Hvala 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 rada kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazat ćemo web mjesto bez stilova i JavaScripta.
U ovom radu dizajnirana je i verificirana širokopojasna visoko-snažna isprepletena dvostruka lopatica s putujućim valom. Prvo, predložena je planarna dvostruka snopa raspoređena sporovalna struktura s dvostrukom lopaticom. Korištenjem sheme rada s dvostrukim načinom rada, performanse prijenosa i propusnost gotovo su dvostruko veći od jednomodnog. Drugo, kako bi se zadovoljili zahtjevi visoke izlazne snage i poboljšala stabilnost cijevi s putujućim valom, dizajniran je elektronički optički sustav u obliku dvostruke olovke, pogonski napon je 20~21 kV, a struja je 2 × 80 mA. Ciljevi dizajna. Upotrebom dijela maske i kontrolne elektrode u pištolju s dvostrukom zrakom, dvije zrake olovke mogu se fokusirati duž svojih središta s omjerom kompresije od 7, udaljenost fokusiranja je oko 0,18 mm, a stabilnost je dobra. Uniformirani magnetski sustav fokusiranja također je optimiziran .Stabilna udaljenost prijenosa planarne dvostruke elektronske zrake može doseći 45 mm, a magnetsko polje za fokusiranje je 0,6 T, što je dovoljno za pokrivanje cijelog visokofrekventnog sustava (HFS). Zatim, kako bi se potvrdila upotrebljivost elektronsko-optičkog sustava i izvedba sporovalne strukture, simulacije ćelija čestica (PIC) također su izvedene na cijelom HFS-u. Rezultati pokazuju da sustav interakcije snopa može postići vršnu izlaznu snagu od gotovo 31 0 W na 220 GHz, optimizirani napon snopa je 20,6 kV, struja snopa je 2 × 80 mA, pojačanje je 38 dB, a širina pojasa od 3 dB prelazi 35 dB oko 70 GHz. Konačno, izvodi se visokoprecizna izrada mikrostrukture kako bi se provjerila izvedba HFS-a, a rezultati pokazuju da se širina pojasa i karakteristike prijenosa dobro slažu s rezultatima simulacije Stoga se očekuje da će shema predložena u ovom radu razviti ultraširokopojasne izvore zračenja velike snage terahercnog pojasa 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 terahertz pojas, tradicionalni TWT sa spregnutom šupljinom i spiralni TWT nisu mogli zadovoljiti potrebe ljudi zbog relativno niske izlazne snage, uskog pojasa i teške proizvodnje Zbog toga je pitanje kako sveobuhvatno poboljšati performanse THz pojasa postalo vrlo zabrinuto pitanje za mnoge znanstveno-istraživačke institucije. Posljednjih godina, nove sporovalne strukture (SWS), kao što su raspoređene strukture s dvije lopatice (SDV) i strukture presavijenog valovoda (FW), dobile su veliku pozornost zbog svojih prirodnih planarnih struktura, posebno nove SDV-SWS s obećavajućim potencijalom. Ovu je strukturu predložio UC-Davis u 20084. Planarna struktura može se lako izraditi tehnikama mikro-nano obrade kao što su računalno numeričko upravljanje (CNC) i UV-LIGA, potpuno metalna struktura paketa može pružiti veći toplinski kapacitet s većom izlaznom snagom i pojačanjem, a struktura slična valovodu također može pružiti širi radni pojas. Trenutno je UC Davis prvi put 2017. pokazao da SDV-TWT može generirati izlaze velike snage veće od 10 Signali propusnosti od 0 W i gotovo 14 GHz u G-pojasu5. Međutim, ovi rezultati još uvijek imaju nedostatke koji ne mogu zadovoljiti povezane zahtjeve velike snage i široke propusnosti u terahercnom pojasu. Za UC-Davisov G-pojas SDV-TWT korišteni su snopovi elektrona. Iako ova shema može značajno poboljšati kapacitet prijenosa struje snopa, teško je održavati veliku udaljenost prijenosa zbog nestabilnosti elektronskog optičkog sustava snopa (EOS), a postoji i tunel snopa prekomjernog načina rada, koji također može uzrokovati samoregulaciju snopa.