkuaaltoputken vakauden parantamiseksi suunnitellaan kaksoiskynän muotoinen elektroninen optinen järjestelmä, jonka käyttöjännite on 20–21 kV ja virta 2 × 80 mA. Suunnittelutavoitteet. Käyttämällä kaksoissädetykin maskiosaa ja ohjauselektrodia kaksi kynäsädettä voidaan fokusoida niiden keskuksiin puristussuhteella 7, tarkennusetäisyys on noin 0,18 mm ja vakaus on hyvä. Myös tasainen magneettinen tarkennusjärjestelmä on optimoitu. Tasomaisen kaksoiselektronisuihkun vakaa lähetysetäisyys voi olla 45 mm ja fokusoiva magneettikenttä on 0,6 T, mikä riittää kattamaan koko korkeataajuusjärjestelmän (HFS). Sitten testataan putken käytettävyys... Elektronioptista järjestelmää ja hitaan aallon rakenteen suorituskykyä testattiin myös hiukkassolusimulaatioilla (PIC) koko HFS:lle. Tulokset osoittavat, että sädevuorovaikutusjärjestelmä voi saavuttaa lähes 310 W:n huipputehon 220 GHz:n taajuudella, optimoitu sädejännite on 20,6 kV, sädevirta on 2 × 80 mA, vahvistus on 38 dB ja 3 dB:n kaistanleveys ylittää 35 dB noin 70 GHz:n taajuudella. Lopuksi suoritetaan erittäin tarkka mikrorakenteen valmistus HFS:n suorituskyvyn varmistamiseksi, ja tulokset osoittavat, että kaistanleveys ja läpäisyominaisuudet ovat hyvässä sopusoinnussa simulaatiotulosten kanssa. Siksi tässä artikkelissa ehdotetun järjestelmän odotetaan kehittävän suuritehoisia, erittäin laajakaistaisia ​​terahertsikaistan säteilylähteitä, joilla on potentiaalia tulevaisuuden sovelluksiin.
Perinteisenä tyhjiöelektronisena laitteena kulkevan aaltoputken (TWT) rooli on korvaamaton monissa sovelluksissa, kuten korkean resoluution tutkassa, satelliittiviestintäjärjestelmissä ja avaruustutkimuksessa1,2,3. Toimintataajuuden siirtyessä terahertsikaistalle perinteiset kytketyn ontelon TWT:t ja kierteiset TWT:t eivät kuitenkaan ole kyenneet vastaamaan ihmisten tarpeisiin suhteellisen alhaisen lähtötehon, kapean kaistanleveyden ja vaikeiden valmistusprosessien vuoksi. Siksi THz-kaistan suorituskyvyn kokonaisvaltainen parantaminen on tullut erittäin huolestuttavaksi kysymykseksi monille tieteellisille tutkimuslaitoksille. Viime vuosina uudet hidasaaltorakenteet (SWS), kuten porrastetut kaksoisterärakenteet (SDV) ja taitetut aaltojohdinrakenteet (FW), ovat saaneet laajaa huomiota luonnollisten tasomaisten rakenteidensa vuoksi, erityisesti lupaavan potentiaalin omaavat uudet SDV-SWS:t. Tämän rakenteen ehdotti UC-Davis vuonna 20084. Tasomainen rakenne voidaan helposti valmistaa mikro-nanoprosessointitekniikoilla, kuten tietokoneella numeerisella ohjauksella (CNC) ja UV-LIGA:lla. Täysmetallinen kotelorakenne voi tarjota suuremman lämpökapasiteetin suuremmalla lähtöteholla ja vahvistuksella. ja aaltojohdemainen rakenne voi myös tarjota laajemman työskentelykaistanleveyden. Tällä hetkellä UC Davis osoitti ensimmäistä kertaa vuonna 2017, että SDV-TWT pystyy tuottamaan yli 100 W:n tehoisia ja lähes 14 GHz:n kaistanleveyden signaaleja G-kaistalla5. Näissä tuloksissa on kuitenkin edelleen aukkoja, jotka eivät pysty täyttämään terahertsikaistan suuren tehon ja laajan kaistanleveyden vaatimuksia. UC Davisin G-kaistan SDV-TWT:ssä on käytetty levyelektronisuihkuja. Vaikka