Tankewol foar jo besite oan Nature.com. De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde stipe foar CSS. Foar de bêste ûnderfining advisearje wy jo in bywurke browser te brûken (of kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side sûnder stilen en JavaScript werjaan.
Yn dit artikel wurdt in 220GHz breedbân hege-krêft ynterleaved dûbelblêdige reizgjende golfbuis ûntworpen en ferifiearre. Earst wurdt in planêre dûbele-beam staggered dûbelblêdige trage-golfstruktuer foarsteld. Troch in dûbelmodus-operaasjeskema te brûken, binne de oerdrachtprestaasjes en bânbreedte hast dûbel sa heech as dy fan single-modus. Twad, om te foldwaan oan 'e easken fan hege útfierkrêft en de stabiliteit fan' e reizgjende golfbuis te ferbetterjen, wurdt in dûbel potleadfoarmich elektroanysk optysk systeem ûntworpen, de oandriuwspanning is 20 ~ 21 kV, en de stroom is 2 × 80 mA. Untwerpdoelen. Troch it maskerdiel en de kontrôle-elektrode yn it dûbele beamgewear te brûken, kinne de twa potleadstralen wurde fokussearre lâns har respektive sintra mei in kompresjeferhâlding fan 7, de fokusôfstân is sawat 0,18 mm, en de stabiliteit is goed. It unifoarme magnetyske fokussysteem is ek optimalisearre. De stabile oerdrachtôfstân fan 'e planêre dûbele elektronenbeam kin 45 mm berikke, en it fokusmagnetyske fjild is 0,6 T, wat genôch is om it heule hege frekwinsjesysteem (HFS) te dekken. Dan, om ferifiearje de brûkberens fan it elektron-optyske systeem en de prestaasjes fan 'e trage-weachstruktuer, dieltsjesel (PIC) simulaasjes waarden ek útfierd op 'e heule HFS. De resultaten litte sjen dat it beam-ynteraksjesysteem in peakútfierfermogen fan hast 310 W kin berikke by 220 GHz, de optimalisearre beamspanning is 20,6 kV, de beamstroom is 2 × 80 mA, de fersterking is 38 dB, en de 3-dB bânbreedte is mear as 35 dB oer 70 GHz. Uteinlik wurdt hege-presyzje mikrostruktuerfabrikaasje útfierd om de prestaasjes fan 'e HFS te ferifiearjen, en de resultaten litte sjen dat de bânbreedte- en transmissiekarakteristiken yn goede oerienkomst binne mei de simulaasjeresultaten. Dêrom wurdt ferwachte dat it skema dat yn dit artikel foarsteld wurdt, hege-krêft, ultra-breedbân terahertz-bân strielingsboarnen sil ûntwikkelje mei potinsjeel foar takomstige tapassingen.
As in tradisjoneel fakuüm elektroanysk apparaat spilet de reizgjende golfbuis (TWT) in ûnferfangbere rol yn in protte tapassingen lykas hege-resolúsje radar, satellytkommunikaasjesystemen en romteferkenning1,2,3. As de wurkfrekwinsje lykwols de terahertz-band yngiet, hawwe de tradisjonele TWT mei keppele holte en helikale TWT net mear oan 'e behoeften fan minsken foldwaan kinnen fanwegen relatyf leech útfierfermogen, smelle bânbreedte en drege produksjeprosessen. Dêrom is it in tige soargen wurden foar in protte wittenskiplike ûndersyksynstellingen hoe't de prestaasjes fan 'e THz-band wiidweidich ferbettere wurde kinne. Yn 'e lêste jierren hawwe nije stadichgolfstrukturen (SWS'en), lykas staggered dual-blade (SDV) strukturen en folded waveguide (FW) strukturen, in soad omtinken krigen fanwegen har natuerlike planêre strukturen, benammen de nije SDV-SWS'en mei beloftefol potinsjeel. Dizze struktuer waard yn 2008 foarsteld troch UC-Davis4. De planêre struktuer kin maklik makke wurde troch mikro-nano-ferwurkingstechniken lykas kompjûternumerike kontrôle (CNC) en UV-LIGA, de folslein metalen pakketstruktuer kin in gruttere termyske kapasiteit leverje mei hegere útfier. krêft en fersterking, en de golflieder-eftige struktuer kin ek in bredere wurkbânbreedte leverje. Op it stuit hat UC Davis yn 2017 foar it earst oantoand dat SDV-TWT hege-krêftútfier kin generearje fan mear as 100 W en hast 14 GHz bânbreedtesignalen yn 'e