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 berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Dalam makalah ini, tabung gelombang berjalan bilah ganda berselang-seling daya tinggi pita lebar 220GHz dirancang dan diverifikasi. Pertama, struktur gelombang lambat bilah ganda planar yang disusun bertingkat diusulkan. Dengan menggunakan skema operasi mode ganda, kinerja transmisi dan lebar pita hampir dua kali lipat dari mode tunggal. Kedua, untuk memenuhi persyaratan daya keluaran tinggi dan meningkatkan stabilitas tabung gelombang berjalan, sistem optik elektronik berbentuk pensil ganda dirancang, tegangan penggerak adalah 20~21 kV, dan arus adalah 2 × 80 mA. Tujuan desain. Dengan menggunakan bagian topeng dan elektroda kontrol di pistol sinar ganda, kedua sinar pensil dapat difokuskan di sepanjang pusatnya masing-masing dengan rasio kompresi 7, jarak pemfokusan sekitar 0,18 mm, dan stabilitasnya baik. Sistem pemfokusan magnetik seragam juga telah dioptimalkan. Jarak transmisi stabil dari sinar 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 keluaran puncak hampir 310 W pada 220 GHz, tegangan berkas yang dioptimalkan adalah 20,6 kV, arus berkas adalah 2 × 80 mA, penguatannya adalah 38 dB, dan lebar pita 3-dB melebihi 35 dB sekitar 70 GHz. Akhirnya, fabrikasi mikrostruktur presisi tinggi dilakukan untuk memverifikasi kinerja HFS, dan hasilnya menunjukkan bahwa lebar pita dan karakteristik transmisi sesuai dengan hasil simulasi. Oleh karena itu, skema yang diusulkan dalam makalah ini diharapkan dapat mengembangkan sumber radiasi pita terahertz daya tinggi dan pita lebar ultra-lebar dengan potensi untuk aplikasi masa depan.
Sebagai perangkat elektronik vakum tradisional, tabung gelombang berjalan (TWT) memainkan peran yang tak tergantikan dalam banyak aplikasi seperti radar resolusi tinggi, sistem komunikasi satelit, dan eksplorasi ruang angkasa1,2,3. Namun, saat frekuensi operasi memasuki pita terahertz, TWT rongga gandeng tradisional dan TWT heliks tidak dapat memenuhi kebutuhan orang karena daya keluaran yang relatif rendah, lebar pita sempit, dan proses manufaktur yang sulit. Oleh karena itu, bagaimana meningkatkan kinerja pita THz secara komprehensif telah menjadi masalah yang sangat memprihatinkan bagi banyak lembaga penelitian ilmiah. Dalam beberapa tahun terakhir, struktur gelombang lambat (SWS) baru, seperti struktur bilah ganda terhuyung-huyung (SDV) dan struktur pandu gelombang terlipat (FW), telah menerima perhatian luas karena struktur planar alaminya, 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, paket semua logam Struktur tersebut dapat menyediakan kapasitas termal yang lebih besar dengan daya keluaran dan penguatan yang lebih tinggi, dan struktur mirip pandu gelombang tersebut juga dapat menyediakan lebar pita kerja yang lebih lebar. Saat ini, UC Davis menunjukkan untuk pertama kalinya pada tahun 2017 bahwa SDV-TWT dapat menghasilkan keluaran daya tinggi yang melebihi 100 W dan sinyal lebar pita hampir 14 GHz dalam pita G5. Akan tetapi, hasil-hasil ini masih memiliki celah yang tidak dapat memenuhi persyaratan terkait daya tinggi dan lebar pita lebar dalam pita terahertz. Untuk SDV-TWT pita G milik UC-Davis, berkas elektron lembaran telah digunakan. Meskipun skema ini dapat meningkatkan kapasitas hantar arus berkas secara signifikan, sulit untuk mempertahankan jarak transmisi yang panjang akibat ketidakstabilan sistem optik elektron (EOS) berkas lembaran, dan terdapat terowongan berkas dengan mode berlebih, yang juga dapat menyebabkan berkas tersebut mengatur dirinya sendiri. – Eksitasi dan osilasi 6,7.Untuk memenuhi persyaratan daya keluaran tinggi, lebar pita lebar, dan stabilitas THz TWT yang baik, SDV-SWS dual-beam dengan operasi mode ganda diusulkan dalam makalah ini.Yaitu, untuk meningkatkan lebar pita operasi, operasi mode ganda diusulkan dan diperkenalkan dalam struktur ini.Dan, untuk meningkatkan daya keluaran, distribusi planar dari balok pensil ganda juga digunakan.Radio balok pensil tunggal relatif kecil karena kendala ukuran vertikal.Jika kerapatan arus terlalu tinggi, arus balok harus dikurangi, sehingga menghasilkan daya keluaran yang relatif rendah.Untuk meningkatkan arus balok, EOS multibeam terdistribusi planar telah muncul, yang memanfaatkan ukuran lateral SWS.Karena tunneling balok independen, multi-balok terdistribusi planar dapat mencapai daya keluaran tinggi dengan mempertahankan arus balok total yang tinggi dan arus kecil per balok, yang dapat menghindari tunneling balok overmode dibandingkan dengan perangkat balok lembaran.Oleh karena itu, menjaga stabilitas tabung gelombang berjalan bermanfaat.Atas dasar pekerjaan sebelumnya8,9, makalah ini mengusulkan medan magnet seragam pita-G yang memfokuskan sinar pensil ganda EOS, yang dapat sangat meningkatkan jarak transmisi sinar yang stabil dan lebih jauh 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, menurut struktur sel satuan, EOS sinar pensil ganda dan sistem interaksi sinar 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 buatlah ringkasan.