tämä menetelmä voi parantaa säteen virrankuljetuskykyä merkittävästi, pitkän lähetysmatkan ylläpitäminen on vaikeaa levysäteen elektronioptisen järjestelmän (EOS) epävakauden vuoksi, ja säteessä on ylikuormitustunneli, joka voi myös aiheuttaa säteen itsesäätelyn. – Heräte ja värähtely 6,7. Tässä artikkelissa ehdotetaan kaksoiskeilaista SDV-SWS:ää, jossa on kaksoistilatoiminta, jotta THz-TWT:n korkean lähtötehon, laajan kaistanleveyden ja hyvän vakauden vaatimukset täyttyisivät. Toisin sanoen toimintakaistanleveyden lisäämiseksi ehdotetaan ja esitellään kaksoistilatoiminta tässä rakenteessa. Ja lähtötehon lisäämiseksi käytetään myös kaksoiskynäkeilojen tasomainen jakauma. Yksittäiset kynäkeilat ovat suhteellisen pieniä vertikaalisten kokorajoitusten vuoksi. Jos virrantiheys on liian suuri, säteen virtaa on pienennettävä, mikä johtaa suhteellisen alhaiseen lähtötehoon. Säteen virran parantamiseksi on kehitetty tasomainen hajautettu monikeila-EOS, joka hyödyntää SWS:n sivuttaista kokoa. Itsenäisen säteen tunneloinnin ansiosta tasomainen hajautettu monikeila voi saavuttaa suuren lähtötehon ylläpitämällä korkeaa kokonaissäteen virtaa ja pientä virtaa sädettä kohden, mikä voi välttää ylimuotoisen säteen tunneloinnin verrattuna levykeilalaitteisiin. Siksi on hyödyllistä ylläpitää liikkuvan aaltoputken vakautta. Aiempien töiden8,9 perusteella tässä artikkelissa ehdotetaan G-kaistan tasaista magneettista Kenttäkeskittävää kaksoiskynäsädettä EOS käyttäen voidaan parantaa huomattavasti säteen vakaata lähetysetäisyyttä ja lisätä säteen vuorovaikutusaluetta, mikä parantaa huomattavasti lähtötehoa.
Tämän artikkelin rakenne on seuraava. Ensin kuvataan SWS-kennon suunnittelu parametreineen, dispersio-ominaisuuksien analyysi ja korkeataajuussimulaatiotulokset. Sitten, yksikkökennon rakenteen mukaisesti, suunnitellaan kaksoiskynäsäde-EOS ja säteiden vuorovaikutusjärjestelmä. Esitetään myös solunsisäisten hiukkasten simulaatiotulokset EOS:n käytettävyyden ja SDV-TWT:n suorituskyvyn varmistamiseksi. Lisäksi artikkelissa esitetään lyhyesti valmistus- ja kylmäkoetulokset koko HFS:n oikeellisuuden varmistamiseksi. Lopuksi tehdään yhteenveto.
Yhtenä TWT:n tärkeimmistä komponenteista hitaan aallon rakenteen dispersio-ominaisuudet osoittavat, vastaako elektronin nopeus SWS:n vaihenopeutta, ja sillä on siten suuri vaikutus säde-aalto-vuorovaikutukseen. Koko TWT:n suorituskyvyn parantamiseksi on suunniteltu parannettu vuorovaikutusrakenne. Yksikkösolun rakenne on esitetty kuvassa 1. Arkkisäteen epävakauden ja yksittäisen kynäsäteen tehorajoituksen huomioon ottaen rakenteessa käytetään kaksoiskynäsädettä lähtötehon ja toiminnan vakauden parantamiseksi entisestään. Samaan aikaan työkaistanleveyden lisäämiseksi on ehdotettu kaksoismoodia SWS:n toiminnalle. SDV-rakenteen symmetrian ansiosta sähkömagneettisen kentän dispersioyhtälön ratkaisu voidaan jakaa parittomiin ja parillisiin moodiin. Samalla matalataajuuskaistan peruspariton moodi ja korkeataajuuskaistan perusparillinen moodi toteutetaan sädevuorovaikutuksen laajakaistaisen synkronoinnin toteuttamiseksi, mikä parantaa entisestään työkaistanleveyttä.
