Köszönjük, hogy felkereste a Nature.com weboldalt. Az Ön által használt böngészőverzió korlátozottan támogatja a CSS-t. A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon egy frissített böngészőt (vagy kapcsolja ki a kompatibilitási módot az Internet Explorerben). Időközben a folyamatos támogatás biztosítása érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Ebben a cikkben egy 220 GHz-es szélessávú, nagy teljesítményű, összefonódó, kétszárnyú haladóhullámú csövet terveztek és ellenőriztek. Először egy síkbeli, kétnyalábos, lépcsőzetes, kétszárnyú, lassú hullámú szerkezetet javasolnak. Egy kettős üzemmódú működési séma alkalmazásával az átviteli teljesítmény és a sávszélesség közel kétszerese az egymódusúénak. Másodszor, a nagy kimeneti teljesítmény követelményeinek kielégítése és a haladóhullámú cső stabilitásának javítása érdekében egy kettős ceruza alakú elektronikus optikai rendszert terveztek, amelynek meghajtófeszültsége 20~21 kV, az áramerőssége pedig 2 × 80 mA. Tervezési célok. A kettős nyalábú pisztoly maszkrészének és vezérlőelektródájának használatával a két ceruza alakú nyaláb a megfelelő középpontjaik mentén fókuszálható 7-es tömörítési aránnyal, a fókuszálási távolság körülbelül 0,18 mm, és a stabilitás jó. Az egyenletes mágneses fókuszáló rendszert is optimalizálták. A síkbeli kettős elektronnyaláb stabil átviteli távolsága elérheti a 45 mm-t, a fókuszáló mágneses tér pedig 0,6 T, ami elegendő a teljes nagyfrekvenciás rendszer (HFS) lefedésére. Ezután a használhatóság ellenőrzése érdekében... Az elektronoptikai rendszert és a lassú hullámú szerkezet, a részecskecella (PIC) teljesítményét is tesztelték a teljes nagyfrekvenciás rendszeren. Az eredmények azt mutatják, hogy a nyaláb-kölcsönhatási rendszer közel 310 W csúcsteljesítményt érhet el 220 GHz-en, az optimalizált nyalábfeszültség 20,6 kV, a nyalábáram 2 × 80 mA, az erősítés 38 dB, a 3 dB-es sávszélesség pedig meghaladja a 35 dB-t körülbelül 70 GHz-en. Végül nagy pontosságú mikroszerkezet-gyártást végeztek a HFS teljesítményének ellenőrzésére, és az eredmények azt mutatják, hogy a sávszélesség és az átviteli jellemzők jó egyezést mutatnak a szimulációs eredményekkel. Ezért a jelen cikkben javasolt séma várhatóan nagy teljesítményű, ultra-szélessávú terahertz-sávú sugárforrásokat fejleszt, amelyek jövőbeli alkalmazásokra is lehetőséget kínálnak.
Hagyományos vákuumos elektronikus eszközként a haladóhullámú cső (TWT) pótolhatatlan szerepet játszik számos alkalmazásban, például nagy felbontású radarokban, műholdas kommunikációs rendszerekben és az űrkutatásban1,2,3. Azonban, ahogy a működési frekvencia eléri a terahertzes sávot, a hagyományos csatolt üregű TWT és a spirális TWT nem tudta kielégíteni az emberek igényeit a viszonylag alacsony kimeneti teljesítmény, a keskeny sávszélesség és a bonyolult gyártási folyamatok miatt. Ezért a THz-es sáv teljesítményének átfogó javítása számos tudományos kutatóintézet számára nagyon aggasztó kérdéssé vált. Az elmúlt években az új lassú hullámú szerkezetek (SWS-ek), mint például a lépcsőzetes kettős pengéjű (SDV) szerkezetek és a hajtogatott hullámvezető (FW) szerkezetek, nagy figyelmet kaptak természetes síkszerkezetük miatt, különösen az ígéretes potenciállal rendelkező új SDV-SWS-ek. Ezt a szerkezetet a UC-Davis javasolta 2008-ban4. A síkszerkezet könnyen előállítható mikro-nano feldolgozási technikákkal, például számítógépes numerikus vezérléssel (CNC) és UV-LIGA-val, a teljesen fémből készült tokozású szerkezet nagyobb hőkapacitást biztosíthat nagyobb kimeneti teljesítmény és erősítés mellett. ...