– Pobuda i oscilacija 6,7. Kako bi se zadovoljili zahtjevi velike izlazne snage, široke pojasne širine i dobre stabilnosti THz TWT, u ovom se radu predlaže SDV-SWS s dvostrukom zrakom i dualnim načinom rada. To jest, kako bi se povećala radna širina pojasa, dvostruki način rada predlaže se i uvodi u ovu strukturu. A kako bi se povećala izlazna snaga, također se koristi planarna distribucija dvostrukih olovkastih zraka. Radiouređaji s jednostrukim 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 planarno distribuirani višesnopni EOS, koji iskorištava bočnu veličinu SWS-a. Zbog neovisnog tuneliranja snopa, planarno distribuirani višesnop može postići visoku izlaznu snagu održavanjem visoke ukupne struje snopa i mala struja po snopu, čime se može izbjeći prekomjerno tuneliranje snopa u usporedbi s uređajima sa plosnatim snopom. Stoga je korisno održavati stabilnost cijevi s putujućim valom. Na temelju prethodnog rada 8, 9, ovaj rad predlaže jednolično magnetsko polje G-pojasa s fokusiranjem dvostruke olovke snopa EOS, što može znatno poboljšati stabilnu udaljenost prijenosa snopa i dodatno povećati područje interakcije snopa, čime se značajno poboljšava izlazna snaga.
Struktura ovog rada je sljedeća. Prvo je opisan dizajn SWS ćelije s parametrima, analizom disperzijskih karakteristika i rezultatima visokofrekventne simulacije. Zatim, u skladu sa strukturom jedinične ćelije, u ovom su radu dizajnirani dvostruki snop snopa EOS i sustav interakcije snopa. Također su prikazani rezultati simulacije unutarstaničnih čestica za provjeru upotrebljivosti EOS-a i performansi SDV-TWT-a. Osim toga, rad ukratko predstavlja rezultate izrade i hladnog ispitivanja provjeriti ispravnost cijelog HFS-a.Na kraju napraviti sažetak.
Kao jedna od najvažnijih komponenti TWT-a, disperzivna svojstva sporovalne strukture pokazuju podudara li se brzina elektrona s faznom brzinom SWS-a i stoga ima veliki utjecaj na interakciju snop-val. Da bi se poboljšala izvedba cijelog TWT-a, dizajnirana je poboljšana interakcijska struktura. Struktura jedinične ćelije prikazana je na slici 1. Uzimajući u obzir nestabilnost snopa lima i ograničenje snage pojedinačnog snopa pera, struktura usvaja dvostruka greda olovke za daljnje poboljšanje izlazne snage i stabilnosti rada.U međuvremenu, kako bi se povećala radna širina pojasa, predložen je dvostruki način rada SWS-a. Zbog simetrije SDV strukture, rješenje disperzijske jednadžbe elektromagnetskog polja može se podijeliti na neparne i parne načine. U isto vrijeme, osnovni neparni način niskofrekventnog pojasa i osnovni parni način visokofrekventnog pojasa koriste se za realizaciju širokopojasne sinkronizacije interakcije snopa, čime se dodatno poboljšava radni pojas širina.
U skladu sa zahtjevima za napajanje, cijela je cijev projektirana s pogonskim naponom od 20 kV i strujom dvostrukog snopa od 2 × 80 mA. Kako bismo napon uskladili što je moguće bliže radnom pojasu SDV-SWS, moramo izračunati duljinu perioda p. Odnos između napona snopa i perioda prikazan je u jednadžbi (1)10:
Postavljanjem faznog pomaka na 2,5π na središnjoj frekvenciji od 220 GHz, period p može se izračunati na 0,46 mm. Slika 2a prikazuje disperzijska svojstva SWS jedinične ćelije. 20 kV snop vrlo dobro odgovara bimodalnoj krivulji. Odgovarajući frekvencijski pojasevi mogu doseći oko 70 GHz u 210–265,3 GHz (neparni način) i 265,4–2 Rasponi od 80 GHz (parni način rada). Slika 2b prikazuje prosječnu impedanciju sprezanja, koja je veća od 0,6 Ω od 210 do 290 GHz, što ukazuje da se u radnom pojasu mogu pojaviti jake interakcije.