Tehovaatimusten mukaisesti koko putki on suunniteltu 20 kV:n käyttöjännitteellä ja 2 × 80 mA:n kaksoissädevirralla. Jotta jännite vastaisi mahdollisimman tarkasti SDV-SWS:n toimintakaistanleveyttä, meidän on laskettava jakson p pituus. Sädejännitteen ja jakson välinen suhde on esitetty yhtälössä (1)10:
Asettamalla vaihesiirron arvoon 2,5π keskitaajuudella 220 GHz, jaksoksi p voidaan laskea 0,46 mm. Kuva 2a esittää SWS-yksikkökennon dispersio-ominaisuudet. 20 kV:n sädelinja vastaa bimodaalista käyrää erittäin hyvin. Yhteensopivat taajuuskaistat voivat nousta noin 70 GHz:iin taajuusalueilla 210–265,3 GHz (pariton tila) ja 265,4–280 GHz (parillinen tila). Kuva 2b esittää keskimääräisen kytkentäimpedanssin, joka on yli 0,6 Ω taajuusalueella 210–290 GHz, mikä osoittaa, että toimintakaistanleveydellä voi esiintyä voimakkaita vuorovaikutuksia.
(a) Kaksoismoodisen SDV-SWS:n dispersio-ominaisuudet 20 kV:n elektronisuihkulinjalla. (b) SDV:n hitaan aallon piirin vuorovaikutusimpedanssi.
On kuitenkin tärkeää huomata, että parittomien ja parillisten moodien välillä on energiaväli, ja yleensä kutsumme tätä energiaväliä estokaistaksi, kuten kuvassa 2a on esitetty. Jos TWT:tä käytetään lähellä tätä taajuuskaistaa, voi esiintyä voimakas säteen kytkentä, joka johtaa ei-toivottuihin värähtelyihin. Käytännön sovelluksissa vältetään yleensä TWT:n käyttöä estokaistan lähellä. Voidaan kuitenkin nähdä, että tämän hitaan aallon rakenteen energiaväli on vain 0,1 GHz. On vaikea määrittää, aiheuttaako tämä pieni energiaväli värähtelyjä. Siksi seuraavassa PIC-simulaatio-osiossa tutkitaan toiminnan vakautta estokaistan ympärillä sen analysoimiseksi, voiko esiintyä ei-toivottuja värähtelyjä.
Koko HFS:n malli on esitetty kuvassa 3. Se koostuu kahdesta SDV-SWS-vaiheesta, jotka on yhdistetty Bragg-heijastimilla. Heijastimen tehtävänä on katkaista signaalin siirto vaiheiden välillä, vaimentaa ei-toimivien moodien, kuten ylemmän ja alemman terän välillä syntyvien korkeamman kertaluvun moodien, värähtelyä ja heijastuksia, mikä parantaa huomattavasti koko putken vakautta. Ulkoiseen ympäristöön kytkemistä varten käytetään myös lineaarista kartiomaista kytkintä SWS:n kytkemiseksi WR-4-standardiaaltojohtimeen. Kaksitasoisen rakenteen läpäisykerroin mitataan 3D-simulointiohjelmiston aikatasoratkaisijalla. Terahertsikaistan todellinen vaikutus materiaaliin huomioon ottaen tyhjiövuoren materiaaliksi asetetaan aluksi kupari ja johtavuus lasketaan arvoon 2,25 × 107 S/m12.
Kuva 4 esittää HFS:n siirtotulokset lineaarisilla kapenevilla kytkimillä ja ilman niitä. Tulokset osoittavat, että kytkimellä on vain vähän vaikutusta koko HFS:n siirtosuorituskykyyn. Koko järjestelmän heijastusvaimennus (S11 < −10 dB) ja väliinkytkentävaimennus (S21 > −5 dB) 207–280 GHz:n laajakaistalla osoittavat, että HFS:llä on hyvät siirto-ominaisuudet.
Tyhjiöelektronisten laitteiden virtalähteenä elektronitykki määrää suoraan, pystyykö laite tuottamaan riittävästi lähtötehoa. Yhdessä II osan HFS:n analyysin kanssa kaksoissäde-EOS on suunniteltava tarjoamaan riittävä teho. Tässä osassa, aiempien W-kaistalla8,9 tehtyjen töiden perusteella, suunnitellaan kaksoiskynäelektronitykki käyttäen tasomaista maskia ja ohjauselektrodeja. Ensin, osan SWS:n suunnitteluvaatimusten mukaisesti. Kuten kuvassa... 2, elektronisuihkujen käyttöjännite Ua on aluksi asetettu 20 kV:iin, molempien elektronisuihkujen virrat I ovat molemmat 80 mA:ia ja elektronisuihkujen suihkujen halkaisija dw on 0,13 mm. Samanaikaisesti, jotta elektronisuihkun ja katodin virrantiheys voidaan saavuttaa, elektronisuihkun puristussuhde on asetettu arvoon 7, jolloin elektronisuihkun virrantiheys on 603 A/cm2 ja katodin virrantiheys 86 A/cm2, mikä voidaan saavuttaa käyttämällä uusia katodimateriaaleja. Suunnitteluteorian 14, 15, 16, 17 mukaan tyypillinen Pierce-elektronitykki voidaan tunnistaa yksiselitteisesti.