G-band5. Dizze resultaten hawwe lykwols noch gatten dy't net kinne foldwaan oan 'e relatearre easken fan hege krêft en brede bânbreedte yn' e terahertzband. Foar de G-band SDV-TWT fan UC-Davis binne plaatelektronenstrielen brûkt. Hoewol dizze regeling de stroomdraachkapasiteit fan 'e striel signifikant kin ferbetterje, is it lestich om in lange oerdrachtôfstân te behâlden fanwegen de ynstabiliteit fan it plaatstraalelektronenoptyske systeem (EOS), en d'r is in over-mode strieltunnel, dy't ek kin feroarsaakje dat de striel himsels regelet. – Oanstjoering en oscillaasje 6,7. Om te foldwaan oan de easken fan hege útfierkrêft, brede bânbreedte en goede stabiliteit fan THz TWT, wurdt yn dit artikel in dûbele beam SDV-SWS mei dûbele modusoperaasje foarsteld. Dat is, om de wurkbânbreedte te fergrutsjen, wurdt dûbele modusoperaasje foarsteld en yntrodusearre yn dizze struktuer. En, om it útfierkrêft te ferheegjen, wurdt ek in planêre ferdieling fan dûbele potleadstralen brûkt. Ienkele potleadstralradio's binne relatyf lyts fanwegen fertikale gruttebeperkingen. As de stroomtichtens te heech is, moat de beamstroom wurde fermindere, wat resulteart yn in relatyf leech útfierkrêft. Om de beamstroom te ferbetterjen, is planêre ferdielde multibeam EOS ûntstien, dy't de laterale grutte fan 'e SWS eksploitearret. Troch de ûnôfhinklike beamtunneling kin de planêre ferdielde multibeam in hege útfierkrêft berikke troch in hege totale beamstroom en in lytse stroom per beam te behâlden, wat overmode beamtunneling kin foarkomme yn ferliking mei sheet-beam-apparaten. Dêrom is it foardielich om de stabiliteit fan 'e reizgjende weachbuis te behâlden. Op basis fan earder wurk 8,9 stelt dit artikel in G-band foar unifoarm magnetysk fjild fokussearjende dûbele potleadbeam EOS, wat de stabile oerdrachtôfstân fan 'e beam sterk kin ferbetterje en it beam-ynteraksjegebiet fierder kin fergrutsje, wêrtroch it útfierfermogen sterk ferbetteret.
De struktuer fan dit artikel is as folget. Earst wurde it ûntwerp fan 'e SWS-sel mei parameters, analyze fan ferspriedingseigenskippen en resultaten fan simulaasje mei hege frekwinsje beskreaun. Dêrnei wurde, neffens de struktuer fan 'e ienheidssel, in dûbele potleadbeam EOS en in beam-ynteraksjesysteem yn dit artikel ûntwurpen. Resultaten fan intrasellulêre dieltsjessimulaasje wurde ek presintearre om de brûkberens fan EOS en de prestaasjes fan SDV-TWT te ferifiearjen. Derneist presintearret it artikel koart de fabrikaazje- en kâlde testresultaten om de krektens fan 'e heule HFS te ferifiearjen. Meitsje úteinlik in gearfetting.
As ien fan 'e wichtichste komponinten fan 'e TWT, jouwe de dispersive eigenskippen fan 'e trage-weachstruktuer oan oft de elektronsnelheid oerienkomt mei de fazesnelheid fan 'e SWS, en hawwe sadwaande in grutte ynfloed op 'e striel-weach-ynteraksje. Om de prestaasjes fan 'e heule TWT te ferbetterjen, is in ferbettere ynteraksjestruktuer ûntworpen. De struktuer fan 'e ienheidssel wurdt werjûn yn figuer 1. Mei it each op 'e ynstabiliteit fan 'e plaatstriel en de krêftbeheining fan 'e ienkele pinnestriel, brûkt de struktuer in dûbele pinnestriel om it útfierfermogen en de wurkingsstabiliteit fierder te ferbetterjen. Underwilens, om de wurkbânbreedte te fergrutsjen, is in dûbele modus foarsteld om SWS te operearjen. Fanwegen de symmetry fan 'e SDV-struktuer kin de oplossing fan 'e fergeliking fan it elektromagnetyske fjildfersprieding wurde ferdield yn ûneven en even modi. Tagelyk wurde de fûnemintele ûneven modus fan 'e lege frekwinsjebân en de fûnemintele even modus fan 'e hege frekwinsjebân brûkt om de breedbânsynchronisaasje fan 'e strielynteraksje te realisearjen, wêrtroch't de wurkbânbreedte fierder ferbettere wurdt.