(a) Karakteristike disperzije dvomodnog SDV-SWS s 20 kV snopom elektrona. (b) Impedancija interakcije sporovalnog kruga SDV.
Međutim, važno je napomenuti da postoji razmak između neparnog i parnog moda, a mi obično ovaj razmak nazivamo zaustavnim pojasom, kao što je prikazano na slici 2a. Ako TWT radi u blizini ovog frekvencijskog pojasa, može doći do jake spojne snage 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 razmak pojasa ove sporovalne strukture samo 0,1 GHz. Teško je odrediti uzrokuje li ovaj mali razmak pojasa oscilacije. Stoga će se stabilnost rada oko graničnog pojasa istražiti u sljedećem odjeljku PIC simulacije 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, povezanih Braggovim reflektorima. Funkcija reflektora je prekinuti prijenos signala između dva stupnja, potisnuti oscilacije i refleksiju neradnih modova kao što su modovi visokog reda koji se generiraju između gornjih i donjih lopatica, čime se uvelike poboljšava stabilnost cijele cijevi. Za spajanje na vanjsko okruženje koristi se linearna konusna spojnica također se koristi za povezivanje SWS-a sa standardnim valovodom WR-4. Koeficijent prijenosa dvorazinske strukture mjeri se rješavačem vremenske domene u softveru za 3D simulaciju. Uzimajući u obzir stvarni učinak terahercnog pojasa na materijal, materijal vakuumske ovojnice početno 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 sprežnika. Rezultati pokazuju da spojnik ima mali učinak na performanse prijenosa cijelog HFS-a. Povratni gubitak (S11 < − 10 dB) i uneseni gubitak (S21 > − 5 dB) cijelog sustava u širokopojasnom 207~280 GHz pokazuju da HFS ima dobre karakteristike prijenosa.
Kao napajanje vakuumskih elektroničkih uređaja, elektronski pištolj izravno određuje može li uređaj generirati dovoljno izlazne snage.2, pogonski napon Ua elektronskih zraka početno je postavljen na 20 kV, struje I dvaju elektronskih zraka su obje 80 mA, a promjer dw zrake elektronskih zraka je 0,13 mm. U isto vrijeme, kako bi se osiguralo da se može postići gustoća struje elektronskog zraka i katode, omjer kompresije elektronskog zraka je postavljen na 7, tako da struja gustoća elektronskog snopa je 603 A/cm2, a gustoća struje katode je 86 A/cm2, što se može postići To se postiže uporabom novih katodnih materijala. Prema teoriji dizajna 14, 15, 16, 17, tipični Pierceov elektronski top može se jedinstveno identificirati.
Slika 5 prikazuje vodoravni i okomiti shematski dijagram pištolja. Može se vidjeti da je profil elektronskog topa u x-smjeru gotovo identičan profilu tipičnog elektronskog topa u obliku lima, dok su u y-smjeru dvije elektronske zrake djelomično odvojene maskom. Položaji dviju katoda su na x = – 0,155 mm, y = 0 mm i x = 0,15 5 mm, y = 0 mm, redom. Prema projektnim zahtjevima 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 u odnosu na vlastito središte, ovaj rad primjenjuje kontrolnu elektrodu na elektronski top. Postavljanjem napona fokusirajuće elektrode i kontrolne elektrode na -20 kV, a napona anode na 0 V, možemo dobiti distribuciju putanje dvostrukog snopa pištolja, kao što je prikazano na slici 6. Može se vidjeti da su emitirani elektroni imaju dobru kompresibilnost u y-smjeru, a svaka elektronska zraka konvergira prema x-smjeru duž vlastitog središta simetrije, što ukazuje da kontrolna elektroda uravnotežuje nejednako električno polje koje stvara elektroda za fokusiranje.