Kuvassa 5 on esitetty elektronitykin vaakasuora ja pystysuora kaaviokuva. Voidaan nähdä, että elektronitykin profiili x-suunnassa on lähes identtinen tyypillisen levymäisen elektronitykin profiilin kanssa, kun taas y-suunnassa maski erottaa kaksi elektronisuihkua osittain toisistaan. Katodien sijainnit ovat x = –0,155 mm, y = 0 mm ja x = 0,155 mm, y = 0 mm. Puristussuhteen ja elektronisuihkutuksen koon suunnitteluvaatimusten mukaisesti kahden katodipinnan mitoiksi on määritetty 0,91 mm × 0,13 mm.
Jotta kunkin elektronisuihkun x-suunnassa vastaanottama fokusoitu sähkökenttä olisi symmetrinen oman keskipisteensä suhteen, tässä artikkelissa elektronitykkiin liitetään ohjauselektrodi. Asettamalla fokusointielektrodin ja ohjauselektrodin jännitteen arvoon −20 kV ja anodin jännitteen arvoon 0 V, saadaan kaksoissädetykin lentoratajakauma, kuten kuvassa 6 on esitetty. Voidaan nähdä, että emittoiduilla elektroneilla on hyvä kokoonpuristuvuus y-suunnassa ja jokainen elektronisuihku konvergoituu x-suuntaan oman symmetriakeskipisteensä suuntaisesti, mikä osoittaa, että ohjauselektrodi tasapainottaa fokusointielektrodin synnyttämää epätasaista sähkökenttää.
Kuva 7 esittää säteen verhokäyrää x- ja y-suunnissa. Tulokset osoittavat, että elektronisuihkun projektioetäisyys x-suunnassa on erilainen kuin y-suunnassa. Heittoetäisyys x-suunnassa on noin 4 mm ja y-suunnassa lähellä 7 mm. Siksi todellinen heittoetäisyys tulisi valita 4 ja 7 mm:n väliltä. Kuva 8 esittää elektronisuihkun poikkileikkauksen 4,6 mm:n etäisyydellä katodipinnasta. Voidaan nähdä, että poikkileikkauksen muoto on lähimpänä standardia pyöreää elektronisuihkua. Kahden elektronisuihkun välinen etäisyys on lähellä suunniteltua 0,31 mm:ä ja säde on noin 0,13 mm, mikä täyttää suunnitteluvaatimukset. Kuva 9 esittää suihkuvirran simulointitulokset. Voidaan nähdä, että kahden suihkuvirran arvo on 76 mA, mikä on hyvässä sopusoinnussa suunnitellun 80 mA:n kanssa.
Käytännön sovelluksissa esiintyvän käyttöjännitteen vaihtelun huomioon ottaen on tarpeen tutkia tämän mallin jänniteherkkyyttä. Jännitealueella 19,8–20,6 kV saadaan kuvan 1 ja kuvien 1.10 ja 11 mukaiset virran ja säteen virran vaippakäyrät. Tuloksista voidaan nähdä, että käyttöjännitteen muutoksella ei ole vaikutusta elektronisuihkun vaippakäyrään, ja elektronisuihkun virta muuttuu vain 0,74–0,78 A:n välillä. Siksi voidaan katsoa, ​​että tässä työssä suunnitellulla elektronitykillä on hyvä jänniteherkkyys.
Ajojännitteen vaihteluiden vaikutus x- ja y-suunnan säteen verhokäyriin.
