Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili isključite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
U ovom radu je projektirana i verificirana 220GHz širokopojasna isprepletena dvostruka cijev s putujućim valom. Prvo, predložena je planarna dvostruka snopna struktura sporog vala s dvostrukim snopom, stepenasto raspoređenim dvostrukim snopom. Korištenjem dvostrukog načina rada, performanse prijenosa i propusnost su gotovo dvostruko veće od jednomodnog. Drugo, kako bi se zadovoljili zahtjevi visoke izlazne snage i poboljšala stabilnost cijevi s putujućim valom, projektiran je dvostruki elektronički optički sustav u obliku olovke, pogonski napon je 20~21 kV, a struja 2 × 80 mA. Ciljevi dizajna. Korištenjem maske i upravljačke elektrode u dvostrukom snopu, dva snopa olovke mogu se fokusirati duž svojih odgovarajućih središta s omjerom kompresije od 7, udaljenost fokusiranja je oko 0,18 mm, a stabilnost je dobra. Optimiziran je i jednoliki magnetski sustav fokusiranja. Stabilna udaljenost prijenosa planarnog dvostrukog elektronskog snopa može doseći 45 mm, a fokusirajuće magnetsko polje je 0,6 T, što je dovoljno za pokrivanje cijelog visokofrekventnog sustava (HFS). Zatim, kako bi se provjerilo Upotrebljivost elektronsko-optičkog sustava i performanse strukture sporog vala, simulacije čestičnih ćelija (PIC) također su provedene na cijelom HFS-u. Rezultati pokazuju da sustav interakcije snopa može postići vršnu izlaznu snagu od gotovo 310 W na 220 GHz, optimizirani napon snopa je 20,6 kV, struja snopa je 2 × 80 mA, pojačanje je 38 dB, a propusnost od 3 dB prelazi 35 dB oko 70 GHz. Konačno, provedena je izrada visokoprecizne mikrostrukture kako bi se provjerile performanse HFS-a, a rezultati pokazuju da su propusnost i karakteristike prijenosa u dobrom skladu s rezultatima simulacije. Stoga se očekuje da će shema predložena u ovom radu razviti visokosnažne, ultraširokopojasne izvore zračenja u terahercnom pojasu s potencijalom za buduće primjene.
Kao tradicionalni vakuumski elektronički uređaj, cijev s putujućim valom (TWT) igra nezamjenjivu ulogu u mnogim primjenama kao što su radar visoke rezolucije, satelitski komunikacijski sustavi i istraživanje svemira1,2,3. Međutim, kako radna frekvencija ulazi u terahercni pojas, tradicionalni TWT s povezanom šupljinom i spiralni TWT nisu mogli zadovoljiti potrebe ljudi zbog relativno niske izlazne snage, uske propusnosti i teških proizvodnih procesa. Stoga je pitanje kako sveobuhvatno poboljšati performanse THz pojasa postalo vrlo zabrinjavajuće za mnoge znanstveno-istraživačke institucije. Posljednjih godina, nove strukture sporog vala (SWS), poput stupnjevanih struktura s dvostrukim lopaticama (SDV) i struktura presavijenih valovoda (FW), privukle su veliku pozornost zbog svojih prirodnih planarnih struktura, posebno nove SDV-SWS s obećavajućim potencijalom. Ovu strukturu predložio je UC-Davis 2008. godine4. Planarna struktura može se lako izraditi mikro-nano tehnikama obrade kao što su računalno numeričko upravljanje (CNC) i UV-LIGA, a struktura kućišta od cijelog metala može pružiti veći toplinski kapacitet s veća izlazna snaga i pojačanje, a struktura slična valovodu također može pružiti širu radnu propusnost. Trenutno je UC Davis prvi put 2017. godine pokazao da SDV-TWT može generirati izlaze velike snage veće od 100 W i signale propusnosti gotovo 14 GHz u G-pojasu5. Međutim, ovi rezultati još uvijek imaju