Slika 7 prikazuje omotač snopa u smjerovima x i y. Rezultati pokazuju da se udaljenost projekcije elektronskog snopa u x-smjeru razlikuje od one u y-smjeru. Udaljenost projiciranja u smjeru x je oko 4 mm, a udaljenost izbacivanja u smjeru y je blizu 7 mm. Stoga, stvarna udaljenost izbacivanja treba odabrati između 4 i 7 mm. Slika 8 prikazuje poprečni presjek snopa elektrona na 4,6 mm od površine katode. Možemo vidjeti da je oblik poprečnog presjeka najbliži standardnom kružnom elektronskom snopu. Udaljenost između dva snopa elektrona je blizu projektiranih 0,31 mm, a radijus je oko 0,13 mm, što udovoljava projektnim zahtjevima. Slika 9 prikazuje rezultate simulacije struje snopa. Može se vidjeti da su struje dva snopa 76 mA, što je u dobrom skladu s projektiranim 80 m A.
Uzimajući u obzir fluktuaciju pogonskog napona u praktičnim primjenama, potrebno je proučiti naponsku osjetljivost ovog modela. U rasponu napona od 19,8 ~ 20,6 kV, dobivene su ovojnice struje i struje snopa, kao što je prikazano na slici 1 i slikama 1.10 i 11. Iz rezultata se može vidjeti da promjena pogonskog napona nema utjecaja na ovojnicu elektronskog snopa, a struja elektronskog snopa se mijenja samo od 0,74 do 0,78 A. Stoga se može smatrati da elektronski top dizajniran u ovom radu ima dobru osjetljivost na napon.
Učinak fluktuacija pogonskog napona na ovojnice zraka u smjeru x i y.
Uniformno magnetsko fokusno polje uobičajeni je sustav za fokusiranje trajnog magneta. Zbog jednolike distribucije magnetskog polja kroz kanal snopa, vrlo je pogodno za osnosimetrične elektronske snopove. U ovom odjeljku predlaže se jednoliki sustav magnetskog fokusiranja za održavanje prijenosa dvostrukih olovkastih snopova na velike udaljenosti. Analizom generiranog magnetskog polja i ovojnice snopa, predlaže se shema dizajna sustava za fokusiranje i proučava se problem osjetljivosti. U skladu s teorijom stabilnog prijenosa jednostruke zrake olovke18,19, vrijednost Brillouinova magnetskog polja može se izračunati jednadžbom (2). U ovom radu također koristimo ovu ekvivalenciju za procjenu magnetskog polja bočno raspoređene zrake dvostruke olovke. U kombinaciji s elektronskim topom dizajniranim u ovom radu, izračunata vrijednost magnetskog polja je oko 4000 Gs. Prema Ref.20, 1,5-2 puta veća od izračunate vrijednosti obično se bira u praktičnim projektima.
Slika 12 prikazuje strukturu jednolikog sustava polja za fokusiranje magnetskog polja. Plavi dio je 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 zrake u cijelom krugu, duljina magneta početno je postavljena na 70 mm. Osim toga, veličina magneta u smjer x određuje je li poprečno magnetsko polje u kanalu snopa ujednačeno, što zahtijeva da veličina u smjeru x ne može biti premala. U isto vrijeme, 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 sporovalni krug može postaviti u sustav za fokusiranje, udaljenost između magneta s je postavljen na 20 mm.
Godine 2015. Purna Chandra Panda21 predložio je polni dio s novom stepenastom rupom u jedinstvenom sustavu magnetskog fokusiranja, koji može dodatno smanjiti veličinu curenja toka na katodu i poprečno magnetsko polje koje se stvara na otvoru polovnog dijela. U ovom radu dodajemo stepenastu strukturu polovnom dijelu sustava za fokusiranje. Debljina polarnog dijela je inicijalno postavljena na 1,5 mm, visina i širina od tri koraka su 0,5 mm, a razmak između rupa na polnim nastavcima je 2 mm, kao što je prikazano na slici 13.