Tasainen magneettinen fokusointikenttä on yleinen kestomagneettifokusointijärjestelmä. Koska magneettikenttä jakautuu tasaisesti koko sädekanavaan, se soveltuu erittäin hyvin aksiaalisymmetrisille elektronisuihkuille. Tässä osiossa esitetään tasainen magneettinen fokusointijärjestelmä kaksoiskynäsäteiden pitkän matkan läpäisyn ylläpitämiseksi. Analysoimalla syntynyttä magneettikenttää ja säteen verhokäyrää ehdotetaan fokusointijärjestelmän suunnittelukaaviota ja tutkitaan herkkyysongelmaa. Yksittäisen kynäsäteen stabiilin läpäisyn teorian18,19 mukaisesti Brillouinin magneettikentän arvo voidaan laskea yhtälöllä (2). Tässä artikkelissa käytämme tätä ekvivalenssia myös sivusuunnassa jakautuneen kaksoiskynäsäteen magneettikentän arvioimiseen. Yhdessä tässä artikkelissa suunnitellun elektronitykin kanssa laskettu magneettikentän arvo on noin 4000 Gs. Viitteen 20 mukaan käytännön suunnittelussa valitaan yleensä 1,5–2 kertaa laskettu arvo.
Kuva 12 esittää tasaisen magneettikentän fokusointikenttäjärjestelmän rakennetta. Sininen osa on aksiaalisessa suunnassa magnetoitu kestomagneetti. Materiaalivalinta on NdFeB tai FeCoNi. Simulointimallissa jäännösmagneetti Br on 1,3 T ja permeabiliteetti 1,05. Säteen vakaan läpäisyn varmistamiseksi koko piirissä magneetin pituus on aluksi asetettu 70 mm:iin. Lisäksi magneetin koko x-suunnassa määrää, onko sädekanavan poikittainen magneettikenttä tasainen, mikä edellyttää, että x-suunnassa oleva koko ei voi olla liian pieni. Samalla, ottaen huomioon koko putken kustannukset ja paino, magneetin koko ei saisi olla liian suuri. Siksi magneetit on aluksi asetettu kokoon 150 mm × 150 mm × 70 mm. Samaan aikaan, jotta koko hidasaaltopiiri voidaan sijoittaa fokusointijärjestelmään, magneettien välinen etäisyys on asetettu 20 mm:iin.
Vuonna 2015 Purna Chandra Panda21 ehdotti yhtenäisessä magneettisessa fokusointijärjestelmässä napakenkää, jossa on uusi porrastettu reikä. Tämä voi entisestään pienentää katodiin tulevan vuodon suuruutta ja napakenkän reikään syntyvää poikittaista magneettikenttää. Tässä artikkelissa lisäämme fokusointijärjestelmän napakenkään porrastetun rakenteen. Napakenkän paksuus on aluksi asetettu 1,5 mm:iin, kolmen portaan korkeus ja leveys ovat 0,5 mm ja napakenkän reikien välinen etäisyys on 2 mm, kuten kuvassa 13 on esitetty.
Kuva 14a esittää aksiaalisen magneettikentän jakauman kahden elektronisuihkun keskiviivojen suuntaisesti. Voidaan nähdä, että magneettikentän voimat kahden elektronisuihkun suuntaisesti ovat yhtä suuret. Magneettikentän arvo on noin 6000 Gs, mikä on 1,5 kertaa teoreettinen Brillouinin kenttä, mikä parantaa läpäisykykyä ja fokusointikykyä. Samaan aikaan katodin magneettikenttä on lähes 0, mikä osoittaa, että napakappaleella on hyvä vaikutus magneettivuon vuotojen estämiseen. Kuva 14b esittää poikittaisen magneettikentän jakauman B z-suunnassa kahden elektronisuihkun yläreunassa. Voidaan nähdä, että poikittainen magneettikenttä on alle 200 Gs vain napakappaleen reiässä, kun taas hitaan aallon piirissä poikittainen magneettikenttä on lähes nolla, mikä osoittaa, että poikittaisen magneettikentän vaikutus elektronisuihkuun on merkityksetön. Napakappaleiden magneettisen kyllästymisen estämiseksi on tarpeen tutkia magneettikentän voimakkuutta napakappaleiden sisällä. Kuva 14c esittää magneettikentän jakauman absoluuttisen arvon napakappaleen sisällä. Voidaan nähdä, että magneettikentän voimakkuuden absoluuttinen arvo on pienempi kuin 1,2 T, mikä osoittaa, että napakappaleen magneettista kyllästymistä ei tapahdu.
Magneettikentän voimakkuuden jakauma, kun Br = 1,3 T. (a) Aksiaalinen kentän jakauma. (b) Sivuttaissuuntainen kentän jakauma z-suunnassa. (c) Kentän jakauman itseisarvo napakengän sisällä.
