Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan terbatas untuk CSS.Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau matikan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Dalam makalah ini, tabung gelombang perjalanan bilah ganda interleaved broadband berdaya tinggi 220GHz dirancang dan diverifikasi. Pertama, diusulkan struktur gelombang lambat bilah ganda terhuyung-huyung balok ganda planar. Dengan menggunakan skema operasi mode ganda, kinerja transmisi dan bandwidth hampir dua kali lipat dari mode tunggal. kV, dan arusnya 2 × 80 mA.Tujuan desain.Dengan menggunakan bagian topeng dan elektroda kontrol pada senapan berkas ganda, kedua berkas pensil dapat difokuskan di sepanjang pusatnya masing-masing dengan rasio kompresi 7, jarak pemfokusan sekitar 0,18mm, dan stabilitasnya bagus.Sistem pemfokusan magnetik seragam juga telah dioptimalkan.Jarak transmisi yang stabil dari berkas elektron ganda planar dapat mencapai 45 mm, dan medan magnet pemfokusan adalah 0,6 T, yang cukup untuk menutupi seluruh sistem frekuensi tinggi (HFS). Kemudian, untuk memverifikasi kegunaan sistem elektron-optik dan kinerja struktur gelombang lambat, simulasi sel partikel (PIC) juga dilakukan pada seluruh HFS. Hasilnya menunjukkan bahwa sistem interaksi berkas dapat mencapai daya output puncak hampir 310 W pada 220 GHz, tegangan sinar yang dioptimalkan adalah 20,6 kV, arus sinar adalah 2 × 80 mA, gain adalah 38 dB, dan bandwidth 3-dB melebihi 35 d B sekitar 70 GHz.Akhirnya, fabrikasi struktur mikro presisi tinggi dilakukan untuk memverifikasi kinerja HFS, dan hasilnya menunjukkan bahwa bandwidth dan karakteristik transmisi sesuai dengan hasil simulasi. Oleh karena itu, skema yang diusulkan dalam makalah ini diharapkan untuk mengembangkan sumber radiasi pita terahertz-band ultra-broadband berdaya tinggi dengan potensi untuk aplikasi masa depan.
Sebagai perangkat elektronik vakum tradisional, traveling wave tube (TWT) memainkan peran yang tak tergantikan dalam banyak aplikasi seperti radar resolusi tinggi, sistem komunikasi satelit, dan eksplorasi ruang angkasa1,2,3. Namun, ketika frekuensi operasi memasuki pita terahertz, TWT rongga berpasangan tradisional dan TWT heliks tidak dapat memenuhi kebutuhan manusia karena daya keluaran yang relatif rendah, lebar pita yang sempit, dan proses pembuatan yang sulit. lembaga penelitian. Dalam beberapa tahun terakhir, struktur gelombang lambat baru (SWSs), seperti struktur dual-blade (SDV) terhuyung-huyung dan struktur pandu gelombang lipat (FW), telah mendapat perhatian luas karena struktur planar alami mereka, terutama SDV-SWS baru dengan potensi yang menjanjikan. Struktur ini diusulkan oleh UC-Davis pada tahun 20084. Struktur planar dapat dengan mudah dibuat dengan teknik pemrosesan mikro-nano seperti kontrol numerik komputer (CNC) dan UV-LIGA, struktur paket semua logam dapat menyediakan kapasitas termal yang lebih besar dengan daya dan penguatan keluaran yang lebih tinggi, dan struktur seperti pandu gelombang juga dapat memberikan bandwidth kerja yang lebih luas. Saat ini, UC Davis menunjukkan untuk pertama kalinya pada tahun 2017 bahwa SDV-TWT dapat menghasilkan keluaran daya tinggi