és a hullámvezetőszerű szerkezet szélesebb működési sávszélességet is biztosíthat.Jelenleg, 2017-ben az UC Davis elsőként bizonyította, hogy az SDV-TWT nagy teljesítményű, 100 W-ot meghaladó kimeneti teljesítményt és közel 14 GHz-es sávszélességű jeleket képes generálni a G-sávban5.Az eredmények azonban továbbra is hiányosak, és nem tudják kielégíteni a terahertzes sávban a nagy teljesítményre és széles sávszélességre vonatkozó követelményeket.Az UC Davis G-sávú SDV-TWT-jéhez lemezes elektronnyalábokat használtak.Bár ez a séma jelentősen javíthatja a nyaláb áramterhelhetőségét, a lemezes elektronnyalábos optikai rendszer (EOS) instabilitása miatt nehéz hosszú átviteli távolságot fenntartani, és van egy túlmódusú nyalábalagút is, ami a nyaláb önszabályozását is okozhatja. – Gerjesztés és oszcilláció 6,7. A THz TWT nagy kimeneti teljesítményére, széles sávszélességére és jó stabilitására vonatkozó követelmények teljesítése érdekében ebben a cikkben egy kettős üzemmódú, kétnyalábos SDV-SWS-t javasolunk. Vagyis a működési sávszélesség növelése érdekében kettős üzemmódú működést javasolunk és vezetünk be ebben a struktúrában. A kimeneti teljesítmény növelése érdekében pedig kettős ceruzanyalábok síkbeli eloszlását is alkalmazzák. Az egynyalábos rádiók viszonylag kicsik a függőleges méretkorlátok miatt. Ha az áramsűrűség túl magas, a nyalábáramot csökkenteni kell, ami viszonylag alacsony kimeneti teljesítményt eredményez. A nyalábáram javítása érdekében megjelent a síkbeli elosztott többnyalábos EOS, amely kihasználja az SWS laterális méretét. A független nyalábalagút-képzésnek köszönhetően a síkbeli elosztott többnyalábos rendszer nagy kimeneti teljesítményt érhet el a magas teljes nyalábáram és a nyalábonkénti kis áram fenntartásával, ami elkerülheti a túlmódusú nyalábalagút-képzést a lapnyalábos eszközökhöz képest. Ezért előnyös fenntartani a haladóhullámú cső stabilitását. A korábbi munkák8,9 alapján ez a cikk egy G-sávú egyenletes mágneses... mezőfókuszáló kettős ceruzanyalábos EOS, ami nagymértékben javíthatja a nyaláb stabil átviteli távolságát és tovább növelheti a nyaláb kölcsönhatási területét, ezáltal nagymértékben javítva a kimeneti teljesítményt.
A tanulmány szerkezete a következő. Először az SWS cella tervét ismertetjük paraméterekkel, diszperziós jellemzők elemzésével és nagyfrekvenciás szimulációs eredményekkel. Ezután az egységcella szerkezetének megfelelően egy kettős ceruzasugaras EOS és nyaláb kölcsönhatási rendszert tervezünk ebben a tanulmányban. Az EOS használhatóságának és az SDV-TWT teljesítményének igazolására a sejten belüli részecske szimulációs eredményeket is bemutatjuk. Ezenkívül a tanulmány röviden bemutatja a gyártási és hidegtesztelési eredményeket a teljes HFS helyességének igazolására. Végül összefoglalást készít.
A TWT egyik legfontosabb alkotóelemeként a lassú hullámú szerkezet diszperzív tulajdonságai jelzik, hogy az elektronsebesség megegyezik-e az SWS fázissebességével, és így nagy hatással van a nyaláb-hullám kölcsönhatásra. A teljes TWT teljesítményének javítása érdekében egy továbbfejlesztett kölcsönhatási struktúrát terveztek. Az egységcella szerkezete az 1. ábrán látható. Figyelembe véve a síknyaláb instabilitását és az egyetlen tollnyaláb teljesítménykorlátozását, a szerkezet kettős tollnyalábot alkalmaz a kimeneti teljesítmény és a működési stabilitás további javítása érdekében. Eközben a működési sávszélesség növelése érdekében kettős üzemmódot javasoltak az SWS működéséhez. Az SDV szerkezet szimmetriája miatt az elektromágneses tér diszperziós egyenletének megoldása páratlan és páros üzemmódokra osztható. Ugyanakkor az alacsony frekvenciasáv alapvető páratlan üzemmódját és a magas frekvenciasáv alapvető páros üzemmódját használják a nyaláb kölcsönhatásának szélessávú szinkronizálására, ezáltal tovább javítva a működési sávszélességet.