CST PS -moduulin perusteella kaksoissädetykin ja fokusointijärjestelmän aksiaalinen suhteellinen sijainti on optimoitu. Viitteen 9 ja simulaatioiden mukaan optimaalinen sijainti on se, missä anodikappale on päällekkäin napakappaleen kanssa poispäin magneetista. Havaittiin kuitenkin, että jos remanenssi asetettiin 1,3 T:hen, elektronisuihkun läpäisykyky ei saavuttanut 99 %:a. Nostamalla remanenssi 1,4 T:hen fokusoiva magneettikenttä kasvoi 6500 G:hen. Säteen radat xoz- ja yoz-tasoilla on esitetty kuvassa 15. Voidaan nähdä, että säteellä on hyvä läpäisykyky, pieni vaihtelu ja läpäisymatka yli 45 mm.
Kaksoiskynäkeilojen trajektorit homogeenisessa magneettijärjestelmässä, jonka Br = 1,4 T. (a) xoz-taso. (b) yoz-lentokone.
Kuva 16 esittää säteen poikkileikkausta eri kohdissa katodista poispäin. Voidaan nähdä, että säteen poikkileikkauksen muoto fokusointijärjestelmässä säilyy hyvin, eikä poikkileikkauksen halkaisija muutu paljon. Kuva 17 esittää säteen verhokäyrät x- ja y-suunnissa. Voidaan nähdä, että säteen vaihtelu molempiin suuntiin on hyvin pieni. Kuva 18 esittää sädevirran simulointitulokset. Tulokset osoittavat, että virta on noin 2 × 80 mA, mikä on yhdenmukaista elektronitykin suunnittelussa lasketun arvon kanssa.
Elektronisuihkun poikkileikkaus (fokusointijärjestelmällä) eri kohdissa poispäin katodista.
Kun otetaan huomioon useita ongelmia, kuten kokoonpanovirheet, jännitevaihtelut ja magneettikentän voimakkuuden muutokset käytännön prosessointisovelluksissa, on tarpeen analysoida fokusointijärjestelmän herkkyyttä. Koska anodikappaleen ja napakappaleen välillä on rako todellisessa prosessoinnissa, tämä rako on asetettava simulaatiossa. Rako asetettiin 0,2 mm:iin, ja kuva 19a esittää säteen verhokäyrän ja sädevirran y-suunnassa. Tämä tulos osoittaa, että säteen verhokäyrän muutos ei ole merkittävä eikä sädevirta juurikaan muutu. Siksi järjestelmä ei ole herkkä kokoonpanovirheille. Käyttöjännitteen vaihtelun virhealue on asetettu ±0,5 kV:iin. Kuva 19b esittää vertailutulokset. Voidaan nähdä, että jännitemuutoksella on vain vähän vaikutusta säteen verhokäyrään. Virhealue on asetettu välille -0,02 - +0,03 T magneettikentän voimakkuuden muutoksille. Vertailutulokset on esitetty kuvassa 20. Voidaan nähdä, että säteen verhokäyrä tuskin muuttuu, mikä tarkoittaa, että koko EOS on epäherkkä magneettikentän voimakkuuden muutoksille.
Säteen verhokäyrä ja virtatulokset tasaisessa magneettisessa fokusointijärjestelmässä. (a) Kokoonpanotoleranssi on 0,2 mm. (b) Ohjausjännitteen vaihtelu on ±0,5 kV.
Säteen verhokäyrä tasaisen magneettisen fokusointijärjestelmän alla, jonka aksiaalisen magneettikentän voimakkuuden vaihtelut vaihtelevat välillä 0,63 - 0,68 T.
Jotta tässä työssä suunniteltu fokusointijärjestelmä sopisi HFS:ään, on tutkimusta varten tarpeen yhdistää fokusointijärjestelmä ja HFS. Kuvassa 21 on vertailu säteen verhokäyristä HFS:n ollessa ladattuna ja ilman. Tulokset osoittavat, että säteen verhokäyrä ei muutu paljon, kun koko HFS on ladattu. Siksi fokusointijärjestelmä soveltuu edellä mainitun kaltaiselle liikkuvan aaltoputken HFS:lle.