praznine koje ne mogu zadovoljiti povezane zahtjeve velike snage i široke propusnosti u terahercnom pojasu. Za UC-Davisov G-pojasni SDV-TWT korišteni su pločasti elektronski snopovi. Iako ova shema može značajno poboljšati kapacitet prijenosa struje snopa, teško je održavati veliku udaljenost prijenosa zbog nestabilnosti elektronskog optičkog sustava (EOS) pločastog snopa, a postoji i tunel snopa prekomjernog načina rada, što također može uzrokovati samoregulaciju snopa. – Pobuda i oscilacija 6,7. Kako bi se zadovoljili zahtjevi visoke izlazne snage, široke propusnosti i dobre stabilnosti THz TWT-a, u ovom radu predlaže se dvostruki SDV-SWS s dvostrukim načinom rada. To jest, kako bi se povećala radna propusnost, u ovoj strukturi predlaže se i uvodi dvostruki način rada. Također, kako bi se povećala izlazna snaga, koristi se i planarna raspodjela dvostrukih olovnih snopova. Radio uređaji s jednim olovnim snopom relativno su mali zbog ograničenja vertikalne veličine. Ako je gustoća struje previsoka, struja snopa mora se smanjiti, što rezultira relativno niskom izlaznom snagom. Kako bi se poboljšala struja snopa, pojavio se planarni distribuirani višesnopni EOS, koji iskorištava bočnu veličinu SWS-a. Zbog neovisnog tuneliranja snopa, planarni distribuirani višesnopni uređaj može postići visoku izlaznu snagu održavanjem visoke ukupne struje snopa i male struje po snopu, što može izbjeći tuneliranje snopa u prekomjernom načinu rada u usporedbi s uređajima s pločastim snopom. Stoga je korisno održavati stabilnost cijevi s putujućim valom. Na temelju prethodnog rada8,9, ovaj rad predlaže EOS dvostrukog olovnog snopa s jednolikim magnetskim poljem u G-pojasu, koji može uvelike poboljšati stabilnu udaljenost prijenosa snopa i dodatno povećati područje interakcije snopa, čime se uvelike poboljšava izlazna snaga.
Struktura ovog rada je sljedeća. Prvo je opisan dizajn SWS ćelije s parametrima, analizom karakteristika disperzije i rezultatima visokofrekventne simulacije. Zatim su, prema strukturi jedinične ćelije, u ovom radu dizajnirani EOS s dvostrukom olovnom gredom i sustav interakcije grede. Također su prikazani rezultati simulacije intracelularnih čestica kako bi se provjerila upotrebljivost EOS-a i performanse SDV-TWT-a. Osim toga, rad ukratko prikazuje rezultate izrade i hladnih ispitivanja kako bi se provjerila ispravnost cijelog HFS-a. Na kraju je napravljen sažetak.
Kao jedna od najvažnijih komponenti TWT-a, disperzivna svojstva strukture sporog vala pokazuju odgovara li brzina elektrona faznoj brzini SWS-a, te stoga imaju veliki utjecaj na interakciju snopa i vala. Kako bi se poboljšale performanse cijelog TWT-a, dizajnirana je poboljšana interakcijska struktura. Struktura jedinične ćelije prikazana je na slici 1. Uzimajući u obzir nestabilnost pločastog snopa i ograničenje snage jednostrukog snopa olovke, struktura usvaja dvostruki snop olovke kako bi se dodatno poboljšala izlazna snaga i stabilnost rada. U međuvremenu, kako bi se povećala radna širina pojasa, predložen je dvojni način rada za rad SWS-a. Zbog simetrije SDV strukture, rješenje jednadžbe disperzije elektromagnetskog polja može se podijeliti na neparne i parne načine rada. Istovremeno, temeljni neparni način rada niskofrekventnog pojasa i temeljni parni način rada visokofrekventnog pojasa koriste se za ostvarivanje širokopojasne sinkronizacije interakcije snopa, čime se dodatno poboljšava radna širina pojasa.