A teljesítménykövetelményeknek megfelelően a teljes csövet 20 kV meghajtófeszültséggel és 2 × 80 mA kettős nyalábárammal terveztük. Annak érdekében, hogy a feszültség a lehető legjobban illeszkedjen az SDV-SWS üzemi sávszélességéhez, ki kell számítanunk a p periódusidőt. A nyalábfeszültség és a periódus közötti kapcsolatot az (1)10 egyenlet mutatja:
Ha a fáziseltolást 2,5π-re állítjuk a 220 GHz-es középfrekvencián, a p periódusidő 0,46 mm-nek számítható. A 2a. ábra az SWS egységcella diszperziós tulajdonságait mutatja. A 20 kV-os nyalábvonal nagyon jól illeszkedik a bimodális görbéhez. Az egyező frekvenciasávok elérhetik a 70 GHz körüli értéket a 210–265,3 GHz-es (páratlan módus) és a 265,4–280 GHz-es (páros módus) tartományokban. A 2b. ábra az átlagos csatolási impedanciát mutatja, amely nagyobb, mint 0,6 Ω 210 és 290 GHz között, ami arra utal, hogy erős kölcsönhatások léphetnek fel a működési sávszélességben.
(a) Egy 20 kV-os elektronsugárvezetékkel ellátott kettős módusú SDV-SWS diszperziós karakterisztikái. (b) Az SDV lassúhullámú áramkörének kölcsönhatási impedanciája.
Fontos azonban megjegyezni, hogy a páros és páratlan módusok között sávrés van, és ezt a sávrést általában stop sávnak nevezzük, ahogy a 2a. ábra is mutatja. Ha a TWT-t ebben a frekvenciasávban működtetjük, erős nyalábcsatolási erősség léphet fel, ami nem kívánt rezgésekhez vezethet. A gyakorlati alkalmazásokban általában kerüljük a TWT használatát a stop sáv közelében. Látható azonban, hogy ennek a lassú hullámú szerkezetnek a sávrése mindössze 0,1 GHz. Nehéz megállapítani, hogy ez a kis sávrés okoz-e rezgéseket. Ezért a következő PIC szimulációs szakaszban a stop sáv körüli működés stabilitását vizsgáljuk, hogy elemezzük, előfordulhatnak-e nem kívánt rezgések.
A teljes nagyfrekvenciás csatorna (HFS) modelljét a 3. ábra mutatja. Két SDV-SWS fokozatból áll, amelyeket Bragg-reflektorok kötnek össze. A reflektor funkciója a két fokozat közötti jelátvitel levágása, a nem működő módok, például a felső és alsó lapátok között keletkező magas rendű módusok oszcillációjának és visszaverődésének elnyomása, ezáltal jelentősen javítva a teljes cső stabilitását. A külső környezethez való csatlakoztatáshoz egy lineáris kúpos csatolót is használnak az SWS WR-4 szabványos hullámvezetőhöz való csatlakoztatására. A kétszintű szerkezet átviteli együtthatóját egy időtartomány-megoldó méri a 3D szimulációs szoftverben. Figyelembe véve a terahertzes sáv tényleges hatását az anyagra, a vákuumburok anyaga kezdetben réz, a vezetőképesség pedig 2,25×107 S/m12-re csökken.
A 4. ábra a lineáris kúpos csatolókkal és anélküli HFS átviteli eredményeit mutatja. Az eredmények azt mutatják, hogy a csatolónak csekély hatása van a teljes HFS átviteli teljesítményére. A teljes rendszer visszaverődési vesztesége (S11 < −10 dB) és beiktatási vesztesége (S21 > −5 dB) a 207~280 GHz-es szélessávú tartományban azt mutatja, hogy a HFS jó átviteli tulajdonságokkal rendelkezik.