Neffens de stroomeasken is de hiele buis ûntwurpen mei in oandriuwspanning fan 20 kV en in dûbele strielstroom fan 2 × 80 mA. Om de spanning sa ticht mooglik by de wurkbânbreedte fan 'e SDV-SWS te bringen, moatte wy de lingte fan 'e perioade p berekkenje. De relaasje tusken strielspanning en perioade wurdt werjûn yn fergeliking (1)10:
Troch de fazeferskowing yn te stellen op 2.5π by de sintrumfrekwinsje fan 220 GHz, kin de perioade p berekkene wurde op 0.46 mm. Figuer 2a lit de ferspriedingseigenskippen fan 'e SWS-ienheidsel sjen. De 20 kV-beamline komt tige goed oerien mei de bimodale kromme. Oerienkommende frekwinsjebannen kinne sawat 70 GHz berikke yn 'e beriken 210–265.3 GHz (ûneven modus) en 265.4–280 GHz (even modus). Figuer 2b lit de gemiddelde koppelingsimpedânsje sjen, dy't grutter is as 0.6 Ω fan 210 oant 290 GHz, wat oanjout dat sterke ynteraksjes kinne foarkomme yn 'e wurkbânbreedte.
(a) Dispersjekarakteristiken fan in dual-mode SDV-SWS mei in 20 kV elektronenbeamline. (b) Ynteraksje-impedânsje fan it SDV-slow-weachsirkwy.
It is lykwols wichtich om te notearjen dat der in bandgap is tusken de ûneven en even modi, en wy ferwize meastentiids nei dizze bandgap as de stopband, lykas te sjen is yn figuer 2a. As de TWT tichtby dizze frekwinsjeband wurdt betsjinne, kin sterke strielkoppelingssterkte foarkomme, wat sil liede ta net winske oscillaasjes. Yn praktyske tapassingen foarkomme wy oer it algemien it brûken fan TWT tichtby de stopband. It kin lykwols sjoen wurde dat de bandgap fan dizze trage-weachstruktuer mar 0.1 GHz is. It is lestich om te bepalen oft dizze lytse bandgap oscillaasjes feroarsaket. Dêrom sil de stabiliteit fan operaasje om de stopband hinne ûndersocht wurde yn 'e folgjende PIC-simulaasjeseksje om te analysearjen oft net winske oscillaasjes kinne foarkomme.
It model fan 'e hiele HFS wurdt werjûn yn figuer 3. It bestiet út twa stadia fan SDV-SWS, ferbûn troch Bragg-reflektors. De funksje fan 'e reflektor is om de sinjaaloerdracht tusken de twa stadia ôf te snijen, de oscillaasje en refleksje fan net-wurkjende modi lykas hege-oarder modi generearre tusken de boppeste en ûnderste blêden te ûnderdrukken, wêrtroch't de stabiliteit fan 'e hiele buis sterk ferbettere wurdt. Foar ferbining mei de eksterne omjouwing wurdt ek in lineêre tapse koppeling brûkt om de SWS te ferbinen mei in WR-4 standert golflieder. De oerdrachtskoëffisjint fan 'e twa-nivo struktuer wurdt metten troch in tiiddomeinoplosser yn 'e 3D-simulaasjesoftware. Mei it each op it werklike effekt fan 'e terahertzband op it materiaal, wurdt it materiaal fan 'e fakuümomhulsel yn earste ynstânsje ynsteld op koper, en de konduktiviteit wurdt fermindere nei 2,25 × 107 S/m12.
Figuer 4 lit de transmissieresultaten sjen foar HFS mei en sûnder lineêre tapse koppelingen. De resultaten litte sjen dat de koppeling in bytsje effekt hat op 'e transmissieprestaasjes fan 'e heule HFS. It werombringferlies (S11 < −10 dB) en it ynfoegingsferlies (S21 > −5 dB) fan it heule systeem yn 'e 207~280 GHz breedbân litte sjen dat HFS goede transmissiekarakteristiken hat.