Prema zahtjevima za napajanje, cijela cijev je projektirana s pogonskim naponom od 20 kV i strujom dvostrukog snopa od 2 × 80 mA. Kako bismo napon što više uskladili s radnom širinom pojasa SDV-SWS-a, moramo izračunati duljinu perioda p. Odnos između napona snopa i perioda prikazan je u jednadžbi (1)10:
Postavljanjem faznog pomaka na 2,5π pri središnjoj frekvenciji od 220 GHz, period p može se izračunati na 0,46 mm. Slika 2a prikazuje svojstva disperzije SWS jedinične ćelije. Linija snopa od 20 kV vrlo dobro se podudara s bimodalnom krivuljom. Frekvencijski pojasevi podudaranja mogu doseći oko 70 GHz u rasponima od 210–265,3 GHz (neparni mod) i 265,4–280 GHz (parni mod). Slika 2b prikazuje prosječnu impedanciju sprege, koja je veća od 0,6 Ω od 210 do 290 GHz, što ukazuje na to da se u radnoj propusnosti mogu pojaviti jake interakcije.
(a) Karakteristike disperzije dualnog SDV-SWS-a s 20 kV linijom elektronskog snopa. (b) Interakcijska impedancija SDV kruga sporog vala.
Međutim, važno je napomenuti da postoji zabranjeni pojas između neparnih i parnih modova, a taj zabranjeni pojas obično nazivamo zaustavnim pojasom, kao što je prikazano na slici 2a. Ako se TWT koristi u blizini ovog frekvencijskog pojasa, može doći do jake sprege snopa, što će dovesti do neželjenih oscilacija. U praktičnim primjenama općenito izbjegavamo korištenje TWT-a u blizini zaustavnog pojasa. Međutim, može se vidjeti da je zabranjeni pojas ove strukture sporog vala samo 0,1 GHz. Teško je utvrditi uzrokuje li ovaj mali zabranjeni pojas oscilacije. Stoga će se u sljedećem odjeljku simulacije PIC-a istražiti stabilnost rada oko zaustavnog pojasa kako bi se analiziralo mogu li se pojaviti neželjene oscilacije.
Model cijelog HFS-a prikazan je na slici 3. Sastoji se od dva stupnja SDV-SWS-a, spojenih Braggovim reflektorima. Funkcija reflektora je prekinuti prijenos signala između dva stupnja, suzbiti oscilacije i refleksiju neradnih modova poput modova višeg reda generiranih između gornjih i donjih lopatica, čime se uvelike poboljšava stabilnost cijele cijevi. Za spajanje na vanjsko okruženje, linearni konusni spojnik također se koristi za spajanje SWS-a na standardni valovod WR-4. Koeficijent prijenosa dvorazinske strukture mjeri se rješavačem vremenske domene u 3D simulacijskom softveru. Uzimajući u obzir stvarni utjecaj terahercnog pojasa na materijal, materijal vakuumske ovojnice inicijalno je postavljen na bakar, a vodljivost je smanjena na 2,25 × 107 S/m12.
Slika 4 prikazuje rezultate prijenosa za HFS sa i bez linearnih suženih spojnica. Rezultati pokazuju da spojnica ima mali utjecaj na performanse prijenosa cijelog HFS-a. Gubitak povratnog signala (S11 < −10 dB) i gubitak umetnutog signala (S21 > −5 dB) cijelog sustava u širokopojasnom pojasu od 207~280 GHz pokazuju da HFS ima dobre karakteristike prijenosa.
Kao izvor napajanja vakuumskih elektroničkih uređaja, elektronski top izravno određuje može li uređaj generirati dovoljno izlazne snage. U kombinaciji s analizom HFS-a u Odjeljku II, potrebno je dizajnirati EOS s dvostrukim snopom kako bi se osigurala dovoljna snaga. U ovom dijelu, na temelju prethodnog rada u W-pojasu 8, 9, dizajniran je elektronski top s dvostrukom olovkom pomoću planarnog dijela maske i kontrolnih elektroda. Prvo, prema zahtjevima dizajna SWS-a u Odjeljku. Kao što je prikazano na SLICI. 2, pogonski napon Ua elektronskih snopova je inicijalno postavljen na 20 kV, struje I oba elektronska snopa su 80 mA, a promjer snopa dw elektronskih snopova je 0,13 mm. Istovremeno, kako bi se osiguralo postizanje gustoće struje elektronskog snopa i katode, omjer kompresije elektronskog snopa je postavljen na 7, tako da je gustoća struje elektronskog snopa 603 A/cm2, a gustoća struje katode 86 A/cm2, što se može postići korištenjem novih katodnih materijala. Prema teoriji dizajna 14, 15, 16, 17, tipičan Pierceov elektronski top može se jedinstveno identificirati.