lebih dari 100 W dan sinyal bandwidth hampir 14 GHz di pita G5. Namun, hasil ini masih memiliki celah yang tidak dapat memenuhi persyaratan terkait daya tinggi dan lebar pita lebar di pita terahertz. Untuk SDV G-band UC-Davis -TWT, berkas elektron lembaran telah digunakan. Meskipun skema ini dapat secara signifikan meningkatkan kapasitas pembawa arus berkas, sulit untuk mempertahankan jarak transmisi yang panjang karena ketidakstabilan sistem optik elektron berkas berkas (EOS), dan ada terowongan berkas over-mode, yang juga dapat menyebabkan berkas mengatur sendiri.– Eksitasi dan osilasi 6,7.Untuk memenuhi persyaratan daya keluaran tinggi, bandwidth lebar dan stabilitas THz TWT yang baik, SDV-SWS dual-beam dengan operasi dual-mode diusulkan dalam makalah ini. Artinya, untuk meningkatkan bandwidth operasi, operasi dual-mode diusulkan dan diperkenalkan dalam struktur ini.Dan, untuk meningkatkan daya output, distribusi planar balok pensil ganda juga digunakan.Radio balok pensil tunggal relatif kecil karena kendala ukuran vertikal.Jika kerapatan arus terlalu tinggi, arus berkas harus dikurangi, menghasilkan daya keluaran yang relatif rendah. Untuk meningkatkan arus berkas, EOS multibeam terdistribusi planar telah muncul, yang mengeksploitasi ukuran lateral SWS. Karena terowongan berkas independen, multi-balok terdistribusi planar dapat mencapai daya keluaran tinggi dengan mempertahankan arus berkas total yang tinggi dan arus kecil per berkas, yang dapat menghindari terowongan berkas overmode dibandingkan dengan perangkat berkas-berkas. Oleh karena itu, bermanfaat untuk menjaga stabilitas tabung gelombang perjalanan. Atas dasar pekerjaan sebelumnya8,9 , makalah ini mengusulkan medan magnet seragam G-band yang memfokuskan sinar pensil ganda EOS, yang dapat sangat meningkatkan jarak transmisi sinar yang stabil dan selanjutnya meningkatkan area interaksi sinar, sehingga sangat meningkatkan daya keluaran.
Struktur makalah ini adalah sebagai berikut. Pertama, desain sel SWS dengan parameter, analisis karakteristik dispersi dan hasil simulasi frekuensi tinggi dijelaskan. Kemudian, sesuai dengan struktur sel unit, EOS balok pensil ganda dan sistem interaksi balok dirancang dalam makalah ini. Hasil simulasi partikel intraseluler juga disajikan untuk memverifikasi kegunaan EOS dan kinerja SDV-TWT. Selain itu, makalah ini secara singkat menyajikan hasil fabrikasi dan uji dingin untuk memverifikasi kebenaran seluruh HFS. Terakhir buat ringkasan.
Sebagai salah satu komponen terpenting dari TWT, sifat dispersif dari struktur gelombang lambat menunjukkan apakah kecepatan elektron cocok dengan kecepatan fase SWS, dan dengan demikian memiliki pengaruh besar pada interaksi gelombang-berkas.Sementara itu, untuk meningkatkan bandwidth kerja, mode ganda telah diusulkan untuk pengoperasian SWS. Karena simetri struktur SDV, solusi persamaan dispersi medan elektromagnetik dapat dibagi menjadi mode ganjil dan genap. Pada saat yang sama, mode ganjil dasar dari pita frekuensi rendah dan mode genap dasar dari pita frekuensi tinggi digunakan untuk mewujudkan sinkronisasi broadband dari interaksi balok, sehingga lebih meningkatkan bandwidth kerja.