As de stroomfoarsjenning fan fakuüm elektroanyske apparaten bepaalt it elektronenkanon direkt oft it apparaat genôch útfierkrêft kin generearje. Yn kombinaasje mei de analyze fan HFS yn seksje II, moat in dûbele beam EOS ûntworpen wurde om genôch krêft te leverjen. Yn dit diel, basearre op earder wurk yn W-band8,9, wurdt in dûbel potleadelektronenkanon ûntworpen mei in planêr maskerdiel en kontrôle-elektroden. Earst, neffens de ûntwerpeasken fan SWS yn seksje. Lykas werjûn yn FIG. 2, de oandriuwspanning Ua fan 'e elektronestrielen is yn earste ynstânsje ynsteld op 20 kV, de streamingen I fan 'e twa elektronestrielen binne beide 80 mA, en de strieladdiameter dw fan 'e elektronestrielen is 0,13 mm. Tagelyk, om te soargjen dat de stroomtichtens fan 'e elektronestriel en de katode berikt wurde kin, is de kompresjeferhâlding fan 'e elektronestriel ynsteld op 7, sadat de stroomtichtens fan 'e elektronestriel 603 A/cm2 is, en de stroomtichtens fan 'e katode 86 A/cm2 is, wat berikt wurde kin troch Dit wurdt berikt mei it brûken fan nije katodematerialen. Neffens ûntwerpteory 14, 15, 16, 17 kin in typysk Pierce-elektroanekanon unyk identifisearre wurde.
Figuer 5 lit de horizontale en fertikale skematyske diagrammen fan it gewear sjen. It is te sjen dat it profyl fan it elektronenkanon yn 'e x-rjochting hast identyk is oan dat fan in typysk plaatfoarmich elektronenkanon, wylst yn 'e y-rjochting de twa elektronenstrielen foar in part skieden wurde troch it masker. De posysjes fan 'e twa katodes binne op x = - 0,155 mm, y = 0 mm en x = 0,155 mm, y = 0 mm, respektivelik. Neffens de ûntwerpeasken fan kompresjeferhâlding en elektronynjeksjegrutte wurde de ôfmjittings fan 'e twa katode-oerflakken bepaald op 0,91 mm × 0,13 mm.
Om it fokussearre elektryske fjild dat troch elke elektronenstriel yn 'e x-rjochting ûntfongen wurdt symmetrysk te meitsjen om syn eigen sintrum, past dit artikel in kontrôle-elektrode ta oan it elektronenkanon. Troch de spanning fan 'e fokussearjende elektrode en de kontrôle-elektrode yn te stellen op −20 kV, en de spanning fan 'e anode op 0 V, kinne wy ​​de trajektferdieling fan it dûbele strielkanon krije, lykas werjûn yn Fig. 6. It is te sjen dat de útstjoerde elektroanen in goede kompressibiliteit hawwe yn 'e y-rjochting, en elke elektronenstriel konvergearret nei de x-rjochting lâns syn eigen symmetrysintrum, wat oanjout dat de kontrôle-elektrode it ûngelikense elektryske fjild dat troch de fokussearjende elektrode generearre wurdt, balansearret.
Figuer 7 lit de strielomhulsel sjen yn 'e x- en y-rjochtingen. De resultaten litte sjen dat de projeksjeôfstân fan 'e elektronenstriel yn 'e x-rjochting oars is as dy yn 'e y-rjochting. De smitenôfstân yn 'e x-rjochting is sawat 4 mm, en de smitenôfstân yn 'e y-rjochting is tichtby 7 mm. Dêrom moat de werklike smitenôfstân keazen wurde tusken 4 en 7 mm. Figuer 8 lit de dwerstrochsneed fan 'e elektronenstriel sjen op 4,6 mm fan it katode-oerflak. Wy kinne sjen dat de foarm fan 'e dwerstrochsneed it tichtst by in standert sirkelfoarmige elektronenstriel leit. De ôfstân tusken de twa elektronenstrielen is tichtby de ûntworpen 0,31 mm, en de radius is sawat 0,13 mm, wat foldocht oan 'e ûntwerpeasken. Figuer 9 lit de simulaasjeresultaten fan 'e strielstroom sjen. It is te sjen dat de twa strielstromen 76 mA binne, wat yn goede oerienkomst is mei de ûntworpen 80 mA.
Mei it each op de fluktuaasje fan 'e oandriuwspanning yn praktyske tapassingen, is it needsaaklik om de spanningsgefoelichheid fan dit model te bestudearjen. Yn it spanningsberik fan 19,8 ~ 20,6 kV wurde de stroom- en strielstroomomhulsels krigen, lykas te sjen is yn figuer 1 en figuer 1.10 en 11. Ut 'e resultaten kin sjoen wurde dat de feroaring fan 'e oandriuwspanning gjin effekt hat op 'e elektronenstrielomhulsel, en de elektronenstrielstroom feroaret allinich fan 0,74 nei 0,78 A. Dêrom kin beskôge wurde dat it elektronenkanon dat yn dit artikel ûntworpen is in goede gefoelichheid foar spanning hat.
It effekt fan oandriuwspanningsfluktuaasjes op 'e x- en y-rjochting beamomhulsels.