Vákuum elektronikus eszközök tápegységeként az elektronágyú közvetlenül meghatározza, hogy az eszköz képes-e elegendő kimeneti teljesítményt generálni. A II. szakaszban található HFS-elemzéssel kombinálva egy kétnyalábos EOS-t kell tervezni, hogy elegendő teljesítményt nyújtson. Ebben a részben, a W-sávban8,9 végzett korábbi munkák alapján, egy kettős ceruzaelektronágyút tervezünk egy síkmaszkos rész és vezérlőelektródák felhasználásával. Először is, az SWS 1. szakaszban található tervezési követelményeinek megfelelően. Amint az a 2. ábrán látható. 2. Az elektronnyalábok meghajtófeszültsége (Ua) kezdetben 20 kV-ra van beállítva, a két elektronnyaláb árama (I) egyaránt 80 mA, az elektronnyalábok nyalábátmérője (dw) pedig 0,13 mm. Ugyanakkor, annak érdekében, hogy az elektronnyaláb és a katód áramsűrűsége elérhető legyen, az elektronnyaláb tömörítési arányát 7-re állítják be, így az elektronnyaláb áramsűrűsége 603 A/cm2, a katód áramsűrűsége pedig 86 A/cm2, ami új katódanyagok használatával érhető el. A 14., 15., 16. és 17. tervezési elmélet szerint egy tipikus Pierce-elektronágyú egyértelműen azonosítható.
Az 5. ábra az elektronágyú vízszintes és függőleges vázlatos ábráit mutatja. Látható, hogy az elektronágyú profilja az x irányban majdnem megegyezik egy tipikus lemezszerű elektronágyúéval, míg az y irányban a két elektronnyalábot a maszk részben elválasztja egymástól. A két katód helyzete rendre x = –0,155 mm, y = 0 mm, illetve x = 0,155 mm, y = 0 mm. A tömörítési arányra és az elektronbefecskendezés méretére vonatkozó tervezési követelményeknek megfelelően a két katódfelület méretei 0,91 mm × 0,13 mm-re vannak meghatározva.
Annak érdekében, hogy az egyes elektronnyalábok által az x irányban vett fókuszált elektromos mező szimmetrikus legyen a saját középpontjukra nézve, a jelen cikk egy vezérlőelektródát alkalmaz az elektronágyúra. A fókuszáló elektróda és a vezérlőelektróda feszültségét -20 kV-ra, az anód feszültségét pedig 0 V-ra állítva megkaphatjuk a kettős nyalábágyú pályaeloszlását, amint az a 6. ábrán látható. Látható, hogy a kibocsátott elektronok jó összenyomhatósággal rendelkeznek az y irányban, és minden elektronnyaláb a saját szimmetriaközéppontja mentén konvergál az x irány felé, ami azt jelzi, hogy a vezérlőelektróda kiegyenlíti a fókuszáló elektróda által generált egyenlőtlen elektromos mezőt.
A 7. ábra a nyaláb burkológörbéjét mutatja x és y irányban. Az eredmények azt mutatják, hogy az elektronnyaláb vetítési távolsága x irányban eltér az y irányútól. Az x irányú vetítési távolság körülbelül 4 mm, az y irányú vetítési távolság pedig közel 7 mm. Ezért a tényleges vetítési távolságot 4 és 7 mm között kell megválasztani. A 8. ábra az elektronnyaláb keresztmetszetét mutatja a katódfelülettől 4,6 mm távolságra. Látható, hogy a keresztmetszet alakja a legközelebb áll egy szabványos kör alakú elektronnyalábhoz. A két elektronnyaláb közötti távolság közel van a tervezett 0,31 mm-hez, a sugár pedig körülbelül 0,13 mm, ami megfelel a tervezési követelményeknek. A 9. ábra a nyalábáram szimulációs eredményeit mutatja. Látható, hogy a két nyalábáram 76 mA, ami jó egyezést mutat a tervezett 80 mA-rel.
Figyelembe véve a meghajtófeszültség ingadozását a gyakorlati alkalmazásokban, szükséges a modell feszültségérzékenységének vizsgálata. A 19,8 ~ 20,6 kV feszültségtartományban az áram- és nyalábáram-burkológörbéket az 1. és az 1.10. és 11. ábra mutatja. Az eredményekből látható, hogy a meghajtófeszültség változása nincs hatással az elektronnyaláb burkológörbéjére, és az elektronnyaláb árama csak 0,74 és 0,78 A között változik. Ezért úgy tekinthető, hogy a jelen cikkben tervezett elektronágyú jó feszültségérzékenységgel rendelkezik.
A meghajtófeszültség-ingadozások hatása az x és y irányú nyalábburkolókra.