Sesuai dengan kebutuhan daya, seluruh tabung dirancang dengan tegangan penggerak 20 kV dan arus balok ganda 2 × 80 mA. Untuk mencocokkan tegangan sedekat mungkin dengan bandwidth operasi SDV-SWS, kita perlu menghitung panjang periode p. Hubungan antara tegangan balok dan periode ditunjukkan pada persamaan (1)10:
Dengan mengatur pergeseran fasa ke 2,5π pada frekuensi tengah 220 GHz, periode p dapat dihitung menjadi 0,46 mm. Gambar 2a menunjukkan sifat dispersi sel satuan SWS. Garis pancaran 20 kV sangat cocok dengan kurva bimodal. Pita frekuensi yang cocok dapat mencapai sekitar 70 GHz dalam rentang 210–265,3 GHz (mode ganjil) dan 265,4–280 GHz (mode genap). 2b menunjukkan impedansi kopling rata-rata, yang lebih besar dari 0,6 Ω dari 210 hingga 290 GHz, menunjukkan bahwa interaksi yang kuat dapat terjadi pada bandwidth operasi.
(a) Karakteristik dispersi SDV-SWS mode ganda dengan berkas elektron 20 kV. (b) Impedansi interaksi rangkaian gelombang lambat SDV.
Namun, penting untuk dicatat bahwa ada celah pita antara mode ganjil dan genap, dan kami biasanya menyebut celah pita ini sebagai pita henti, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Jika TWT dioperasikan di dekat pita frekuensi ini, kekuatan sambungan berkas yang kuat dapat terjadi, yang akan menyebabkan osilasi yang tidak diinginkan. Dalam aplikasi praktis, kami umumnya menghindari penggunaan TWT di dekat pita henti. Namun, dapat dilihat bahwa celah pita struktur gelombang lambat ini hanya 0,1 GHz. Sulit untuk menentukan apakah celah pita kecil ini menyebabkan osilasi. Oleh karena itu, stabilitas operasi di sekitar stop band akan diselidiki di bagian simulasi PIC berikut untuk menganalisis apakah osilasi yang tidak diinginkan dapat terjadi.
Model seluruh HFS ditunjukkan pada Gambar 3. Ini terdiri dari dua tahap SDV-SWS, dihubungkan oleh reflektor Bragg. Fungsi reflektor adalah untuk memotong transmisi sinyal antara dua tahap, menekan osilasi dan refleksi mode non-kerja seperti mode orde tinggi yang dihasilkan antara bilah atas dan bawah, sehingga sangat meningkatkan stabilitas seluruh tabung. Untuk koneksi ke lingkungan eksternal, coupler tirus linier juga digunakan untuk menghubungkan SWS ke pandu gelombang standar WR-4. Transmisi koefisien struktur dua tingkat diukur dengan pemecah domain waktu dalam perangkat lunak simulasi 3D. Mempertimbangkan efek sebenarnya dari pita terahertz pada material, bahan amplop vakum awalnya diatur ke tembaga, dan konduktivitasnya dikurangi menjadi 2,25×107 S/m12.
Gambar 4 menunjukkan hasil transmisi untuk HFS dengan dan tanpa skrup tapered linear. Hasil menunjukkan bahwa coupler memiliki pengaruh yang kecil terhadap kinerja transmisi seluruh HFS. Return loss (S11 < − 10 dB) dan insertion loss (S21 > − 5 dB) dari keseluruhan sistem pada broadband 207~280 GHz menunjukkan bahwa HFS memiliki karakteristik transmisi yang baik.
Sebagai catu daya perangkat elektronik vakum, senjata elektron secara langsung menentukan apakah perangkat dapat menghasilkan daya output yang cukup. Dikombinasikan dengan analisis HFS di Bagian II, EOS dual-beam perlu dirancang untuk memberikan daya yang cukup. Pada bagian ini, berdasarkan pekerjaan sebelumnya di W-band8,9, pistol elektron pensil ganda dirancang menggunakan bagian topeng planar dan elektroda kontrol. Pertama, sesuai dengan persyaratan desain SWS di Bagan. Seperti ditunjukkan pada Gbr.2 , tegangan penggerak Ua dari berkas elektron awalnya diatur ke 20 kV, arus I dari dua berkas elektron keduanya 80 mA, dan diameter berkas dw dari berkas elektron adalah 0,13 mm. katoda adalah 86 A/cm2, yang dapat dicapai dengan Hal ini dicapai dengan menggunakan bahan katoda baru. Menurut teori desain 14, 15, 16, 17, senjata elektron Pierce yang khas dapat diidentifikasi secara unik.