Slika 5 prikazuje horizontalni i vertikalni shematski dijagram topa. Može se vidjeti da je profil elektronskog topa u x-smjeru gotovo identičan profilu tipičnog pločastog elektronskog topa, dok su u y-smjeru dva elektronska snopa djelomično odvojena maskom. Položaji dviju katoda su na x = –0,155 mm, y = 0 mm i x = 0,155 mm, y = 0 mm. Prema zahtjevima dizajna omjera kompresije i veličine ubrizgavanja elektrona, dimenzije dviju katodnih površina određene su na 0,91 mm × 0,13 mm.
Kako bi fokusirano električno polje koje prima svaki elektronski snop u x-smjeru bilo simetrično oko vlastitog središta, u ovom radu se na elektronski top primjenjuje kontrolna elektroda. Postavljanjem napona fokusirajuće elektrode i kontrolne elektrode na -20 kV, a napona anode na 0 V, možemo dobiti raspodjelu putanje dvostrukog topa snopa, kao što je prikazano na slici 6. Može se vidjeti da emitirani elektroni imaju dobru kompresibilnost u y-smjeru, a svaki elektronski snop konvergira prema x-smjeru duž vlastitog središta simetrije, što ukazuje na to da kontrolna elektroda uravnotežuje nejednako električno polje koje generira fokusirajuća elektroda.
Slika 7 prikazuje ovojnicu snopa u smjerovima x i y. Rezultati pokazuju da se udaljenost projekcije elektronskog snopa u x-smjeru razlikuje od one u y-smjeru. Udaljenost bacanja u x smjeru je oko 4 mm, a udaljenost bacanja u y smjeru je blizu 7 mm. Stoga bi stvarna udaljenost bacanja trebala biti odabrana između 4 i 7 mm. Slika 8 prikazuje presjek elektronskog snopa na 4,6 mm od površine katode. Možemo vidjeti da je oblik presjeka najbliži standardnom kružnom elektronskom snopu. Udaljenost između dva elektronska snopa je blizu projektiranih 0,31 mm, a polumjer je oko 0,13 mm, što zadovoljava projektne zahtjeve. Slika 9 prikazuje rezultate simulacije struje snopa. Može se vidjeti da su dvije struje snopa 76 mA, što je u dobrom skladu s projektiranih 80 mA.
Uzimajući u obzir fluktuaciju pogonskog napona u praktičnim primjenama, potrebno je proučiti osjetljivost napona ovog modela. U rasponu napona od 19,8 ~ 20,6 kV, dobivene su omotnice struje i struje snopa, kao što je prikazano na slici 1 i slici 1.10 i 11. Iz rezultata se može vidjeti da promjena pogonskog napona nema utjecaja na omotnicu elektronskog snopa, a struja elektronskog snopa mijenja se samo od 0,74 do 0,78 A. Stoga se može smatrati da elektronski top dizajniran u ovom radu ima dobru osjetljivost na napon.
Utjecaj fluktuacija napona pobude na ovojnice snopa u smjeru x i y.
