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Dans cet article, un tube à onde progressive à double lame entrelacée à large bande de 220 GHz est conçu et vérifié. Tout d'abord, une structure à ondes lentes à double lame décalée à double faisceau planaire est proposée. kV, et le courant est de 2 × 80 mA. Objectifs de conception. En utilisant la partie masque et l'électrode de commande dans le pistolet à double faisceau, les deux faisceaux crayon peuvent être focalisés le long de leurs centres respectifs avec un taux de compression de 7, la distance de focalisation est d'environ 0,18 mm et la stabilité est bonne. Le système de focalisation magnétique uniforme a également été optimisé. ).Ensuite, pour vérifier l'utilisabilité du système électron-optique et les performances de la structure à ondes lentes, des simulations de cellule de particules (PIC) ont également été effectuées sur l'ensemble du HFS. 70 GHz. Enfin, une fabrication de microstructure de haute précision est effectuée pour vérifier les performances du HFS, et les résultats montrent que la bande passante et les caractéristiques de transmission sont en bon accord avec les résultats de la simulation. Par conséquent, le schéma proposé dans cet article devrait développer des sources de rayonnement térahertz à bande ultra large et à haute puissance avec un potentiel pour de futures applications.
En tant qu'appareil électronique à vide traditionnel, le tube à ondes progressives (TWT) joue un rôle irremplaçable dans de nombreuses applications telles que les radars haute résolution, les systèmes de communication par satellite et l'exploration spatiale1,2,3. institutions de recherche scientifique. Ces dernières années, de nouvelles structures à ondes lentes (SWS), telles que les structures à double lame décalées (SDV) et les structures à guides d'ondes pliés (FW), ont reçu une attention considérable en raison de leurs structures planaires naturelles, en particulier les nouvelles SDV-SWS au potentiel prometteur. Cette structure a été proposée par UC-Davis en 20084. fournir une plus grande capacité thermique avec une puissance de sortie et un gain plus élevés, et la structure de type guide d'ondes peut également fournir une bande passante de travail plus large. SDV-TWT, des faisceaux d'électrons en feuille ont été utilisés. Bien que ce schéma puisse améliorer considérablement la capacité de transport de courant du faisceau, il est difficile de maintenir une longue distance de transmission en raison de l'instabilité du système optique électronique à faisceau en feuille (EOS), et il existe un tunnel de faisceau surmode, qui peut également entraîner l'autorégulation du faisceau.- Excitation et oscillation 6,7.Afin de répondre aux exigences de puissance de sortie élevée, de large bande passante et de bonne stabilité du TOP THz, un SDV-SWS à double faisceau avec fonctionnement bimode est proposé dans cet article.C'est-à-dire que, afin d'augmenter la bande passante de fonctionnement, un fonctionnement bimode est proposé et introduit dans cette structure.Et, afin d'augmenter la puissance de sortie, une distribution planaire de faisceaux crayon doubles est également utilisée. , le courant de faisceau doit être réduit, ce qui se traduit par une puissance de sortie relativement faible. , cet article propose un champ magnétique uniforme en bande G focalisant le double crayon EOS, qui peut grandement améliorer la distance de transmission stable du faisceau et augmenter encore la zone d'interaction du faisceau, améliorant ainsi considérablement la puissance de sortie.
La structure de cet article est la suivante. Tout d'abord, la conception de la cellule SWS avec les paramètres, l'analyse des caractéristiques de dispersion et les résultats de simulation à haute fréquence sont décrits. Ensuite, selon la structure de la cellule unitaire, un EOS à double faisceau crayon et un système d'interaction de faisceau sont conçus dans cet article. Les résultats de la simulation de particules intracellulaires sont également présentés pour vérifier la facilité d'utilisation d'EOS et les performances de SDV-TWT.