Gambar 5 menunjukkan diagram skematis pistol secara horizontal dan vertikal. Dapat dilihat bahwa profil senjata elektron pada arah-x hampir identik dengan pistol elektron seperti lembaran biasa, sedangkan pada arah-y kedua berkas elektron dipisahkan sebagian oleh topeng. Posisi kedua katoda masing-masing berada pada x = – 0,155 mm, y = 0 mm dan x = 0,155 mm, y = 0 mm, masing-masing. Sesuai dengan desain persyaratan rasio kompresi dan ukuran injeksi elektron, dimensi dari dua permukaan katoda ditentukan menjadi 0,91 mm × 0,13 mm.
Untuk membuat medan listrik terfokus yang diterima oleh setiap berkas elektron dalam arah-x simetris terhadap pusatnya sendiri, makalah ini menerapkan elektroda kontrol ke senjata elektron. Dengan mengatur tegangan elektroda pemfokus dan elektroda kontrol ke −20 kV, dan tegangan anoda ke 0 V, kita dapat memperoleh distribusi lintasan dari senjata sinar ganda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. arah-x di sepanjang pusat simetrinya sendiri, yang menunjukkan bahwa elektroda kontrol menyeimbangkan medan listrik yang tidak sama yang dihasilkan oleh elektroda pemfokusan.
Gambar 7 menunjukkan selubung berkas pada arah x dan y. Hasil menunjukkan bahwa jarak proyeksi berkas elektron pada arah x berbeda dengan arah y. Jarak pancaran pada arah x sekitar 4mm, dan jarak pancaran pada arah y mendekati 7mm. Oleh karena itu, jarak pancaran sebenarnya harus dipilih antara 4 dan 7 mm. Gambar 8 menunjukkan penampang melintang berkas elektron pada 4,6 mm dari permukaan katoda. Kita dapat melihat bahwa bentuknya penampang paling dekat dengan berkas elektron lingkaran standar. Jarak antara dua berkas elektron dekat dengan yang dirancang 0,31 mm, dan radiusnya sekitar 0,13 mm, yang memenuhi persyaratan desain. Gambar 9 menunjukkan hasil simulasi arus berkas. Dapat dilihat bahwa dua arus berkas adalah 76mA, yang sesuai dengan 80mA yang dirancang.
Mempertimbangkan fluktuasi tegangan penggerak dalam aplikasi praktis, sensitivitas tegangan model ini perlu dipelajari. Pada rentang tegangan 19,8 ~ 20,6 kV, diperoleh arus dan selubung arus berkas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 1.10 dan 11. Dari hasil, dapat dilihat bahwa perubahan tegangan penggerak tidak berpengaruh pada selubung berkas elektron, dan arus berkas elektron hanya berubah dari 0,74 menjadi 0,78 A. Oleh karena itu, dapat dipertimbangkan bahwa pistol elektron yang dirancang dalam makalah ini memiliki kepekaan yang baik terhadap tegangan.
Pengaruh fluktuasi tegangan penggerak pada amplop sinar arah-x dan y.
Medan pemfokusan magnet seragam adalah sistem pemfokusan magnet permanen yang umum.Karena distribusi medan magnet seragam di seluruh saluran berkas, sangat cocok untuk berkas elektron aksisimetri.Pada bagian ini, sistem pemfokusan magnet seragam untuk mempertahankan transmisi jarak jauh dari berkas pensil ganda diusulkan.Dengan menganalisis medan magnet yang dihasilkan dan selubung berkas, skema desain sistem pemfokusan diusulkan, dan masalah sensitivitas dipelajari.Menurut teori transmisi stabil dari berkas pensil tunggal18,19, nilai medan magnet Brillouin dapat dihitung dengan persamaan (2). Dalam makalah ini, kami juga menggunakan ekuivalensi ini untuk memperkirakan medan magnet dari berkas pensil ganda yang terdistribusi secara lateral. Dikombinasikan dengan senjata elektron yang dirancang dalam makalah ini, nilai medan magnet yang dihitung adalah sekitar 4000 Gs. Menurut Ref.20, 1,5-2 kali nilai yang dihitung biasanya dipilih dalam desain praktis.