Slika 14a prikazuje distribuciju aksijalnog magnetskog polja duž središnjih linija dvaju elektronskih zraka. Može se vidjeti da su sile magnetskog polja duž dvaju elektronskih zraka jednake. Vrijednost magnetskog polja je oko 6000 Gs, što je 1,5 puta više od teorijskog Brillouinova polja za povećanje prijenosa i učinkovitosti fokusiranja. U isto vrijeme, magnetsko polje na katodi je gotovo 0, što ukazuje da pol ima dobar učinak na sprječavanje curenja magnetskog toka. Slika 14b prikazuje distribuciju transverzalnog magnetskog polja By u smjeru z na gornjem rubu dvaju elektronskih zraka. Može se vidjeti da je transverzalno magnetsko polje manje od 200 Gs samo na otvoru pola, dok je u sporovalnom krugu transverzalno magnetsko polje gotovo jednako nuli, što dokazuje da je utjecaj transverzalnog magnetskog polja na elektronski snop zanemariv .Kako bi se spriječilo magnetsko zasićenje polarnih dijelova, potrebno je proučiti jakost magnetskog polja unutar polovnih dijelova. Slika 14c prikazuje apsolutnu vrijednost raspodjele magnetskog polja unutar polovnog dijela. Može se vidjeti da je apsolutna vrijednost jakosti magnetskog polja manja od 1,2 T, što ukazuje da neće doći do magnetskog zasićenja polarnog dijela.
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 polovnog nastavka.
Na temelju CST PS modula, aksijalni relativni položaj pištolja s dvostrukom zrakom i sustav fokusiranja je optimiziran. Prema Ref.9 i simulacije, optimalno mjesto je mjesto gdje dio anode preklapa polni dio dalje od magneta. Međutim, utvrđeno je da ako je remanencija postavljena na 1,3 T, propusnost elektronskog snopa ne bi mogla doseći 99%. Povećanjem remanencije na 1,4 T, fokusno magnetsko polje povećat će se na 6500 Gs. Putanje snopa na xoz i yoz ravninama prikazane su na slici 15. Može se vidjeti da zraka ima dobar prijenos, malu fluktuaciju i udaljenost prijenosa veću od 45 mm.
Putanje dvostrukih snopova olovke u homogenom magnetskom sustavu s Br = 1,4 T. (a) xoz ravnina. (b) yoz zrakoplov.
Slika 16 prikazuje poprečni presjek snopa na različitim pozicijama od katode. Može se vidjeti da je oblik sekcije snopa u sustavu za fokusiranje dobro zadržan, a promjer sekcije se ne mijenja mnogo. Slika 17 prikazuje omotnice snopa u smjerovima x odnosno y. Može se vidjeti da je fluktuacija snopa u oba smjera vrlo mala. Slika 18 prikazuje rezultate simulacije 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 pozicijama od katode.
Uzimajući u obzir niz problema kao što su pogreške pri montaži, fluktuacije napona i promjene u jakosti magnetskog polja u praktičnim primjenama obrade, potrebno je analizirati osjetljivost sustava za fokusiranje. Budući da postoji razmak između anodnog dijela i polovnog dijela u stvarnoj obradi, ovaj 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 u ovojnici snopa nije značajna i da se struja snopa jedva mijenja. Stoga je sustav neosjetljiv na greške pri montaži. Za fluktuacije pogonskog napona, raspon pogreške postavljen je na ±0,5 kV. Slika 19b prikazuje rezultate usporedbe. Može se vidjeti da promjena napona ima mali učinak na ovojnicu snopa. Raspon pogreške postavljen je od -0,02 do +0,03 T za promjene Rezultati usporedbe prikazani su na slici 20. Vidljivo je da se omotnica snopa gotovo ne mijenja, što znači da je cijeli EOS neosjetljiv na promjene jakosti magnetskog polja.
Ovojnica snopa i struja rezultiraju pod jedinstvenim sustavom magnetskog fokusiranja. (a) Tolerancija sklopa je 0,2 mm. (b) Fluktuacija pogonskog napona je ±0,5 kV.