Jednoliko magnetsko polje za fokusiranje uobičajeni je sustav fokusiranja s permanentnim magnetom. Zbog jednolike raspodjele magnetskog polja po cijelom kanalu snopa, vrlo je prikladno za osnosimetrične elektronske snopove. U ovom odjeljku predlaže se jednoliki sustav magnetskog fokusiranja za održavanje prijenosa dvostrukih olovnih snopova na velike udaljenosti. Analizom generiranog magnetskog polja i ovojnice snopa predlaže se shema dizajna sustava za fokusiranje i proučava se problem osjetljivosti. Prema teoriji stabilnog prijenosa jednog olovnog snopa18,19, vrijednost Brillouinovog magnetskog polja može se izračunati jednadžbom (2). U ovom radu također koristimo ovu ekvivalenciju za procjenu magnetskog polja lateralno raspoređenog dvostrukog olovnog snopa. U kombinaciji s elektronskim topom dizajniranim u ovom radu, izračunata vrijednost magnetskog polja iznosi oko 4000 Gs. Prema Ref. 20, u praktičnim izvedbama obično se bira 1,5-2 puta veća od izračunate vrijednosti.
Slika 12 prikazuje strukturu sustava fokusiranja s uniformnim magnetskim poljem. Plavi dio označava permanentni magnet magnetiziran u aksijalnom smjeru. Odabir materijala je NdFeB ili FeCoNi. Remanencija Br postavljena u simulacijskom modelu je 1,3 T, a permeabilnost je 1,05. Kako bi se osigurao stabilan prijenos snopa u cijelom krugu, duljina magneta je početno postavljena na 70 mm. Osim toga, veličina magneta u x smjeru određuje je li poprečno magnetsko polje u kanalu snopa uniformno, što zahtijeva da veličina u x smjeru ne smije biti premala. Istodobno, uzimajući u obzir cijenu i težinu cijele cijevi, veličina magneta ne smije biti prevelika. Stoga su magneti početno postavljeni na 150 mm × 150 mm × 70 mm. U međuvremenu, kako bi se osiguralo da se cijeli krug sporog vala može smjestiti u sustav fokusiranja, udaljenost između magneta je postavljena na 20 mm.
Godine 2015., Purna Chandra Panda21 predložio je polni dio s novim stepenastim otvorom u uniformnom magnetskom sustavu fokusiranja, što može dodatno smanjiti veličinu propuštanja fluksa na katodu i transverzalno magnetsko polje generirano na otvoru polarnog dijela. U ovom radu dodajemo stepenastu strukturu polnom dijelu sustava fokusiranja. Debljina polarnog dijela je početno postavljena na 1,5 mm, visina i širina triju stepenica su 0,5 mm, a udaljenost između otvora polarnog dijela je 2 mm, kao što je prikazano na slici 13.
Slika 14a prikazuje aksijalnu raspodjelu magnetskog polja duž središnjih linija dvaju elektronskih snopova. Može se vidjeti da su sile magnetskog polja duž dvaju elektronskih snopova jednake. Vrijednost magnetskog polja je oko 6000 Gs, što je 1,5 puta više od teorijskog Brillouinova polja kako bi se povećale performanse prijenosa i fokusiranja. Istovremeno, magnetsko polje na katodi je gotovo 0, što ukazuje na to da pol ima dobar učinak na sprječavanje propuštanja magnetskog toka. Slika 14b prikazuje raspodjelu transverzalnog magnetskog polja By u smjeru z na gornjem rubu dvaju elektronskih snopova. Može se vidjeti da je transverzalno magnetsko polje manje od 200 Gs samo na otvoru polnog nastavka, dok je u krugu sporog vala transverzalno magnetsko polje gotovo nula, što dokazuje da je utjecaj transverzalnog magnetskog polja na elektronski snop zanemariv. Kako bi se spriječilo magnetsko zasićenje polova, potrebno je proučavati jakost magnetskog polja unutar polova. Slika 14c prikazuje apsolutnu vrijednost raspodjele magnetskog polja unutar polnog nastavka. Može se vidjeti da je apsolutna vrijednost jakosti magnetskog polja manje od 1,2 T, što ukazuje da se magnetsko zasićenje polnog dijela neće dogoditi.
Raspodjela jakosti magnetskog polja za Br = 1,3 T. (a) Aksijalna raspodjela polja. (b) Bočna raspodjela polja By u smjeru z. (c) Apsolutna vrijednost raspodjele polja unutar pola.