En tant que l'un des composants les plus importants du TOP, les propriétés dispersives de la structure à ondes lentes indiquent si la vitesse des électrons correspond à la vitesse de phase du SWS, et a donc une grande influence sur l'interaction faisceau-onde. Pour améliorer les performances de l'ensemble du TOP, une structure d'interaction améliorée est conçue.Pendant ce temps, afin d'augmenter la bande passante de travail, un mode double a été proposé pour le fonctionnement SWS. En raison de la symétrie de la structure SDV, la solution de l'équation de dispersion du champ électromagnétique peut être divisée en modes impair et pair. En même temps, le mode impair fondamental de la bande basse fréquence et le mode pair fondamental de la bande haute fréquence sont utilisés pour réaliser la synchronisation large bande de l'interaction du faisceau, améliorant ainsi encore la bande passante de travail.
Selon les besoins en puissance, l'ensemble du tube est conçu avec une tension d'attaque de 20 kV et un courant à double faisceau de 2 × 80 mA.Afin de faire correspondre la tension aussi étroitement que possible à la bande passante de fonctionnement du SDV-SWS, nous devons calculer la longueur de la période p.La relation entre la tension du faisceau et la période est illustrée dans l'équation (1)10 :
En réglant le déphasage à 2,5π à la fréquence centrale de 220 GHz, la période p peut être calculée à 0,46 mm. La figure 2a montre les propriétés de dispersion de la cellule unitaire SWS. La ligne de faisceau de 20 kV correspond très bien à la courbe bimodale. .La figure 2b montre l'impédance de couplage moyenne, qui est supérieure à 0,6 Ω de 210 à 290 GHz, indiquant que de fortes interactions peuvent se produire dans la bande passante de fonctionnement.
( a ) Caractéristiques de dispersion d'un SDV-SWS bimode avec une ligne de faisceau d'électrons de 20 kV. ( b ) Impédance d'interaction du circuit à ondes lentes SDV.
Cependant, il est important de noter qu'il existe une bande interdite entre les modes pair et impair, et nous appelons généralement cette bande interdite la bande d'arrêt, comme le montre la figure 2a. Par conséquent, la stabilité de fonctionnement autour de la bande d'arrêt sera étudiée dans la section de simulation PIC suivante pour analyser si des oscillations indésirables peuvent se produire.
Le modèle de l'ensemble du HFS est illustré à la figure 3. Il se compose de deux étages de SDV-SWS, reliés par des réflecteurs de Bragg. La fonction du réflecteur est de couper la transmission du signal entre les deux étages, de supprimer l'oscillation et la réflexion des modes non fonctionnels tels que les modes d'ordre élevé générés entre les lames supérieure et inférieure, améliorant ainsi considérablement la stabilité de l'ensemble du tube. la structure à deux niveaux est mesurée par un solveur de domaine temporel dans le logiciel de simulation 3D. Compte tenu de l'effet réel de la bande térahertz sur le matériau, le matériau de l'enveloppe sous vide est initialement réglé sur le cuivre et la conductivité est réduite à 2,25 × 107 S/m12.
La figure 4 montre les résultats de transmission pour HFS avec et sans coupleurs coniques linéaires. Les résultats montrent que le coupleur a peu d'effet sur les performances de transmission de l'ensemble du HFS. La perte de retour (S11 < − 10 dB) et la perte d'insertion (S21 > − 5 dB) de l'ensemble du système dans la large bande 207 ~ 280 GHz montrent que le HFS a de bonnes caractéristiques de transmission.
En tant qu'alimentation électrique des appareils électroniques à vide, le canon à électrons détermine directement si l'appareil peut générer suffisamment de puissance de sortie. Combiné avec l'analyse de HFS dans la section II, un EOS à double faisceau doit être conçu pour fournir une puissance suffisante.2, la tension de commande Ua des faisceaux d'électrons est initialement fixée à 20 kV, les courants I des deux faisceaux d'électrons sont tous deux de 80 mA et le diamètre de faisceau dw des faisceaux d'électrons est de 0,13 mm. En même temps, afin de garantir que la densité de courant du faisceau d'électrons et de la cathode peut être atteinte, le taux de compression du faisceau d'électrons est réglé sur 7, de sorte que la densité de courant du faisceau d'électrons est de 603 A/cm2 et la densité de courant de la cathode est de 86 A/cm2, ce qui peut être réalisé en utilisant de nouveaux matériaux de cathode. Selon la théorie de conception 14, 15, 16, 17, un canon à électrons Pierce typique peut être identifié de manière unique.