Az egyenletes mágneses fókuszáló mező egy gyakori permanens mágneses fókuszáló rendszer. A nyalábcsatornában uralkodó egyenletes mágneses téreloszlás miatt nagyon alkalmas tengelyszimmetrikus elektronnyalábokhoz. Ebben a szakaszban egy egyenletes mágneses fókuszáló rendszert javasolunk a kettős ceruzanyalábok nagy távolságú átvitelének fenntartására. A létrehozott mágneses mező és a nyaláb burkológörbéjének elemzésével javaslatot teszünk a fókuszáló rendszer tervezési sémájára, és megvizsgáljuk az érzékenységi problémát. Az egyetlen ceruzanyaláb stabil átviteli elmélete18,19 szerint a Brillouin mágneses tér értéke a (2) egyenlettel számítható ki. Ebben a cikkben ezt az ekvivalenciát használjuk fel egy oldalirányban elosztott kettős ceruzanyaláb mágneses terének becslésére is. Az ebben a cikkben tervezett elektronágyúval kombinálva a számított mágneses tér értéke körülbelül 4000 Gs. A 20. hivatkozás szerint a gyakorlati tervekben általában a számított érték 1,5-2-szeresét választják.
A 12. ábra egy homogén mágneses mező fókuszáló mezőrendszerének szerkezetét mutatja. A kék rész az axiális irányban mágnesezett permanens mágnes. Az anyagválasztás NdFeB vagy FeCoNi. A szimulációs modellben beállított remanencia Br 1,3 T, a permeabilitás pedig 1,05. Annak érdekében, hogy a nyaláb stabil átvitele a teljes áramkörben biztosítva legyen, a mágnes hossza kezdetben 70 mm-re van beállítva. Ezenkívül a mágnes x irányú mérete meghatározza, hogy a nyalábcsatornában a transzverzális mágneses mező egyenletes-e, ami megköveteli, hogy az x irányú méret ne legyen túl kicsi. Ugyanakkor, figyelembe véve a teljes cső költségét és súlyát, a mágnes mérete nem lehet túl nagy. Ezért a mágnesek kezdeti mérete 150 mm × 150 mm × 70 mm. Eközben, annak érdekében, hogy a teljes lassú hullámú áramkör elhelyezhető legyen a fókuszáló rendszerben, a mágnesek közötti távolság 20 mm-re van beállítva.
2015-ben Purna Chandra Panda21 egy új, lépcsőzetes furattal ellátott pólussarut javasolt egy egyenletes mágneses fókuszáló rendszerben, amely tovább csökkentheti a katódra jutó fluxusszivárgás nagyságát és a pólussaru furatánál keletkező transzverzális mágneses teret. Ebben a cikkben lépcsőzetes szerkezetet adunk a fókuszáló rendszer pólussarujához. A pólussaru vastagsága kezdetben 1,5 mm, a három lépcső magassága és szélessége 0,5 mm, a pólussaru furatai közötti távolság pedig 2 mm, ahogy a 13. ábra mutatja.
A 14a. ábra a két elektronnyaláb középvonala mentén mért axiális mágneses tér eloszlását mutatja. Látható, hogy a két elektronnyaláb mentén ható mágneses térerők egyenlőek. A mágneses tér értéke körülbelül 6000 Gs, ami 1,5-szerese az elméleti Brillouin-térnek, ami növeli az átviteli és fókuszálási teljesítményt. Ugyanakkor a katódnál a mágneses tér majdnem 0, ami azt jelzi, hogy a pólussaru jó hatással van a mágneses fluxus szivárgásának megakadályozására. A 14b. ábra a két elektronnyaláb felső szélén z irányban a keresztirányú mágneses tér eloszlását mutatja (By). Látható, hogy a keresztirányú mágneses tér csak a pólussaru furatánál kisebb, mint 200 Gs, míg a lassú hullámú körben a keresztirányú mágneses tér majdnem nulla, ami azt bizonyítja, hogy a keresztirányú mágneses tér hatása az elektronnyalábra elhanyagolható. A pólussaruk mágneses telítődésének elkerülése érdekében meg kell vizsgálni a pólussaruk belsejében lévő mágneses térerősséget. A 14c. ábra a pólussaru belsejében lévő mágneses tér eloszlásának abszolút értékét mutatja. Látható, hogy a mágneses térerősség abszolút értéke kisebb mint 1,2 T, ami azt jelzi, hogy a pólusdarab mágneses telítődése nem következik be.