In unifoarm magnetysk fokusfjild is in gewoan permanint magneetfokussysteem. Troch de unifoarme magnetyske fjildferdieling oer it hiele strielkanaal is it tige geskikt foar asymmetryske elektronenstrielen. Yn dizze seksje wurdt in unifoarm magnetysk fokussysteem foarsteld foar it behâld fan 'e lange-ôfstânstransmissie fan dûbele potleadstrielen. Troch it analysearjen fan it generearre magnetyske fjild en de strielomhulsel wurdt it ûntwerpskema fan it fokussysteem foarsteld en wurdt it gefoelichheidsprobleem bestudearre. Neffens de stabile transmissieteory fan in inkele potleadstriel18,19 kin de wearde fan it Brillouin-magnetyske fjild berekkene wurde troch fergeliking (2). Yn dit artikel brûke wy dizze lykweardigens ek om it magnetyske fjild fan in lateraal ferdielde dûbele potleadstriel te skatten. Yn kombinaasje mei it elektronenkanon dat yn dit artikel ûntworpen is, is de berekkene magnetyske fjildwearde sawat 4000 Gs. Neffens Ref. 20 wurdt meastentiids 1,5-2 kear de berekkene wearde keazen yn praktyske ûntwerpen.
Figuer 12 lit de struktuer sjen fan in unifoarm magnetysk fjildfokussysteem. It blauwe diel is de permaninte magneet dy't yn 'e aksiale rjochting magnetisearre is. De materiaalseleksje is NdFeB of FeCoNi. De remaninsje Br dy't yn it simulaasjemodel ynsteld is, is 1.3 T en de permeabiliteit is 1.05. Om de stabile oerdracht fan 'e striel yn it heule sirkwy te garandearjen, is de lingte fan 'e magneet yn earste ynstânsje ynsteld op 70 mm. Derneist bepaalt de grutte fan 'e magneet yn 'e x-rjochting oft it transversale magnetyske fjild yn it strielkanaal unifoarm is, wat fereasket dat de grutte yn 'e x-rjochting net te lyts wêze kin. Tagelyk, sjoen de kosten en it gewicht fan 'e heule buis, moat de grutte fan 'e magneet net te grut wêze. Dêrom binne de magneten yn earste ynstânsje ynsteld op 150 mm × 150 mm × 70 mm. Underwilens, om te soargjen dat it heule trage-golfsirkwy yn it fokussysteem pleatst wurde kin, is de ôfstân tusken de magneten ynsteld op 20 mm.
Yn 2015 stelde Purna Chandra Panda21 in poalstik foar mei in nij stapgat yn in unifoarm magnetysk fokussysteem, dat de grutte fan fluxlekkage nei de katode en it transversale magnetyske fjild dat by it poalstikgat generearre wurdt fierder ferminderje kin. Yn dit artikel foegje wy in stapstruktuer ta oan it poalstik fan it fokussysteem. De dikte fan it poalstik is yn earste ynstânsje ynsteld op 1,5 mm, de hichte en breedte fan 'e trije stappen binne 0,5 mm, en de ôfstân tusken de gatten fan it poalstik is 2 mm, lykas te sjen is yn figuer 13.
Figuer 14a lit de aksiale magnetyske fjildferdieling sjen lâns de sintrumlinen fan 'e twa elektronestrielen. It is te sjen dat de magnetyske fjildkrêften lâns de twa elektronestrielen gelyk binne. De magnetyske fjildwearde is sawat 6000 Gs, wat 1,5 kear it teoretyske Brillouin-fjild is om de transmissie- en fokusprestaasjes te fergrutsjen. Tagelyk is it magnetyske fjild by de katode hast 0, wat oanjout dat it poalstik in goed effekt hat op it foarkommen fan magnetyske fluxlekkage. Figuer 14b lit de transversale magnetyske fjildferdieling By sjen yn 'e z-rjochting oan' e boppeste râne fan 'e twa elektronestrielen. It is te sjen dat it transversale magnetyske fjild allinich by it poalstikgat minder as 200 Gs is, wylst yn it trage-weachsirkwy it transversale magnetyske fjild hast nul is, wat bewiist dat de ynfloed fan it transversale magnetyske fjild op 'e elektronestriel ferwaarloosber is. Om magnetyske sêding fan 'e poalstikken te foarkommen, is it nedich om de magnetyske fjildsterkte binnen de poalstikken te bestudearjen. Figuer 14c lit de absolute wearde fan 'e magnetyske fjildferdieling binnen it poalstik sjen. It is te sjen dat de absolute wearde fan 'e magnetyske fjildsterkte is minder as 1.2T, wat oanjout dat de magnetyske sêding fan it poalstik net sil foarkomme.