Sebagai salah satu komponen terpenting dari TWT, sifat dispersif dari struktur gelombang lambat menunjukkan apakah kecepatan elektron sesuai dengan kecepatan fase SWS, dan dengan demikian memiliki pengaruh besar pada interaksi gelombang-berkas. Untuk meningkatkan kinerja seluruh TWT, struktur interaksi yang ditingkatkan dirancang. Struktur sel satuan ditunjukkan pada Gambar 1. Mempertimbangkan ketidakstabilan berkas lembaran dan keterbatasan daya berkas pena tunggal, struktur mengadopsi berkas pena ganda untuk lebih meningkatkan daya keluaran dan stabilitas operasi. Sementara itu, untuk meningkatkan lebar pita kerja, mode ganda telah diusulkan untuk mengoperasikan SWS. Karena simetri struktur SDV, solusi persamaan dispersi medan elektromagnetik dapat dibagi menjadi mode ganjil dan genap. Pada saat yang sama, mode ganjil fundamental dari pita frekuensi rendah dan mode genap fundamental dari pita frekuensi tinggi digunakan untuk mewujudkan sinkronisasi pita lebar dari interaksi berkas, sehingga lebih meningkatkan lebar pita 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 lebar pita operasi SDV-SWS, kita perlu menghitung panjang periode p. Hubungan antara tegangan balok dan periode ditunjukkan pada persamaan (1)10:
Dengan menetapkan pergeseran fase ke 2,5π pada frekuensi pusat 220 GHz, periode p dapat dihitung menjadi 0,46 mm. Gambar 2a menunjukkan sifat dispersi sel satuan SWS. Garis sinar 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). Gambar 2b menunjukkan impedansi kopling rata-rata, yang lebih besar dari 0,6 Ω dari 210 hingga 290 GHz, yang menunjukkan bahwa interaksi yang kuat dapat terjadi dalam lebar pita operasi.
(a) Karakteristik dispersi SDV-SWS mode ganda dengan garis sinar elektron 20 kV. (b) Impedansi interaksi rangkaian gelombang lambat SDV.
Akan tetapi, penting untuk dicatat bahwa terdapat celah pita antara mode ganjil dan genap, dan kita biasanya menyebut celah pita ini sebagai pita henti, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Jika TWT dioperasikan di dekat pita frekuensi ini, kekuatan kopling berkas yang kuat dapat terjadi, yang akan menyebabkan osilasi yang tidak diinginkan. Dalam aplikasi praktis, kita umumnya menghindari penggunaan TWT di dekat pita henti. Akan tetapi, dapat dilihat bahwa celah pita dari 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 pita henti akan diselidiki di bagian simulasi PIC berikut untuk menganalisis apakah osilasi yang tidak diinginkan dapat terjadi.
Model seluruh HFS ditunjukkan pada Gambar 3. Model ini terdiri dari dua tahap SDV-SWS yang dihubungkan oleh reflektor Bragg. Fungsi reflektor adalah untuk memutus transmisi sinyal antara dua tahap, menekan osilasi dan refleksi mode yang tidak berfungsi seperti mode orde tinggi yang dihasilkan antara bilah atas dan bawah, sehingga sangat meningkatkan stabilitas seluruh tabung. Untuk koneksi ke lingkungan eksternal, kopler tirus linier juga digunakan untuk menghubungkan SWS ke pandu gelombang standar WR-4. Koefisien transmisi struktur dua tingkat diukur oleh pemecah domain waktu dalam perangkat lunak simulasi 3D. Dengan mempertimbangkan efek aktual pita terahertz pada material, material selubung vakum awalnya diatur ke tembaga, dan konduktivitas dikurangi menjadi 2,25×107 S/m12.