Br mágneses térerősség-eloszlása ​​= 1,3 T. (a) Axiális téreloszlás. (b) Laterális téreloszlás z irányban. (c) A pólussaruban lévő téreloszlás abszolút értéke.
A CST PS modul alapján a kettős nyalábágyú és a fókuszáló rendszer tengelyirányú relatív helyzete optimalizált. A 9. hivatkozás és a szimulációk szerint az optimális elhelyezkedés az, ahol az anóddarab átfedi a pólusdarabot a mágnestől távolodva. Megállapították azonban, hogy ha a remanenciát 1,3 T-re állították be, az elektronnyaláb áteresztőképessége nem érte el a 99%-ot. A remanencia 1,4 T-re történő növelésével a fókuszáló mágneses tér 6500 Gs-re nőtt. Az xoz és yoz síkokon a nyalábpályákat a 15. ábra mutatja. Látható, hogy a nyaláb jó áteresztőképességgel, kis fluktuációval és 45 mm-nél nagyobb átviteli távolsággal rendelkezik.
Kettős ceruzanyalábok pályái homogén mágneses rendszerben, Br = 1,4 T nyomás mellett. (a) xoz sík. (b) yoz repülőgép.
A 16. ábra a nyaláb keresztmetszetét mutatja a katódtól távolodó különböző pozíciókban. Látható, hogy a fókuszáló rendszerben a nyalábszakasz alakja jól megmarad, és a szakasz átmérője nem változik jelentősen. A 17. ábra a nyaláb burkológörbéit mutatja x és y irányban. Látható, hogy a nyaláb ingadozása mindkét irányban nagyon kicsi. A 18. ábra a nyalábáram szimulációs eredményeit mutatja. Az eredmények azt mutatják, hogy az áram körülbelül 2 × 80 mA, ami összhangban van az elektronágyú tervezésében számított értékkel.
Az elektronnyaláb keresztmetszete (fókuszáló rendszerrel) a katódtól távolodó különböző pozíciókban.
A gyakorlati feldolgozási alkalmazásokban felmerülő összeszerelési hibák, feszültségingadozások és a mágneses térerősség változásaihoz hasonló problémák sorozatát figyelembe véve elemezni kell a fókuszáló rendszer érzékenységét. Mivel a tényleges feldolgozás során az anóddarab és a pólusdarab között rés van, ezt a rést be kell állítani a szimulációban. A rés értékét 0,2 mm-re állították be, és a 19a. ábra a nyaláb burkológörbéjét és a nyalábáramot mutatja y irányban. Ez az eredmény azt mutatja, hogy a nyaláb burkológörbéjének változása nem jelentős, és a nyalábáram alig változik. Ezért a rendszer érzéketlen az összeszerelési hibákra. A meghajtófeszültség ingadozása esetén a hibatartomány ±0,5 kV-ra van beállítva. A 19b. ábra az összehasonlítás eredményeit mutatja. Látható, hogy a feszültségváltozásnak csekély hatása van a nyaláb burkológörbére. A mágneses térerősség változásai esetén a hibatartomány -0,02 és +0,03 T között van beállítva. Az összehasonlítás eredményeit a 20. ábra mutatja. Látható, hogy a nyaláb burkológörbéje alig változik, ami azt jelenti, hogy a teljes EOS érzéketlen a mágneses térerősség változásaira.
A nyaláb burkológörbéjének és az áramnak az eredményei egyenletes mágneses fókuszáló rendszer alatt. (a) Az összeszerelési tűrés 0,2 mm. (b) A meghajtó feszültség ingadozása ±0,5 kV.
Nyaláb burkológörbe egyenletes mágneses fókuszáló rendszer alatt, 0,63 és 0,68 T közötti axiális mágneses térerősség-ingadozásokkal.
Annak érdekében, hogy a jelen cikkben tervezett fókuszáló rendszer illeszkedjen a HFS-hez, a fókuszáló rendszert és a HFS-t kombinálni kell a kutatáshoz. A 21. ábra a nyaláb burkológörbék összehasonlítását mutatja be HFS-sel és anélkül. Az eredmények azt mutatják, hogy a nyaláb burkológörbe nem változik jelentősen, amikor a teljes HFS be van töltve. Ezért a fókuszáló rendszer alkalmas a fenti kialakítású haladóhullámú csöves HFS-hez.