Omotnica snopa pod jedinstvenim sustavom magnetskog fokusiranja s fluktuacijama jakosti aksijalnog magnetskog polja u rasponu od 0,63 do 0,68 T.
Kako bi se osiguralo da se sustav za fokusiranje dizajniran u ovom radu može podudarati s HFS-om, potrebno je kombinirati sustav za fokusiranje i HFS za istraživanje. Slika 21 prikazuje usporedbu ovojnica snopa sa i bez učitanog HFS-a. Rezultati pokazuju da se omotnica snopa ne mijenja mnogo kada je cijeli HFS opterećen. Stoga je sustav za fokusiranje prikladan za cijev s putujućim valom HFS gornjeg dizajna.
Kako bi se potvrdila ispravnost EOS-a predloženog u odjeljku III i istražila izvedba 220 GHz SDV-TWT-a, provodi se 3D-PIC simulacija interakcije zraka i vala. Zbog ograničenja softvera za simulaciju, nismo bili u mogućnosti dodati cijeli EOS u HFS. Stoga je elektronski top zamijenjen ekvivalentnom emitirajućom površinom promjera 0,13 mm i udaljenosti između dviju površina od 0 .31 mm, isti parametri kao gore dizajnirani elektronski top. Zbog neosjetljivosti i dobre stabilnosti EOS-a, pogonski napon može se ispravno optimizirati kako bi se postigla najbolja izlazna snaga u PIC simulaciji. Rezultati simulacije pokazuju da se zasićena izlazna snaga i dobitak mogu dobiti pri pogonskom naponu od 20,6 kV, struji snopa od 2 × 80 mA (603 A/cm2) i ulaznoj snazi ​​od 0,0 5 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 maksimumom na 220 GHz. Slika e 22b prikazuje distribuciju energije elektrona u aksijalnom položaju u SWS-u, pri čemu većina elektrona gubi energiju. Ovaj rezultat pokazuje da SDV-SWS može pretvoriti kinetičku energiju elektrona u RF signale, ostvarujući tako pojačanje signala.
SDV-SWS izlazni signal na 220 GHz. (a) Izlazna snaga s uključenim spektrom. (b) Distribucija energije elektrona s elektronskim snopom na kraju SWS umetka.
Slika 23 prikazuje propusnost izlazne snage i dobitak dual-mode dual-beam SDV-TWT. Izlazna izvedba može se dodatno poboljšati prelaskom frekvencija od 200 do 275 GHz i optimiziranjem pogonskog napona. Ovaj rezultat pokazuje da 3-dB propusnost može pokriti 205 do 275 GHz, što znači da dual-mode rad može uvelike proširiti radni pojas.
Međutim, prema slici 2a, znamo da postoji zaustavni pojas između neparnog i parnog moda, što može dovesti do neželjenih oscilacija. Stoga je potrebno proučiti radnu stabilnost oko zaustavnica. Slike 24a-c su rezultati simulacije od 20 ns na 265,3 GHz, 265,35 GHz, odnosno 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, odnosno, spektar je čist. Ovi rezultati pokazuju da nema samoosciliranja u blizini zaustavne trake.
Izrada i mjerenje potrebni su za provjeru ispravnosti cjelokupnog HFS-a. U ovom dijelu, HFS se proizvodi pomoću tehnologije računalnog numeričkog upravljanja (CNC) s promjerom alata od 0,1 mm i preciznošću obrade od 10 μm. Materijal za visokofrekventnu strukturu osigurava bakar visoke vodljivosti bez kisika (OFHC). Slika 25a prikazuje proizvedenu strukturu. Cijela struktura ima duljinu od 66. 00 mm, širine 20,00 mm i visine 8,66 mm. Osam rupa za igle raspoređeno je oko strukture. Slika 25b prikazuje strukturu pomoću skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM). Oštrice 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. Struktura obrade zadovoljava zahtjeve dizajna i preciznosti.