Magnetyske fjildsterkteferdieling foar Br = 1.3 T. (a) Aksiale fjildferdieling. (b) Laterale fjildferdieling By yn 'e z-rjochting. (c) Absolute wearde fan fjildferdieling binnen it poalstik.
Op basis fan 'e CST PS-module is de aksiale relative posysje fan it dûbele strielgewear en it fokussysteem optimalisearre. Neffens Ref. 9 en simulaasjes is de optimale lokaasje wêr't it anodestik it poalstik oerlaapt fuort fan 'e magneet. It waard lykwols fûn dat as de remaninsje ynsteld wie op 1.3T, de transmittânsje fan 'e elektronenstriel net 99% koe berikke. Troch de remaninsje te ferheegjen nei 1.4 T, sil it fokusmagnetyske fjild wurde ferhege nei 6500 Gs. De strieltrajekten op 'e xoz- en yoz-flakken wurde werjûn yn figuer 15. It kin sjoen wurde dat de striel in goede transmissie hat, lytse fluktuaasje, en in transmissieôfstân grutter as 45 mm.
Trajekten fan dûbele potleadstralen ûnder in homogeen magnetysk systeem mei Br = 1,4 T. (a) xoz flak. (b) yoz fleantúch.
Figuer 16 lit de dwerstrochsneed fan 'e striel sjen op ferskate posysjes fuort fan 'e katode. It is te sjen dat de foarm fan 'e strielseksje yn it fokussysteem goed ûnderhâlden wurdt, en de seksjediameter feroaret net folle. Figuer 17 lit de strielomhulsels sjen yn 'e x- en y-rjochtingen, respektivelik. It is te sjen dat de fluktuaasje fan 'e striel yn beide rjochtingen tige lyts is. Figuer 18 lit de simulaasjeresultaten fan 'e strielstroom sjen. De resultaten litte sjen dat de stroom sawat 2 × 80 mA is, wat oerienkomt mei de berekkene wearde yn it ûntwerp fan it elektronenkanon.
Elektroanestriel-dwarsdoorsnede (mei fokussysteem) op ferskate posysjes fuort fan 'e katode.
Mei it each op in searje problemen lykas gearstallingsflaters, spanningsfluktuaasjes en feroaringen yn magnetyske fjildsterkte yn praktyske ferwurkingsapplikaasjes, is it needsaaklik om de gefoelichheid fan it fokussysteem te analysearjen. Omdat der in gat is tusken it anode-stik en it poalstik yn 'e werklike ferwurking, moat dizze gat ynsteld wurde yn 'e simulaasje. De gatwearde waard ynsteld op 0,2 mm en Figuer 19a lit de strielomhulp en strielstroom yn 'e y-rjochting sjen. Dit resultaat lit sjen dat de feroaring yn 'e strielomhulp net signifikant is en de strielstroom amper feroaret. Dêrom is it systeem ûngefoelich foar gearstallingsflaters. Foar de fluktuaasje fan 'e oandriuwspanning is it flaterberik ynsteld op ±0,5 kV. Figuer 19b lit de fergelikingsresultaten sjen. It kin sjoen wurde dat de spanningsferoaring in bytsje effekt hat op 'e strielomhulp. It flaterberik is ynsteld fan -0,02 oant +0,03 T foar feroaringen yn magnetyske fjildsterkte. De fergelikingsresultaten wurde werjûn yn Figuer 20. It kin sjoen wurde dat de strielomhulp amper feroaret, wat betsjut dat de heule EOS ûngefoelich is foar feroaringen yn 'e magnetyske fjildsterkte.
De resultaten fan 'e strielomhulsel en stroom ûnder in unifoarm magnetysk fokussysteem. (a) Tolerânsje foar de gearstalling is 0,2 mm. (b) De fluktuaasje fan 'e oandriuwspanning is ±0,5 kV.
Strale-omhulsel ûnder in unifoarm magnetysk fokussysteem mei fluktuaasjes yn aksiale magnetyske fjildsterkte fariearjend fan 0,63 oant 0,68 T.
Om te garandearjen dat it fokussysteem dat yn dit artikel ûntwurpen is, oerienkomt mei HFS, is it needsaaklik om it fokussysteem en HFS te kombinearjen foar ûndersyk. Figuer 21 lit in ferliking sjen fan strielemhulsels mei en sûnder HFS laden. De resultaten litte sjen dat de strielemhulsel net folle feroaret as de hiele HFS laden is. Dêrom is it fokussysteem geskikt foar de reizgjende golfbuis HFS fan it boppesteande ûntwerp.