La figure 5 montre les diagrammes schématiques horizontaux et verticaux du canon, respectivement. On peut voir que le profil du canon à électrons dans la direction x est presque identique à celui d'un canon à électrons typique en forme de feuille, tandis que dans la direction y, les deux faisceaux d'électrons sont partiellement séparés par le masque. Les positions des deux cathodes sont respectivement à x = - 0,155 mm, y = 0 mm et x = 0,155 mm, y = 0 mm. taille, les dimensions des deux surfaces de cathode sont déterminées à 0,91 mm × 0,13 mm.
Afin de rendre le champ électrique focalisé reçu par chaque faisceau d'électrons dans la direction x symétrique par rapport à son propre centre, cet article applique une électrode de commande au canon à électrons. direction x le long de son propre centre de symétrie, ce qui indique que l'électrode de commande équilibre le champ électrique inégal généré par l'électrode de focalisation.
La figure 7 montre l'enveloppe du faisceau dans les directions x et y. Les résultats montrent que la distance de projection du faisceau d'électrons dans la direction x est différente de celle dans la direction y. La distance de projection dans la direction x est d'environ 4 mm et la distance de projection dans la direction y est proche de 7 mm. Par conséquent, la distance de projection réelle doit être choisie entre 4 et 7 mm. est le plus proche d'un faisceau d'électrons circulaire standard. La distance entre les deux faisceaux d'électrons est proche du 0,31 mm conçu et le rayon est d'environ 0,13 mm, ce qui répond aux exigences de conception.
Compte tenu de la fluctuation de la tension de commande dans les applications pratiques, il est nécessaire d'étudier la sensibilité de tension de ce modèle. considérer que le canon à électrons conçu dans cet article a une bonne sensibilité à la tension.
L'effet des fluctuations de tension d'entraînement sur les enveloppes de faisceau dans les directions x et y.
Un champ de focalisation magnétique uniforme est un système de focalisation à aimant permanent commun. En raison de la distribution uniforme du champ magnétique dans tout le canal du faisceau, il convient très bien aux faisceaux d'électrons axisymétriques. Dans cette section, un système de focalisation magnétique uniforme pour maintenir la transmission à longue distance des faisceaux à double crayon est proposé. Dans cet article, nous utilisons également cette équivalence pour estimer le champ magnétique d'un faisceau à double crayon réparti latéralement. Combiné avec le canon à électrons conçu dans cet article, la valeur calculée du champ magnétique est d'environ 4000 Gs. Selon la réf.20, 1,5 à 2 fois la valeur calculée est généralement choisie dans les conceptions pratiques.
La figure 12 montre la structure d'un système de champ de focalisation de champ magnétique uniforme. La partie bleue est l'aimant permanent magnétisé dans la direction axiale. Le choix du matériau est NdFeB ou FeCoNi. La rémanence Br définie dans le modèle de simulation est de 1,3 T et la perméabilité est de 1,05. dans le canal du faisceau est uniforme, ce qui nécessite que la taille dans la direction x ne puisse pas être trop petite. En même temps, compte tenu du coût et du poids de l'ensemble du tube, la taille de l'aimant ne doit pas être trop grande. Par conséquent, les aimants sont initialement réglés sur 150 mm × 150 mm × 70 mm. Pendant ce temps, pour s'assurer que l'ensemble du circuit à ondes lentes peut être placé dans le système de focalisation, la distance entre les aimants est réglée sur 20 mm.
En 2015, Purna Chandra Panda21 a proposé une pièce polaire avec un nouveau trou étagé dans un système de focalisation magnétique uniforme, qui peut réduire davantage l'ampleur de la fuite de flux vers la cathode et le champ magnétique transversal généré au niveau du trou de la pièce polaire. Dans cet article, nous ajoutons une structure étagée à la pièce polaire du système de focalisation. 13.