A III. szakaszban javasolt EOS helyességének ellenőrzéséhez és a 220 GHz-es SDV-TWT teljesítményének vizsgálatához egy 3D-PIC szimulációt végeztünk a nyaláb-hullám kölcsönhatásról. A szimulációs szoftver korlátai miatt nem tudtuk a teljes EOS-t hozzáadni a HFS-hez. Ezért az elektronágyút egy azzal egyenértékű, 0,13 mm átmérőjű és a két felület közötti 0,31 mm távolságú emittáló felülettel helyettesítettük, amelyek paraméterei megegyeznek a fent tervezett elektronágyú paramétereivel. Az EOS érzéketlensége és jó stabilitása miatt a meghajtófeszültség megfelelően optimalizálható a PIC szimulációban a legjobb kimeneti teljesítmény eléréséhez. A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy a telített kimeneti teljesítmény és erősítés 20,6 kV meghajtófeszültségnél, 2 × 80 mA (603 A/cm2) nyalábáramnál és 0,05 W bemeneti teljesítménynél érhető el.
A legjobb kimenőjel eléréséhez a ciklusok számát is optimalizálni kell. A legjobb kimenő teljesítményt akkor kapjuk, ha a két fokozat száma 42 + 48 ciklus, ahogy az a 22a. ábrán látható. Egy 0,05 W-os bemeneti jelet 314 W-ra erősítünk 38 dB erősítéssel. A gyors Fourier-transzformációval (FFT) kapott kimenő teljesítményspektrum tiszta, 220 GHz-nél éri el a csúcsát. A 22b. ábra az elektronenergia axiális helyzeteloszlását mutatja az SWS-ben, ahol az elektronok többsége energiát veszít. Ez az eredmény azt jelzi, hogy az SDV-SWS képes az elektronok kinetikus energiáját RF jelekké alakítani, ezáltal jelerősítést valósítva meg.
SDV-SWS kimenőjel 220 GHz-en. (a) Kimenő teljesítmény a mellékelt spektrummal. (b) Az elektronok energiaeloszlása ​​az elektronnyalábbal az SWS betét végén.
A 23. ábra egy kettős üzemmódú, kétnyalábos SDV-TWT kimeneti teljesítmény sávszélességét és erősítését mutatja. A kimeneti teljesítmény tovább javítható a frekvenciák 200-ról 275 GHz-re történő seprésével és a meghajtófeszültség optimalizálásával. Ez az eredmény azt mutatja, hogy a 3 dB-es sávszélesség lefedi a 205-275 GHz-es tartományt, ami azt jelenti, hogy a kettős üzemmód jelentősen szélesítheti a működési sávszélességet.
A 2a. ábra szerint azonban tudjuk, hogy a páratlan és páros módusok között van egy stop sáv, ami nemkívánatos rezgésekhez vezethet. Ezért a stop sávok körüli munkastabilitást tanulmányozni kell. A 24a-c. ábrák a 20 ns-os szimulációs eredményeket mutatják 265,3 GHz, 265,35 GHz és 265,4 GHz frekvenciákon. Látható, hogy bár a szimulációs eredmények némi ingadozást mutatnak, a kimeneti teljesítmény viszonylag stabil. A spektrumot a 24. ábra is mutatja, a spektrum tiszta. Ezek az eredmények azt jelzik, hogy a stop sáv közelében nincs önrezgés.
A teljes HFS helyességének ellenőrzéséhez gyártás és mérés szükséges. Ebben a részben a HFS-t számítógépes numerikus vezérlésű (CNC) technológiával gyártják, 0,1 mm szerszámátmérővel és 10 μm megmunkálási pontossággal. A nagyfrekvenciás szerkezet anyagát oxigénmentes, nagy vezetőképességű (OFHC) réz biztosítja. A 25a. ábra a legyártott szerkezetet mutatja. A teljes szerkezet hossza 66,00 mm, szélessége 20,00 mm és magassága 8,66 mm. Nyolc tűfurat található a szerkezet körül. A 25b. ábra a szerkezetet pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) mutatja. A szerkezet lapátjai egyenletesen vannak előállítva és jó felületi érdességgel rendelkeznek. Pontos mérés után a teljes megmunkálási hiba kevesebb, mint 5%, a felületi érdesség pedig körülbelül 0,4 μm. A megmunkáló szerkezet megfelel a tervezési és pontossági követelményeknek.