Gambar 12 menunjukkan struktur sistem medan fokus medan magnet yang seragam. Bagian biru adalah magnet permanen yang termagnetisasi dalam arah aksial. Pemilihan bahan adalah NdFeB atau FeCoNi. Remanensi Br yang ditetapkan dalam model simulasi adalah 1,3 T dan permeabilitasnya adalah 1,05. Untuk memastikan transmisi balok yang stabil di seluruh rangkaian, panjang magnet pada awalnya diatur ke 70 mm. medan magnet dalam saluran sinar seragam, yang mensyaratkan bahwa ukuran dalam arah x tidak boleh terlalu kecil.Pada saat yang sama, mengingat biaya dan berat seluruh tabung, ukuran magnet tidak boleh terlalu besar.Oleh karena itu, magnet awalnya diatur ke 150 mm × 150 mm × 70 mm. Sementara itu, untuk memastikan bahwa seluruh rangkaian gelombang lambat dapat ditempatkan di sistem pemfokusan, jarak antara magnet diatur ke 20mm.
Pada tahun 2015, Purna Chandra Panda21 mengusulkan potongan tiang dengan lubang berundak baru dalam sistem pemfokusan magnet yang seragam, yang selanjutnya dapat mengurangi besarnya kebocoran fluks ke katoda dan medan magnet transversal yang dihasilkan pada lubang potongan tiang. Dalam tulisan ini, kami menambahkan struktur berundak ke potongan tiang dari sistem pemfokusan. Ketebalan potongan tiang awalnya diatur ke 1,5mm, tinggi dan lebar dari tiga anak tangga adalah 0,5mm, dan jarak antara lubang potongan tiang adalah 2mm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.
Gambar 14a menunjukkan distribusi medan magnet aksial di sepanjang garis tengah dari dua berkas elektron. Dapat dilihat bahwa gaya medan magnet di sepanjang dua berkas elektron adalah sama. Nilai medan magnet sekitar 6000 Gs, yaitu 1,5 kali medan Brillouin teoretis untuk meningkatkan kinerja transmisi dan pemfokusan. Pada saat yang sama, medan magnet di katoda hampir 0, menunjukkan bahwa potongan kutub memiliki efek yang baik dalam mencegah kebocoran fluks magnet. distribusi medan Dengan arah z di tepi atas dari dua berkas elektron. Dapat dilihat bahwa medan magnet transversal kurang dari 200 Gs hanya pada lubang keping kutub, sedangkan pada rangkaian gelombang lambat, medan magnet transversal hampir nol, yang membuktikan bahwa pengaruh medan magnet transversal pada berkas elektron dapat diabaikan. Untuk mencegah saturasi magnet dari keping kutub, perlu dipelajari kekuatan medan magnet di dalam keping kutub. potongan kutub. Dapat dilihat bahwa nilai absolut dari kekuatan medan magnet kurang dari 1,2T, menunjukkan bahwa saturasi magnet potongan kutub tidak akan terjadi.
Distribusi kekuatan medan magnet untuk Br = 1,3 T.(a) Distribusi medan aksial.(b) Distribusi medan lateral By dalam arah z.(c) Nilai absolut distribusi medan dalam potongan kutub.