La figure 14a montre la distribution axiale du champ magnétique le long des axes des deux faisceaux d'électrons. On peut voir que les forces du champ magnétique le long des deux faisceaux d'électrons sont égales. La valeur du champ magnétique est d'environ 6000 Gs, soit 1,5 fois le champ théorique de Brillouin pour augmenter les performances de transmission et de focalisation. la direction z au bord supérieur des deux faisceaux d'électrons. On constate que le champ magnétique transverse est inférieur à 200 Gs uniquement au niveau du trou de la pièce polaire, alors que dans le circuit à ondes lentes, le champ magnétique transverse est quasi nul, ce qui prouve que l'influence du champ magnétique transverse sur le faisceau d'électrons est négligeable. Pour éviter la saturation magnétique des pièces polaires, il faut étudier l'intensité du champ magnétique à l'intérieur des pièces polaires. vu que la valeur absolue de l'intensité du champ magnétique est inférieure à 1,2 T, indiquant que la saturation magnétique de la pièce polaire ne se produira pas.
Distribution de l'intensité du champ magnétique pour Br = 1,3 T.(a) Distribution axiale du champ.(b) Distribution latérale du champ By dans la direction z.(c) Valeur absolue de la distribution du champ dans la pièce polaire.
Basé sur le module CST PS, la position relative axiale du canon à double faisceau et du système de mise au point est optimisée. Selon Réf.9 et simulations, l'emplacement optimal est l'endroit où la pièce d'anode chevauche la pièce polaire loin de l'aimant. Cependant, il a été constaté que si la rémanence était fixée à 1,3 T, la transmittance du faisceau d'électrons ne pourrait pas atteindre 99 %. En augmentant la rémanence à 1,4 T, le champ magnétique de focalisation sera augmenté à 6500 Gs. petite fluctuation et une distance de transmission supérieure à 45 mm.
Trajectoires de faisceaux double crayon sous un système magnétique homogène avec Br = 1.4 T.(a) avion xoz.(b) avion yoz.
La figure 16 montre la section transversale du faisceau à différentes positions éloignées de la cathode. On peut voir que la forme de la section du faisceau dans le système de focalisation est bien maintenue et que le diamètre de la section ne change pas beaucoup. La figure 17 montre les enveloppes du faisceau dans les directions x et y, respectivement. On peut voir que la fluctuation du faisceau dans les deux directions est très faible. valeur dans la conception du canon à électrons.
Section efficace du faisceau d'électrons (avec système de focalisation) à différentes positions éloignées de la cathode.
Compte tenu d'une série de problèmes tels que les erreurs d'assemblage, les fluctuations de tension et les changements d'intensité du champ magnétique dans les applications de traitement pratiques, il est nécessaire d'analyser la sensibilité du système de focalisation. Parce qu'il existe un écart entre la pièce anodique et la pièce polaire dans le traitement réel, cet écart doit être défini dans la simulation. est insensible aux erreurs d'assemblage. Pour la fluctuation de la tension de commande, la plage d'erreur est fixée à ±0,5 kV.
Enveloppe du faisceau et résultats de courant sous un système de focalisation magnétique uniforme. (a) La tolérance d'assemblage est de 0,2 mm. (b) La fluctuation de la tension de commande est de ± 0,5 kV.
Enveloppe du faisceau sous un système de focalisation magnétique uniforme avec des fluctuations axiales de l'intensité du champ magnétique allant de 0,63 à 0,68 T.
Afin de s'assurer que le système de focalisation conçu dans cet article peut correspondre au HFS, il est nécessaire de combiner le système de focalisation et le HFS pour la recherche.
Pour vérifier l'exactitude de l'EOS proposé dans la section III et étudier les performances du SDV-TWT 220 GHz, une simulation 3D-PIC de l'interaction faisceau-onde est effectuée. En raison des limitations du logiciel de simulation, nous n'avons pas pu ajouter l'EOS entier au HFS. ité et une bonne stabilité d'EOS, la tension de commande peut être correctement optimisée pour obtenir la meilleure puissance de sortie dans la simulation PIC. Les résultats de la simulation montrent que la puissance de sortie saturée et le gain peuvent être obtenus à une tension de commande de 20,6 kV, un courant de faisceau de 2 × 80 mA (603 A/cm2) et une puissance d'entrée de 0,05 W.