A 26. ábra a tényleges teszteredmények és az átviteli teljesítmény szimulációinak összehasonlítását mutatja. A 26a. ábrán látható 1. és 2. port a HFS bemeneti és kimeneti portjainak felel meg, és egyenértékű a 3. ábrán látható 1. és 4. porttal. Az S11 tényleges mérési eredményei valamivel jobbak, mint a szimulációs eredmények. Ugyanakkor az S21 mért eredményei valamivel rosszabbak. Ennek oka az lehet, hogy a szimulációban beállított anyagvezető képesség túl magas, és a tényleges megmunkálás utáni felületi érdesség gyenge. Összességében a mért eredmények jól egyeznek a szimulációs eredményekkel, és az átviteli sávszélesség megfelel a 70 GHz-es követelménynek, ami igazolja a javasolt kettős módú SDV-TWT megvalósíthatóságát és helyességét. Ezért a tényleges gyártási folyamattal és a teszteredményekkel kombinálva az ebben a cikkben javasolt ultraszéles sávú, kétsugaras SDV-TWT kialakítás felhasználható a későbbi gyártáshoz és alkalmazásokhoz.
Ebben a cikkben egy síkbeli eloszlású, 220 GHz-es, kétnyalábos SDV-TWT részletes tervét mutatjuk be. A kettős üzemmódú működés és a kétnyalábos gerjesztés kombinációja tovább növeli a működési sávszélességet és a kimeneti teljesítményt. A teljes nagyfrekvenciás átvitel (HFS) helyességének ellenőrzésére gyártási és hidegtesztelési vizsgálatokat is végeztünk. A tényleges mérési eredmények jól egyeznek a szimulációs eredményekkel. A tervezett kétnyalábos EOS esetében egy maszkrészt és vezérlőelektródákat együttesen használtunk egy kétceruza alakú nyaláb előállításához. A tervezett egyenletes fókuszáló mágneses térben az elektronnyaláb stabilan, jó alakban továbbítható nagy távolságokon. A jövőben az EOS gyártását és tesztelését is el fogják végezni, valamint a teljes TWT hőtesztjét is el fogják végezni. Az ebben a cikkben javasolt SDV-TWT tervezési séma teljes mértékben ötvözi a jelenlegi kiforrott síkbeli feldolgozási technológiát, és nagy potenciált mutat a teljesítménymutatók, a feldolgozás és az összeszerelés terén. Ezért a cikk úgy véli, hogy a síkszerkezet valószínűleg a vákuumelektronikai eszközök fejlesztési trendjévé válik a terahertzes sávban.
A tanulmányban szereplő nyers adatok és analitikai modellek nagy része szerepel ebben a cikkben. További releváns információk kérésre a levelező szerzőtől szerezhetők be.
Gamzina, D. et al. Nanoskálájú CNC megmunkálás szubterahertzes vákuumelektronikában. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. és Paoloni, C. Szubterahertzes hullámvezetők UV-LIGA mikrogyártása többrétegű SU-8 fotoreziszt felhasználásával. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 THz technológiai ütemterv. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR és Luhmann, NC. A plazmonikus hullámterjedés erős korlátozása ultra-szélessávú, lépcsőzetes kettős rácsú hullámvezetőkön keresztül. application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Nano CNC megmunkált 220 GHz-es haladóhullámú csőerősítő teljesítménye. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. és Ruan, CJ: Végtelenül széles lemezes elektronnyalábok diokotron instabilitásának vizsgálata makroszkopikus hidegfolyadék-modellelmélet segítségével. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV a sávszélesség növelésének lehetőségéről a többnyalábos klisztron nyalábjának síkbeli elrendezésével. 12. IEEE Nemzetközi Vákuumelektronikai Konferencia, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Háromnyalábos elektronágyúk tervezése keskeny nyalábfelosztó sík eloszlással W-sávú, lépcsőzetes, dupla pengéjű haladóhullámú csőben [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB és Ruan, CJ Síkbeli elosztott, háromnyalábos elektronoptikai rendszer keskeny nyalábelválasztással W-sávú alapmódusú TWT-hez. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Kutatás milliméteres hullámhosszúságú lemezgerendákkal ellátott, egymásba ágyazott, kétlapátos, mozgó hullámú csőről 20-22 (PhD, Beihang Egyetem, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. és He, Y. Tanulmány egy G-sávú, összefonódó, kettős pengéjű haladóhullám-cső nyaláb-hullám kölcsönhatási stabilitásáról. 2018. évi 43. Nemzetközi Konferencia az Infravörös Milliméteres és Terahertzes Hullámokról, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).