Berdasarkan modul CST PS, posisi relatif aksial dari pistol sinar ganda dan sistem pemfokusan dioptimalkan. Menurut Ref.9 dan simulasi, lokasi optimal adalah di mana potongan anoda tumpang tindih dengan potongan kutub menjauh dari magnet. Namun, ditemukan bahwa jika remanensi diatur ke 1,3T, transmisi berkas elektron tidak dapat mencapai 99%. Dengan meningkatkan remanensi menjadi 1,4 T, medan magnet pemfokusan akan ditingkatkan menjadi 6500 Gs. Lintasan berkas pada bidang xoz dan yoz ditunjukkan pada Gambar 15. Dapat dilihat bahwa berkas memiliki transmisi yang baik , fluktuasi kecil, dan jarak transmisi lebih besar dari 45mm.
Lintasan balok pensil ganda di bawah sistem magnet homogen dengan pesawat Br = 1,4 T.(a) xoz.(b) yoz pesawat.
Gambar 16 menunjukkan penampang balok pada posisi yang berbeda jauh dari katoda. Dapat dilihat bahwa bentuk penampang balok dalam sistem pemfokusan dipertahankan dengan baik, dan diameter penampang tidak banyak berubah. Gambar 17 menunjukkan selubung balok masing-masing dalam arah x dan y. Dapat dilihat bahwa fluktuasi balok di kedua arah sangat kecil. Gambar 18 menunjukkan hasil simulasi arus balok. Hasil menunjukkan bahwa arus sekitar 2 × 80 mA, yang konsisten dengan perhitungan nilai dalam desain senjata elektron.
Penampang berkas elektron (dengan sistem pemfokusan) pada posisi berbeda jauh dari katoda.
Mempertimbangkan serangkaian masalah seperti kesalahan perakitan, fluktuasi tegangan, dan perubahan kekuatan medan magnet dalam aplikasi pemrosesan praktis, perlu untuk menganalisis sensitivitas sistem pemfokusan. Karena ada celah antara bagian anoda dan bagian kutub dalam pemrosesan aktual, celah ini perlu diatur dalam simulasi. Nilai celah diatur ke 0,2 mm dan Gambar 19a menunjukkan selubung berkas dan arus berkas dalam arah y. Hasil ini menunjukkan bahwa perubahan selubung berkas tidak signifikan dan arus berkas hampir tidak berubah. Oleh karena itu, sistem tidak peka terhadap kesalahan perakitan. Untuk fluktuasi tegangan penggerak, kisaran kesalahan diatur ke ±0,5 kV. Gambar 19b menunjukkan hasil perbandingan. Dapat dilihat bahwa perubahan tegangan memiliki efek yang kecil pada selubung berkas. Kisaran kesalahan diatur dari -0,02 hingga +0,03 T untuk perubahan kekuatan medan magnet. Hasil perbandingan ditunjukkan pada Gambar 20. Terlihat bahwa selubung berkas hampir tidak berubah, yang berarti bahwa seluruh EOS tidak peka terhadap perubahan kekuatan medan magnet.
Selubung balok dan hasil arus di bawah sistem pemfokusan magnetik yang seragam.(a) Toleransi rakitan adalah 0,2 mm.(b) Fluktuasi tegangan penggerak adalah ±0,5 kV.
Selubung balok di bawah sistem pemfokusan magnetik seragam dengan fluktuasi kekuatan medan magnet aksial mulai dari 0,63 hingga 0,68 T.
Untuk memastikan bahwa sistem pemfokusan yang dirancang dalam makalah ini dapat cocok dengan HFS, perlu untuk menggabungkan sistem pemfokusan dan HFS untuk penelitian. Gambar 21 menunjukkan perbandingan amplop balok dengan dan tanpa HFS dimuat.