Om de krektens fan 'e EOS foarsteld yn Seksje III te ferifiearjen en de prestaasjes fan 'e 220 GHz SDV-TWT te ûndersykjen, wurdt in 3D-PIC-simulaasje fan striel-golf-ynteraksje útfierd. Fanwegen beheiningen fan simulaasjesoftware koene wy ​​de hiele EOS net tafoegje oan HFS. Dêrom waard it elektronenkanon ferfongen troch in lykweardich útstjittend oerflak mei in diameter fan 0,13 mm en in ôfstân tusken de twa oerflakken fan 0,31 mm, deselde parameters as it hjirboppe ûntworpen elektronenkanon. Fanwegen de ûngefoelichheid en goede stabiliteit fan EOS kin de oandriuwspanning goed optimalisearre wurde om it bêste útfierfermogen yn 'e PIC-simulaasje te berikken. De simulaasjeresultaten litte sjen dat it verzadigde útfierfermogen en de fersterking kinne wurde krigen by in oandriuwspanning fan 20,6 kV, in strielstroom fan 2 × 80 mA (603 A/cm2), en in ynfierfermogen fan 0,05 W.
Om it bêste útfiersignaal te krijen, moat it oantal syklusen ek optimalisearre wurde. It bêste útfierfermogen wurdt krigen as it oantal fan twa stadia 42 + 48 syklusen is, lykas te sjen is yn figuer 22a. In ynfiersignaal fan 0,05 W wurdt fersterke nei 314 W mei in fersterking fan 38 dB. It útfierfermogenspektrum dat krigen wurdt troch Fast Fourier Transform (FFT) is suver, mei in pyk fan 220 GHz. Figuer 22b lit de aksiale posysjeferdieling fan elektronenerzjy yn 'e SWS sjen, wêrby't de measte elektroanen enerzjy ferlieze. Dit resultaat jout oan dat de SDV-SWS de kinetische enerzjy fan elektroanen kin omsette yn RF-sinjalen, wêrtroch sinjaalfersterking realisearre wurdt.
SDV-SWS útfiersignaal by 220 GHz. (a) Utfierfermogen mei ynbegrepen spektrum. (b) Enerzjyferdieling fan elektroanen mei de elektronenstriel oan 'e ein fan' e SWS-ynset.
Figuer 23 lit de útfierkrêftbânbreedte en fersterking sjen fan in dual-mode dual-beam SDV-TWT. De útfierprestaasjes kinne fierder ferbettere wurde troch frekwinsjes fan 200 oant 275 GHz te ferpleatsen en de oandriuwspanning te optimalisearjen. Dit resultaat lit sjen dat de 3-dB bânbreedte 205 oant 275 GHz kin dekke, wat betsjut dat dual-mode operaasje de wurkbânbreedte sterk kin útwreidzje.
Neffens Fig. 2a witte wy lykwols dat der in stopbân is tusken de ûneven en even modi, wat kin liede ta net winske oscillaasjes. Dêrom moat de wurkstabiliteit om 'e stops hinne bestudearre wurde. Figueren 24a-c binne de 20 ns simulaasjeresultaten by respektivelik 265.3 GHz, 265.35 GHz en 265.4 GHz. It kin sjoen wurde dat hoewol de simulaasjeresultaten wat fluktuaasjes hawwe, it útfierfermogen relatyf stabyl is. It spektrum wurdt ek werjûn yn Figuer 24, it spektrum is suver. Dizze resultaten jouwe oan dat der gjin selsoscillaasje is tichtby de stopbân.
Fabrikaasje en mjitting binne nedich om de krektens fan 'e heule HFS te ferifiearjen. Yn dit diel wurdt de HFS makke mei help fan kompjûternumerike kontrôle (CNC) technology mei in arkdiameter fan 0,1 mm en in ferwurkingsnauwkeurigens fan 10 μm. It materiaal foar de hege-frekwinsjestruktuer wurdt levere troch soerstoffrij heechgeliedend (OFHC) koper. Figuer 25a lit de makke struktuer sjen. De heule struktuer hat in lingte fan 66,00 mm, in breedte fan 20,00 mm en in hichte fan 8,66 mm. Acht pingatten binne ferdield om 'e struktuer hinne. Figuer 25b lit de struktuer sjen troch scanning elektronenmikroskopie (SEM). De blêden fan dizze struktuer wurde unifoarm produsearre en hawwe in goede oerflakteruwheid. Nei krekte mjitting is de totale ferwurkingsflater minder dan 5%, en de oerflakteruwheid is sawat 0,4 μm. De ferwurkingsstruktuer foldocht oan 'e ûntwerp- en presyzje-easken.