Na temelju CST PS modula, optimiziran je aksijalni relativni položaj dvostrukog snopa topa i sustava za fokusiranje. Prema Ref. 9 i simulacijama, optimalna lokacija je tamo gdje se anodni dio preklapa s polnim dijelom dalje od magneta. Međutim, utvrđeno je da ako je remanencija postavljena na 1,3 T, propusnost elektronskog snopa ne može doseći 99%. Povećanjem remanencije na 1,4 T, fokusirajuće magnetsko polje povećat će se na 6500 Gs. Putanje snopa na ravninama xoz i yoz prikazane su na slici 15. Može se vidjeti da snop ima dobar prijenos, male fluktuacije i udaljenost prijenosa veću od 45 mm.
Trajektorije dvostrukih olovnih snopova pod homogenim magnetskim sustavom s Br = 1,4 T. (a) xoz ravnina. (b) yoz zrakoplov.
Slika 16 prikazuje presjek snopa na različitim položajima dalje od katode. Može se vidjeti da je oblik presjeka snopa u sustavu za fokusiranje dobro održavan, a promjer presjeka se ne mijenja puno. Slika 17 prikazuje ovojnice snopa u smjeru x i y. Može se vidjeti da je fluktuacija snopa u oba smjera vrlo mala. Slika 18 prikazuje rezultate simulacije struje snopa. Rezultati pokazuju da je struja oko 2 × 80 mA, što je u skladu s izračunatom vrijednošću u dizajnu elektronskog topa.
Presjek elektronskog snopa (sa sustavom za fokusiranje) na različitim položajima udaljenim od katode.
Uzimajući u obzir niz problema kao što su pogreške pri sastavljanju, fluktuacije napona i promjene jakosti magnetskog polja u praktičnim primjenama obrade, potrebno je analizirati osjetljivost sustava fokusiranja. Budući da u stvarnoj obradi postoji razmak između anodnog dijela i pola, taj razmak treba postaviti u simulaciji. Vrijednost razmaka postavljena je na 0,2 mm, a slika 19a prikazuje ovojnicu snopa i struju snopa u smjeru y. Ovaj rezultat pokazuje da promjena ovojnice snopa nije značajna i da se struja snopa gotovo ne mijenja. Stoga je sustav neosjetljiv na pogreške pri sastavljanju. Za fluktuaciju pogonskog napona, raspon pogreške postavljen je na ±0,5 kV. Slika 19b prikazuje rezultate usporedbe. Može se vidjeti da promjena napona ima mali utjecaj na ovojnicu snopa. Raspon pogreške postavljen je od -0,02 do +0,03 T za promjene jakosti magnetskog polja. Rezultati usporedbe prikazani su na slici 20. Može se vidjeti da se ovojnica snopa gotovo ne mijenja, što znači da je cijeli EOS neosjetljiv na promjene jakosti magnetskog polja.
Rezultati ovojnice snopa i struje pod uniformnim magnetskim sustavom fokusiranja. (a) Tolerancija montaže je 0,2 mm. (b) Fluktuacija pogonskog napona je ±0,5 kV.
Ovojnica snopa pod uniformnim magnetskim sustavom fokusiranja s fluktuacijama aksijalnog magnetskog polja u rasponu od 0,63 do 0,68 T.
Kako bi se osiguralo da sustav fokusiranja dizajniran u ovom radu može odgovarati HFS-u, potrebno je kombinirati sustav fokusiranja i HFS za istraživanje. Slika 21 prikazuje usporedbu ovojnica snopa sa i bez opterećenja HFS-om. Rezultati pokazuju da se ovojnica snopa ne mijenja puno kada je cijeli HFS opterećen. Stoga je sustav fokusiranja prikladan za HFS s putujućim valnim cijevima gore navedenog dizajna.