Untuk memverifikasi kebenaran EOS yang diajukan di Bagian III dan menyelidiki kinerja SDV-TWT 220 GHz, simulasi 3D-PIC dari interaksi gelombang berkas dilakukan. Karena keterbatasan perangkat lunak simulasi, kami tidak dapat menambahkan seluruh EOS ke HFS. Oleh karena itu, senapan elektron diganti dengan permukaan pemancar yang setara dengan diameter 0,13 mm dan jarak antara dua permukaan 0,31 mm, parameter yang sama dengan senjata elektron yang dirancang di atas. Karena ketidakpekaan dan stabilitas yang baik EOS, tegangan penggerak dapat dioptimalkan dengan baik untuk mencapai daya keluaran terbaik dalam simulasi PIC. Hasil simulasi menunjukkan bahwa daya keluaran jenuh dan penguatan dapat diperoleh pada tegangan penggerak 20,6 kV, arus pancaran 2 × 80 mA (603 A/cm2), dan daya input 0,05 W.
Untuk mendapatkan sinyal keluaran terbaik, jumlah siklus juga perlu dioptimalkan. Daya keluaran terbaik diperoleh ketika jumlah dua tahap adalah 42 + 48 siklus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22a. Sinyal input 0,05 W diperkuat menjadi 314 W dengan gain 38 dB. Spektrum daya output yang diperoleh Fast Fourier Transform (FFT) murni, memuncak pada 220 GHz. Gambar 22b menunjukkan distribusi posisi aksial energi elektron di SWS, dengan sebagian besar elektron kehilangan energi. Hasil ini menunjukkan bahwa SDV-SWS dapat mengubah energi kinetik elektron menjadi sinyal RF, sehingga mewujudkan amplifikasi sinyal.
Sinyal keluaran SDV-SWS pada 220 GHz.(a) Daya keluaran dengan spektrum yang disertakan.(b) Distribusi energi elektron dengan berkas elektron di ujung inset SWS.
Gambar 23 menunjukkan bandwidth daya output dan gain dari dual-mode dual-beam SDV-TWT. Performa output dapat lebih ditingkatkan dengan menyapu frekuensi dari 200 hingga 275 GHz dan mengoptimalkan voltase drive. Hasil ini menunjukkan bahwa bandwidth 3-dB dapat mencakup 205 hingga 275 GHz, yang berarti operasi mode ganda dapat sangat memperluas bandwidth operasi.
Namun, menurut Gambar 2a, kita tahu bahwa ada stop band antara mode ganjil dan genap, yang dapat menyebabkan osilasi yang tidak diinginkan. Oleh karena itu, stabilitas kerja di sekitar stop perlu dipelajari. Gambar 24a-c masing-masing adalah hasil simulasi 20 ns pada 265,3 GHz, 265,35 GHz, dan 265,4 GHz. Dapat dilihat bahwa meskipun hasil simulasi memiliki beberapa fluktuasi, daya output relatif stabil. Spektrum juga ditunjukkan pada Gambar 24 berturut-turut, spektrumnya murni. Hasil ini menunjukkan bahwa tidak ada osilasi diri di dekat stopband.
Fabrikasi dan pengukuran diperlukan untuk memverifikasi kebenaran seluruh HFS. Pada bagian ini, HFS dibuat menggunakan teknologi computer numerical control (CNC) dengan diameter pahat 0,1 mm dan akurasi pemesinan 10 μm. Bahan untuk struktur frekuensi tinggi disediakan oleh tembaga konduktivitas tinggi bebas oksigen (OFHC). Gambar 25a menunjukkan struktur fabrikasi. Seluruh struktur memiliki panjang 66,00 mm, lebar 20 0,00 mm dan tinggi 8,66 mm.Delapan lubang pin didistribusikan di sekitar struktur.Gambar 25b menunjukkan struktur dengan memindai mikroskop elektron (SEM).Bilah struktur ini diproduksi secara seragam dan memiliki kekasaran permukaan yang baik.Setelah pengukuran yang tepat, kesalahan pemesinan keseluruhan kurang dari 5%, dan kekasaran permukaan sekitar 0,4μm.Struktur pemesinan memenuhi persyaratan desain dan presisi.