Afin d'obtenir le meilleur signal de sortie, le nombre de cycles doit également être optimisé. La meilleure puissance de sortie est obtenue lorsque le nombre de deux étages est de 42 + 48 cycles, comme le montre la Figure 22a. Un signal d'entrée de 0,05 W est amplifié à 314 W avec un gain de 38 dB. SWS, la plupart des électrons perdant de l'énergie. Ce résultat indique que le SDV-SWS peut convertir l'énergie cinétique des électrons en signaux RF, réalisant ainsi une amplification du signal.
Signal de sortie SDV-SWS à 220 GHz. (a) Puissance de sortie avec spectre inclus. (b) Distribution d'énergie des électrons avec le faisceau d'électrons à l'extrémité de l'encart SWS.
La figure 23 montre la bande passante de puissance de sortie et le gain d'un SDV-TWT à double faisceau bimode. Les performances de sortie peuvent être encore améliorées en balayant les fréquences de 200 à 275 GHz et en optimisant la tension d'entraînement. Ce résultat montre que la bande passante de 3 dB peut couvrir 205 à 275 GHz, ce qui signifie que le fonctionnement en mode double peut considérablement élargir la bande passante de fonctionnement.
Cependant, selon la Fig. 2a, nous savons qu'il existe une bande d'arrêt entre les modes pair et impair, ce qui peut entraîner des oscillations indésirables. Par conséquent, la stabilité du travail autour des arrêts doit être étudiée. sur la figure 24 respectivement, le spectre est pur. Ces résultats indiquent qu'il n'y a pas d'auto-oscillation près de la bande d'arrêt.
La fabrication et la mesure sont nécessaires pour vérifier l'exactitude de l'ensemble du HFS. Dans cette partie, le HFS est fabriqué à l'aide de la technologie de commande numérique par ordinateur (CNC) avec un diamètre d'outil de 0,1 mm et une précision d'usinage de 10 μm. Le matériau de la structure haute fréquence est fourni par du cuivre à haute conductivité sans oxygène (OFHC). La figure 25a montre la structure fabriquée. 8,66 mm. Huit trous d'épingle sont répartis autour de la structure. La figure 25b montre la structure par microscopie électronique à balayage (SEM). Les lames de cette structure sont produites de manière uniforme et présentent une bonne rugosité de surface. Après une mesure précise, l'erreur d'usinage globale est inférieure à 5 % et la rugosité de surface est d'environ 0,4 μm. La structure d'usinage répond aux exigences de conception et de précision.
La figure 26 montre la comparaison entre les résultats de test réels et les simulations de performances de transmission. Le port 1 et le port 2 de la figure 26a correspondent respectivement aux ports d'entrée et de sortie du HFS et sont équivalents au port 1 et au port 4 de la figure 3. Les résultats de mesure réels de S11 sont légèrement meilleurs que les résultats de simulation. tous, les résultats mesurés sont en bon accord avec les résultats de simulation, et la bande passante de transmission répond à l'exigence de 70 GHz, ce qui vérifie la faisabilité et l'exactitude du SDV-TWT bimode proposé. Par conséquent, combiné avec le processus de fabrication réel et les résultats des tests, la conception SDV-TWT à double faisceau ultra-large bande proposée dans cet article peut être utilisée pour la fabrication et les applications ultérieures.
Dans cet article, une conception détaillée d'un SDV-TWT à double faisceau de 220 GHz à distribution planaire est présentée. La combinaison du fonctionnement en mode double et de l'excitation à double faisceau augmente encore la bande passante de fonctionnement et la puissance de sortie. La fabrication et le test à froid sont également effectués pour vérifier l'exactitude de l'ensemble du HFS.Les résultats de mesure réels sont en bon accord avec les résultats de simulation. Pour l'EOS à deux faisceaux conçu, une section de masque et des électrodes de commande ont été utilisées ensemble pour produire un faisceau à deux crayons. Sous le champ magnétique de focalisation uniforme conçu, le faisceau d'électrons peut être transmis de manière stable sur de longues distances avec une bonne forme. À l'avenir, la production et les tests d'EOS seront effectués, ainsi que le test thermique de l'ensemble du TOP. montre un grand potentiel dans les indicateurs de performance et le traitement et l'assemblage.
La plupart des données brutes et des modèles analytiques de cette étude ont été inclus dans cet article. D'autres informations pertinentes peuvent être obtenues auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.
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