Kako bi se provjerila ispravnost EOS-a predloženog u Odjeljku III i istražile performanse 220 GHz SDV-TWT-a, provedena je 3D-PIC simulacija interakcije snopa i vala. Zbog ograničenja softvera za simulaciju, nismo mogli dodati cijeli EOS u HFS. Stoga je elektronski top zamijenjen ekvivalentnom emitiranom površinom promjera 0,13 mm i udaljenosti između dvije površine od 0,31 mm, istim parametrima kao i kod gore dizajniranog elektronskog topa. Zbog neosjetljivosti i dobre stabilnosti EOS-a, pogonski napon može se pravilno optimizirati kako bi se postigla najbolja izlazna snaga u PIC simulaciji. Rezultati simulacije pokazuju da se zasićena izlazna snaga i pojačanje mogu postići pri pogonskom naponu od 20,6 kV, struji snopa od 2 × 80 mA (603 A/cm2) i ulaznoj snazi ​​od 0,05 W.
Kako bi se dobio najbolji izlazni signal, potrebno je optimizirati i broj ciklusa. Najbolja izlazna snaga postiže se kada je broj dva stupnja 42 + 48 ciklusa, kao što je prikazano na slici 22a. Ulazni signal od 0,05 W pojačava se na 314 W s pojačanjem od 38 dB. Spektar izlazne snage dobiven brzom Fourierovom transformacijom (FFT) je čist, s vrhuncem na 220 GHz. Slika 22b prikazuje aksijalnu raspodjelu energije elektrona u SWS-u, pri čemu većina elektrona gubi energiju. Ovaj rezultat ukazuje na to da SDV-SWS može pretvoriti kinetičku energiju elektrona u RF signale, čime se ostvaruje pojačanje signala.
Izlazni signal SDV-SWS na 220 GHz. (a) Izlazna snaga s uključenim spektrom. (b) Raspodjela energije elektrona s elektronskim snopom na kraju SWS umetka.
Slika 23 prikazuje propusnost izlazne snage i pojačanje dvosnopnog SDV-TWT-a s dva snopa. Izlazne performanse mogu se dodatno poboljšati pomicanjem frekvencija od 200 do 275 GHz i optimizacijom pogonskog napona. Ovaj rezultat pokazuje da propusnost od 3 dB može pokriti 205 do 275 GHz, što znači da rad u dva načina rada može uvelike proširiti radnu propusnost.
Međutim, prema slici 2a, znamo da postoji zaustavni pojas između neparnih i parnih modova, što može dovesti do neželjenih oscilacija. Stoga je potrebno proučiti stabilnost rada oko zaustavnih pojaseva. Slike 24a-c prikazuju rezultate simulacije od 20 ns na 265,3 GHz, 265,35 GHz i 265,4 GHz. Može se vidjeti da iako rezultati simulacije imaju neke fluktuacije, izlazna snaga je relativno stabilna. Spektar je također prikazan na slici 24, spektar je čist. Ovi rezultati ukazuju na to da nema vlastitih oscilacija u blizini zaustavnog pojasa.
Izrada i mjerenje su potrebni za provjeru ispravnosti cijelog HFS-a. U ovom dijelu, HFS se izrađuje korištenjem tehnologije računalnog numeričkog upravljanja (CNC) s promjerom alata od 0,1 mm i točnošću obrade od 10 μm. Materijal za visokofrekventnu strukturu je visokoprovodljivi bakar bez kisika (OFHC). Slika 25a prikazuje izrađenu strukturu. Cijela struktura ima duljinu od 66,00 mm, širinu od 20,00 mm i visinu od 8,66 mm. Osam rupa za igle raspoređeno je po strukturi. Slika 25b prikazuje strukturu dobivenu skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM). Lopatice ove strukture su jednoliko proizvedene i imaju dobru hrapavost površine. Nakon preciznog mjerenja, ukupna pogreška obrade je manja od 5%, a hrapavost površine je oko 0,4 μm. Obrađena struktura zadovoljava zahtjeve dizajna i preciznosti.