Osiossa III ehdotetun EOS:n oikeellisuuden varmistamiseksi ja 220 GHz:n SDV-TWT:n suorituskyvyn tutkimiseksi suoritettiin säde-aaltovuorovaikutuksen 3D-PIC-simulaatio. Simulointiohjelmiston rajoitusten vuoksi emme pystyneet lisäämään koko EOS:ia HFS:ään. Siksi elektronitykki korvattiin vastaavalla emittoivalla pinnalla, jonka halkaisija oli 0,13 mm ja kahden pinnan välinen etäisyys 0,31 mm, samat parametrit kuin edellä suunnitellulla elektronitykillä. EOS:n epäherkkyyden ja hyvän vakauden ansiosta käyttöjännite voidaan optimoida oikein parhaan lähtötehon saavuttamiseksi PIC-simulaatiossa. Simulaatiotulokset osoittavat, että kyllästetty lähtöteho ja vahvistus voidaan saavuttaa 20,6 kV:n käyttöjännitteellä, 2 × 80 mA:n (603 A/cm2) sädevirralla ja 0,05 W:n ottoteholla.
Parhaan lähtösignaalin saamiseksi myös syklien lukumäärä on optimoitava. Paras lähtöteho saavutetaan, kun kahden vaiheen lukumäärä on 42 + 48 sykliä, kuten kuvassa 22a on esitetty. 0,05 W:n tulosignaali vahvistetaan 314 W:iin 38 dB:n vahvistuksella. Nopealla Fourier-muunnoksella (FFT) saatu lähtötehon spektri on puhdas ja sen huippu on 220 GHz:ssä. Kuva 22b esittää elektronien energian aksiaalijakauman SWS:ssä, jossa suurin osa elektroneista menettää energiaa. Tämä tulos osoittaa, että SDV-SWS pystyy muuttamaan elektronien kineettisen energian RF-signaaleiksi, mikä toteuttaa signaalin vahvistuksen.
SDV-SWS-lähtösignaali 220 GHz:n taajuudella. (a) Lähtöteho ja siihen liittyvä spektri. (b) Elektronien energiajakauma elektronisuihkun ollessa SWS-kuvan päässä.
Kuva 23 esittää kaksoismoodisen kaksoiskeilan SDV-TWT:n lähtötehon kaistanleveyttä ja vahvistusta. Lähtötehoa voidaan parantaa edelleen pyyhkäisemällä taajuuksia 200:sta 275 GHz:iin ja optimoimalla käyttöjännitettä. Tämä tulos osoittaa, että 3 dB:n kaistanleveys voi kattaa 205–275 GHz:n, mikä tarkoittaa, että kaksoismooditoiminta voi laajentaa toimintakaistanleveyttä huomattavasti.
Kuvan 2a mukaan tiedämme kuitenkin, että parittomien ja parillisten moodien välillä on pysäytysvyöhyke, joka voi johtaa ei-toivottuihin värähtelyihin. Siksi työn vakautta pysäytysten ympärillä on tutkittava. Kuvat 24a-c esittävät 20 ns:n simulaatiotuloksia taajuuksilla 265,3 GHz, 265,35 GHz ja 265,4 GHz. Voidaan nähdä, että vaikka simulaatiotuloksissa on jonkin verran vaihteluita, lähtöteho on suhteellisen vakaa. Spektri on esitetty myös kuvassa 24, ja spektri on puhdas. Nämä tulokset osoittavat, että pysäytysvyöhykkeen lähellä ei esiinny itsevärähtelyä.
Valmistus ja mittaus ovat välttämättömiä koko HFS:n oikeellisuuden varmistamiseksi. Tässä osassa HFS valmistetaan tietokoneohjatulla (CNC) tekniikalla 0,1 mm:n työkalun halkaisijalla ja 10 μm:n työstötarkkuudella. Korkeataajuusrakenteen materiaali on hapetonta, korkeajohtavuutta omaavaa (OFHC) kuparia. Kuva 25a esittää valmistettua rakennetta. Koko rakenteen pituus on 66,00 mm, leveys 20,00 mm ja korkeus 8,66 mm. Rakenteen ympärille on jaettu kahdeksan tapinreikää. Kuva 25b esittää rakenteen pyyhkäisyelektronimikroskopialla (SEM). Tämän rakenteen lavat on valmistettu tasaisesti ja niillä on hyvä pinnan karheus. Tarkan mittauksen jälkeen kokonaistyöstövirhe on alle 5 % ja pinnan karheus on noin 0,4 μm. Työstörakenne täyttää suunnittelu- ja tarkkuusvaatimukset.