Gambar 26 menunjukkan perbandingan antara hasil pengujian aktual dan simulasi kinerja transmisi. Port 1 dan Port 2 pada Gambar 26a masing-masing sesuai dengan port input dan output HFS, dan setara dengan Port 1 dan Port 4 pada Gambar 3. Hasil pengukuran aktual S11 sedikit lebih baik daripada hasil simulasi. .Secara keseluruhan, hasil pengukuran sesuai dengan hasil simulasi, dan bandwidth transmisi memenuhi persyaratan 70 GHz, yang memverifikasi kelayakan dan kebenaran SDV-TWT dual-mode yang diusulkan. Oleh karena itu, dikombinasikan dengan proses fabrikasi aktual dan hasil pengujian, desain SDV-TWT dual-beam ultra-broadband yang diusulkan dalam makalah ini dapat digunakan untuk fabrikasi dan aplikasi selanjutnya.
Dalam makalah ini, disajikan desain rinci distribusi planar 220 GHz dual-beam SDV-TWT. Kombinasi operasi mode ganda dan eksitasi dual-beam semakin meningkatkan bandwidth operasi dan daya keluaran. Pabrikasi dan uji dingin juga dilakukan untuk memverifikasi kebenaran seluruh HFS.Hasil pengukuran aktual sangat sesuai dengan hasil simulasi. Untuk EOS dua berkas yang dirancang, bagian topeng dan elektroda kontrol telah digunakan bersama untuk menghasilkan berkas dua pensil. Di bawah medan magnet fokus seragam yang dirancang, berkas elektron dapat ditransmisikan secara stabil dalam jarak jauh dengan bentuk yang baik. Di masa depan, produksi dan pengujian EOS akan dilakukan, dan uji termal seluruh TWT juga akan dilakukan. Skema desain SDV-TWT yang diusulkan dalam makalah ini sepenuhnya menggabungkan teknologi pemrosesan pesawat dewasa saat ini, dan menunjukkan potensi besar dalam indikator kinerja dan pemrosesan dan perakitan. Oleh karena itu, makalah ini percaya bahwa struktur planar kemungkinan besar akan menjadi tren pengembangan perangkat elektronik vakum di pita terahertz.
Sebagian besar data mentah dan model analitik dalam penelitian ini telah dimasukkan dalam makalah ini. Informasi relevan lebih lanjut dapat diperoleh dari penulis terkait atas permintaan yang masuk akal.
Gamzina, D. et al.Pemesinan CNC berskala nano untuk elektronik vakum sub-terahertz.IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. dan Paoloni, C. mikrofabrikasi UV-LIGA dari pandu gelombang sub-terahertz menggunakan photoresist SU-8 multilayer.J.Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.Peta jalan teknologi THz 2017.J.Physics.D untuk apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Pengurungan yang kuat dari propagasi gelombang plasmonic melalui ultra-broadband terhuyung-huyung double-grating waveguides.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al.Kinerja Nano CNC Machined 220-GHz Travelling Wave Tube Amplifier.IEEE Trans.perangkat elektronik.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Menyelidiki ketidakstabilan diocotron dari berkas berkas elektron dengan lebar tak terhingga menggunakan teori model fluida dingin makroskopik. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV tentang kesempatan untuk meningkatkan bandwidth dengan tata letak planar balok dalam klystron multibeam. Dalam Konferensi Internasional IEEE ke-12 tentang Elektronik Vakum, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al.Desain senjata elektron tiga balok dengan distribusi bidang pemisah berkas sempit dalam tabung gelombang perjalanan pisau ganda pita-W terhuyung-huyung[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 mendistribusikan sistem optik elektron tiga berkas dengan pemisahan berkas sempit untuk mode dasar W-band TWT.IEEE Trans.perangkat elektronik.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Penelitian tentang Interleaved Double-Blade Traveling Wave Tube dengan Millimeter-Wave Sheet Beams 20-22 (PhD, Beihang University, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studi tentang stabilitas interaksi gelombang-berkas dari tabung gelombang perjalanan bilah ganda G-band interleaved.2018 Konferensi Internasional ke-43 tentang Milimeter Inframerah dan Gelombang Terahertz, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).