Slika 26 prikazuje usporedbu stvarnih rezultata ispitivanja i simulacija prijenosnih performansi. Priključak 1 i priključak 2 na slici 26a odgovaraju ulaznim i izlaznim priključcima HFS-a i ekvivalentni su priključku 1 i priključku 4 na slici 3. Stvarni rezultati mjerenja S11 nešto su bolji od rezultata simulacije. Istovremeno, izmjereni rezultati S21 nešto su lošiji. Razlog tome može biti što je vodljivost materijala postavljena u simulaciji previsoka, a hrapavost površine nakon stvarne obrade loša. Sveukupno, izmjereni rezultati dobro se slažu s rezultatima simulacije, a propusnost prijenosa zadovoljava zahtjev od 70 GHz, što potvrđuje izvedivost i ispravnost predloženog dvomodnog SDV-TWT-a. Stoga se, u kombinaciji sa stvarnim postupkom izrade i rezultatima ispitivanja, ultraširokopojasni dvosnopni SDV-TWT dizajn predložen u ovom radu može koristiti za naknadnu izradu i primjene.
U ovom radu prikazan je detaljan dizajn planarnog distribucijskog 220 GHz dvosnopnog SDV-TWT-a. Kombinacija rada u dva načina rada i dvostruke pobude snopom dodatno povećava radnu propusnost i izlaznu snagu. Izrada i hladno ispitivanje također su provedeni kako bi se provjerila ispravnost cijelog HFS-a. Stvarni rezultati mjerenja dobro se slažu s rezultatima simulacije. Za dizajnirani dvosnopni EOS, maska ​​i kontrolne elektrode korištene su zajedno za stvaranje dvoslojnog snopa. Pod dizajniranim uniformnim fokusirajućim magnetskim poljem, elektronski snop može se stabilno prenositi na velike udaljenosti s dobrim oblikom. U budućnosti će se provesti proizvodnja i testiranje EOS-a, a provest će se i toplinsko ispitivanje cijelog TWT-a. Ova shema dizajna SDV-TWT-a predložena u ovom radu u potpunosti kombinira trenutnu zrelu tehnologiju obrade ravnina i pokazuje veliki potencijal u pokazateljima performansi te obradi i montaži. Stoga se u ovom radu vjeruje da će planarna struktura najvjerojatnije postati trend razvoja vakuumskih elektroničkih uređaja u terahercnom pojasu.
Većina sirovih podataka i analitičkih modela iz ove studije uključena je u ovaj rad. Dodatne relevantne informacije mogu se dobiti od odgovarajućeg autora na razuman zahtjev.
Gamzina, D. i dr. Nanoskalna CNC obrada subterahercne vakuumske elektronike. IEEE Trans. elektronički uređaji. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. i Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikacija subterahercnih valovoda korištenjem višeslojnog SU-8 fotorezista. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS i dr. 2017. Plan razvoja THz tehnologije. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR i Luhmann, NC Snažno ograničavanje širenja plazmonskih valova putem ultraširokopojasnih stepenasto raspoređenih valovoda s dvostrukom rešetkom.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. i dr. Performanse nano CNC strojno obrađenog cijevnog pojačala s putujućim valom od 220 GHz. IEEE Trans. elektronički uređaji. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. i Ruan, CJ Istraživanje diokotronske nestabilnosti beskonačno širokih slojevitih elektronskih snopova korištenjem teorije makroskopskog modela hladnog fluida. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV o mogućnosti povećanja propusnosti planarnim rasporedom snopa u višesnopnom klistronu. U 12. IEEE međunarodnoj konferenciji o vakuumskoj elektronici, Bangalore, Indija, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ i dr. Dizajn elektronskih topova s ​​tri snopa i uskom raspodjelom ravnine cijepanja snopa u W-pojasnoj cijevi s dvostrukim lopaticama i stepenastim rasporedom [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB i Ruan, CJ Planarni distribuirani trosnopni elektronski optički sustav s uskim razmakom snopa za TWT u W-pojasu temeljnog moda. IEEE Trans.electronic devices. 68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Istraživanje isprepletene cijevi s dvostrukim lopaticama za putujući valni sustav s milimetarskim valnim pločama 20-22 (doktorat, Sveučilište Beihang, 2018.).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. i He, Y. Studija o stabilnosti interakcije snopa i vala dvostruke cijevi s putujućim valom i isprepletenim G-pojasom. 2018. 43. međunarodna konferencija o infracrvenim milimetarskim i terahercnim valovima, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).