Kuvassa 26 on vertailu todellisten testitulosten ja siirtosuorituskyvyn simulaatioiden välillä. Kuvassa 26a olevat portti 1 ja portti 2 vastaavat HFS:n tulo- ja lähtöportteja ja vastaavat kuvan 3 porttia 1 ja porttia 4. S11:n todelliset mittaustulokset ovat hieman parempia kuin simulaatiotulokset. Samaan aikaan S21:n mitatut tulokset ovat hieman huonompia. Syynä voi olla se, että simulaatiossa asetettu materiaalin johtavuus on liian korkea ja pinnan karheus varsinaisen työstön jälkeen on huono. Kaiken kaikkiaan mitatut tulokset ovat hyvässä yhteensopivuudessa simulaatiotulosten kanssa, ja siirtokaistanleveys täyttää 70 GHz:n vaatimuksen, mikä varmistaa ehdotetun kaksitoimisen SDV-TWT:n toteutettavuuden ja oikeellisuuden. Näin ollen yhdessä varsinaisen valmistusprosessin ja testitulosten kanssa tässä artikkelissa ehdotettua ultralaajakaistaista kaksisäteistä SDV-TWT-suunnittelua voidaan käyttää myöhemmissä valmistuksissa ja sovelluksissa.
Tässä artikkelissa esitetään yksityiskohtainen suunnittelu tasojakauman omaavasta 220 GHz:n kaksoiskeilaseuratusta SDV-TWT:stä. Kaksoismooditoiminnan ja kaksoiskeilaseuratun herätteen yhdistelmä lisää entisestään toimintakaistanleveyttä ja lähtötehoa. Myös valmistus ja kylmäkoe suoritetaan koko HFS:n oikeellisuuden varmistamiseksi. Todelliset mittaustulokset ovat hyvässä yhteensopivuudessa simulointitulosten kanssa. Suunnitellussa kaksikeilaseuraisessa EOS:ssa on käytetty maskiosaa ja ohjauselektrodeja yhdessä kaksikynäsäteen tuottamiseksi. Suunnitellun tasaisen fokusoivan magneettikentän alaisena elektronisuihku voidaan siirtää vakaasti pitkiä matkoja hyvässä muodossa. Tulevaisuudessa EOS:n tuotanto ja testaus suoritetaan, ja myös koko TWT:n lämpötestaus suoritetaan. Tässä artikkelissa ehdotettu SDV-TWT-suunnittelujärjestelmä yhdistää täysin nykyisen kypsän tasojakauman prosessointitekniikan ja osoittaa suurta potentiaalia suorituskykyindikaattoreissa sekä prosessoinnissa ja kokoonpanossa. Siksi tässä artikkelissa uskotaan, että tasomainen rakenne on todennäköisimmin tulossa terahertsikaistan tyhjiöelektronisten laitteiden kehitystrendiksi.
Suurin osa tässä tutkimuksessa käytetyistä raakadatoista ja analyyttisistä malleista on sisällytetty tähän artikkeliin. Lisätietoja saa vastaavalta kirjoittajalta kohtuullisesta pyynnöstä.
Gamzina, D. ym. Alle terahertsin tyhjiöelektroniikan nanomittakaavan CNC-työstö. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. ja Paoloni, C. Alle terahertsin aaltojohteiden UV-LIGA-mikrovalmistus käyttäen monikerroksista SU-8-fotoresistia. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS ym. 2017 THz-teknologian tiekartta. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC. Plasmonisten aaltojen etenemisen voimakas rajoittuminen ultralaajakaistaisten porrastettujen kaksoishila-aaltojohtimien avulla.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. ym. Nano-CNC-koneistetun 220 GHz:n kulkevan aallon putkivahvistimen suorituskyky. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Äärettömän leveiden elektronisuihkujen diokotroniepästabiilisuuden tutkiminen makroskooppisen kylmän nesteen malliteorian avulla. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV, mahdollisuudesta lisätä kaistanleveyttä monisädeklystronin säteen tasomaisen asettelun avulla. Julkaisussa 12th IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, Intia, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ ym. Kolmisädeelektronitykkien suunnittelu, joilla on kapea säteenjakotasojakauma W-kaistan porrastetussa kaksiteräisessä kulkuaaltoputkessa [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. Tasomainen hajautettu kolmisädeelektronioptinen järjestelmä, jossa on kapea sädeväli W-kaistan perusmoodin TWT:lle. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Tutkimus lomitetusta kaksiteräisestä liikkuvasta aaltoputkesta millimetriaaltolevypalkeilla 20-22 (PhD, Beihangin yliopisto, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Tutkimus G-kaistan lomitetun kaksiteräisen kulkuaaltoputken säde-aaltovuorovaikutuksen vakaudesta. 2018 43. kansainvälinen infrapunamillimetri- ja terahertsiaaltojen konferenssi, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).