Figuer 26 lit de ferliking sjen tusken werklike testresultaten en simulaasjes fan transmissieprestaasjes. Poarte 1 en Poarte 2 yn Figuer 26a komme oerien mei de ynfier- en útfierpoarten fan 'e HFS, respektivelik, en binne lykweardich oan Poarte 1 en Poarte 4 yn Figuer 3. De werklike mjitresultaten fan S11 binne wat better as de simulaasjeresultaten. Tagelyk binne de mjitten resultaten fan 'e S21 wat minder. De reden kin wêze dat de materiaalgelieding dy't yn 'e simulaasje ynsteld is te heech is en de oerflakteruwheid nei werklike ferwurking min is. Oer it algemien binne de mjitten resultaten yn goede oerienkomst mei de simulaasjeresultaten, en de transmissiebânbreedte foldocht oan 'e eask fan 70 GHz, wat de mooglikheid en korrektheid fan 'e foarstelde dual-mode SDV-TWT ferifiearret. Dêrom, yn kombinaasje mei it werklike fabrikaazjeproses en testresultaten, kin it ultra-breedbân dual-beam SDV-TWT-ûntwerp dat yn dit artikel foarsteld wurdt, brûkt wurde foar lettere fabrikaazje en tapassingen.
Yn dit artikel wurdt in detaillearre ûntwerp presintearre fan in planêre ferdieling 220 GHz dûbele beam SDV-TWT. De kombinaasje fan dûbele modus operaasje en dûbele beam-eksitaasje fergruttet de wurkbânbreedte en útfierkrêft fierder. De fabrikaazje en kâlde test wurde ek útfierd om de krektens fan 'e heule HFS te ferifiearjen. De werklike mjitresultaten binne yn goede oerienkomst mei de simulaasjeresultaten. Foar de ûntworpen dûbele beam EOS binne in maskerseksje en kontrôle-elektroden tegearre brûkt om in dûbele potleadbeam te produsearjen. Under it ûntworpen unifoarme fokussearjende magnetyske fjild kin de elektronenbeam stabyl oer lange ôfstannen mei goede foarm oerdroegen wurde. Yn 'e takomst sil de produksje en testen fan EOS útfierd wurde, en de termyske test fan' e heule TWT sil ek útfierd wurde. Dit SDV-TWT-ûntwerpskema dat yn dit artikel foarsteld wurdt, kombinearret folslein de hjoeddeistige folwoeksen flakferwurkingstechnology, en toant grut potinsjeel yn prestaasje-yndikatoaren en ferwurking en gearstalling. Dêrom is dit artikel fan betinken dat de planêre struktuer it meast wierskynlik de ûntwikkelingstrend sil wurde fan fakuümelektronyske apparaten yn 'e terahertz-band.
De measte rûge gegevens en analytyske modellen yn dizze stúdzje binne opnommen yn dit artikel. Fierdere relevante ynformaasje kin op ridlik fersyk fan 'e oerienkommende auteur krigen wurde.
Gamzina, D. et al. Nanoskaal CNC-ferwurking fan sub-terahertz fakuümelektronika. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. en Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikaasje fan sub-terahertz-golflieders mei mearlaachse SU-8 fotoresist. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 THz technology roadmap. 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 Sterke beheining fan plasmonyske golfpropagaasje fia ultra-breedbân ferspraat dûbele-raster golflieders.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Prestaasjes fan in Nano CNC-machineare 220-GHz reizgjende golfbuisfersterker. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Undersyk nei diokotron-ynstabiliteit fan ûneinich brede plaatelektronenstrielen mei help fan makroskopyske kâlde floeistofmodelteory. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV oer de mooglikheid om de bânbreedte te fergrutsjen troch de planêre yndieling fan 'e striel yn in multibeam-klystron. Yn 12e IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, Yndia, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Untwerp fan trijestriel-elektroanekanonnen mei smelle strielsplitsende flakferdieling yn W-band ferspraat dûbelblêdige reizgjende golfbuis [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 Planar ferspraat trijestriel elektronenoptysk systeem mei smelle strielskieding foar W-band fûnemintele modus TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Undersyk nei ynterleaved dûbelblêdige reizgjende golfbuis mei millimetergolfplaatbalken 20-22 (PhD, Beihang Universiteit, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Undersyk nei de stabiliteit fan beam-welle-ynteraksje fan in G-band ynterleaved dûbelblêdige reizgjende wellebuis. 2018 43e Ynternasjonale Konferinsje oer Ynfraread Millimeter- en Terahertz-Weagen, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).