Slika 26 prikazuje usporedbu između stvarnih rezultata ispitivanja i simulacija performansi prijenosa. Priključak 1 i Priključak 2 na slici 26a odgovaraju ulaznim i izlaznim priključcima HFS-a, odnosno ekvivalentni su priključku 1 i priključku 4 na slici 3. Stvarni rezultati mjerenja S11 malo su bolji od rezultata simulacije. U isto vrijeme, izmjereni rezultati S21 su malo lošiji. Razlog može biti to što je vodljivost materijala postavljena u simulaciji previsoka a površinska hrapavost nakon stvarne strojne obrade je loša. Sveukupno, izmjereni rezultati dobro se slažu s rezultatima simulacije, a širina pojasa prijenosa zadovoljava zahtjev od 70 GHz, što potvrđuje izvedivost i ispravnost predloženog dual-mode SDV-TWT. Stoga se, u kombinaciji sa stvarnim procesom izrade i rezultatima ispitivanja, može koristiti ultraširokopojasni dvozračni SDV-TWT dizajn predložen u ovom radu za naknadnu izradu i primjenu.
U ovom je radu predstavljen detaljan dizajn planarne distribucije 220 GHz dual-beam SDV-TWT. Kombinacija dual-mode rada i dual-beam pobude dodatno povećava radni pojas i izlaznu snagu. Izrada i hladno ispitivanje također se provode kako bi se potvrdila ispravnost cijelog HFS-a.Stvarni rezultati mjerenja dobro se slažu s rezultatima simulacije. Za projektirani EOS s dvije zrake, dio maske i kontrolne elektrode korišteni su zajedno za proizvodnju zrake s dvije olovke. Pod projektiranim ravnomjernim fokusirajućim magnetskim poljem, snop elektrona može se stabilno prenositi na velike udaljenosti s dobrim oblikom. U budućnosti će se provesti proizvodnja i testiranje EOS-a, a također će se provesti toplinsko ispitivanje cijelog TWT-a. Ova shema dizajna SDV-TWT-a predložena u ovom rad u potpunosti kombinira trenutnu zrelu tehnologiju obrade u ravnini i pokazuje veliki potencijal u pokazateljima performansi te obradi i montaži. Stoga ovaj rad vjeruje da će planarna struktura najvjerojatnije postati trend razvoja vakuumskih elektroničkih uređaja u terahercnom pojasu.
Većina neobrađenih podataka i analitičkih modela u ovoj studiji uključena je u ovaj rad. Daljnje relevantne informacije mogu se dobiti od odgovarajućeg autora na razuman zahtjev.
Gamzina, D. et al. Nanoscale CNC machining of sub-terahertz vacuum electronics.IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. i Paoloni, C. UV-LIGA mikroproizvodnja 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 et al.2017 THz tehnološki plan.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 Snažno ograničenje širenja plazmoničnih valova preko ultraširokopojasnih valovoda s dvostrukom rešetkom.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Performance of a Nano CNC Machined 220-GHz Traveling Wave Tube Amplifier.IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Istraživanje diokotronske nestabilnosti beskonačno širokih elektronskih zraka pomoću teorije modela makroskopske hladne tekućine. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV o mogućnosti povećanja propusnosti planarnim rasporedom grede u klistronu s više zraka. Na 12. IEEE međunarodnoj konferenciji o vakuumskoj elektronici, Bangalore, Indija, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Dizajn trozračnih elektronskih topova s ​​uskom distribucijom ravnine razdvajanja zraka u W-pojasu raspoređene dvokrake cijevi s putujućim valom[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 Planarni distribuirani elektronski optički sustav s tri snopa s uskim odvajanjem snopa za W-pojasni osnovni mod TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Istraživanje isprepletene dvostruke lopatice s putujućim valovima s milimetarskim valnim gredama 20-22 (doktorat, Sveučilište Beihang, 2018.).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studija o stabilnosti interakcije zrake i vala G-pojasa isprepletene dvostruke lopatice s putujućim valovima. 2018. 43. međunarodna konferencija o infracrvenim milimetarskim i terahercnim valovima, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.851 0263 (2018).