Gambar 4 menunjukkan hasil transmisi untuk HFS dengan dan tanpa kopler tirus linier. Hasilnya menunjukkan bahwa kopler memiliki sedikit efek pada kinerja transmisi keseluruhan HFS. Kehilangan balik (S11 < − 10 dB) dan kehilangan penyisipan (S21 > − 5 dB) dari keseluruhan sistem dalam pita lebar 207~280 GHz menunjukkan bahwa HFS memiliki karakteristik transmisi yang baik.
Sebagai catu daya perangkat elektronik vakum, pistol elektron secara langsung menentukan apakah perangkat dapat menghasilkan daya keluaran yang cukup. Dikombinasikan dengan analisis HFS di Bagian II, EOS berkas ganda perlu dirancang untuk menyediakan daya yang cukup. Pada bagian ini, berdasarkan pekerjaan sebelumnya di pita W8,9, pistol elektron pensil ganda dirancang menggunakan bagian masker planar dan elektroda kontrol. Pertama, menurut persyaratan desain SWS di Bagian Seperti yang ditunjukkan pada GAMBAR. 2, tegangan penggerak Ua dari berkas elektron awalnya ditetapkan menjadi 20 kV, arus I dari kedua berkas elektron tersebut keduanya 80 mA, dan diameter berkas dw dari berkas elektron tersebut adalah 0,13 mm. Pada saat yang sama, untuk memastikan bahwa kerapatan arus berkas elektron dan katode dapat tercapai, rasio kompresi berkas elektron ditetapkan menjadi 7, sehingga kerapatan arus berkas elektron adalah 603 A/cm2, dan kerapatan arus katode adalah 86 A/cm2, yang dapat dicapai dengan Ini dicapai dengan menggunakan bahan katode baru. Menurut teori desain 14, 15, 16, 17, senjata elektron Pierce yang khas dapat diidentifikasi secara unik.
Gambar 5 menunjukkan diagram skema horizontal dan vertikal dari pistol tersebut, masing-masing. Dapat dilihat bahwa profil pistol elektron pada arah-x hampir identik dengan profil pistol elektron berbentuk lembaran pada umumnya, sementara pada arah-y kedua berkas elektron dipisahkan sebagian oleh topeng. Posisi kedua katode masing-masing berada pada x = – 0,155 mm, y = 0 mm dan x = 0,155 mm, y = 0 mm. Menurut persyaratan desain rasio kompresi dan ukuran injeksi elektron, dimensi kedua permukaan katode ditetapkan sebesar 0,91 mm × 0,13 mm.
Untuk membuat medan listrik terfokus yang diterima oleh masing-masing berkas elektron dalam arah-x menjadi simetris terhadap pusatnya sendiri, makalah ini menerapkan elektrode kontrol ke senapan elektron. Dengan mengatur tegangan elektrode pemfokus dan elektrode kontrol ke -20 kV, dan tegangan anoda ke 0 V, kita dapat memperoleh distribusi lintasan senapan berkas ganda, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6. Dapat dilihat bahwa elektron yang dipancarkan memiliki kompresibilitas yang baik dalam arah-y, dan masing-masing berkas elektron menyatu ke arah-x sepanjang pusat simetrinya sendiri, yang menunjukkan bahwa elektrode kontrol menyeimbangkan medan listrik yang tidak sama yang dihasilkan oleh elektrode pemfokus.
Gambar 7 menunjukkan selubung berkas pada arah x dan y. Hasilnya menunjukkan bahwa jarak proyeksi berkas elektron pada arah x berbeda dengan jarak proyeksi pada arah y. Jarak lontar pada arah x sekitar 4 mm, dan jarak lontar pada arah y mendekati 7 mm. Oleh karena itu, jarak lontar aktual harus dipilih antara 4 dan 7 mm. Gambar 8 menunjukkan penampang melintang berkas elektron pada jarak 4,6 mm dari permukaan katode. Kita dapat melihat bahwa bentuk penampang melintang tersebut paling mendekati berkas elektron melingkar standar. Jarak antara kedua berkas elektron tersebut mendekati jarak yang dirancang, yaitu 0,31 mm, dan radiusnya sekitar 0,13 mm, yang memenuhi persyaratan desain. Gambar 9 menunjukkan hasil simulasi arus berkas. Dapat dilihat bahwa kedua arus berkas tersebut adalah 76 mA, yang sesuai dengan arus yang dirancang, yaitu 80 mA.
Dengan mempertimbangkan fluktuasi tegangan penggerak dalam aplikasi praktis, maka perlu dipelajari sensitivitas tegangan model ini. Pada rentang tegangan 19,8 ~ 20,6 kV, diperoleh selubung arus dan arus berkas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 1.10 dan 11. Dari hasil tersebut, 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 dikatakan bahwa senjata elektron yang dirancang dalam makalah ini memiliki sensitivitas yang baik terhadap tegangan.
Pengaruh fluktuasi tegangan penggerak pada selubung berkas arah x dan y.
Medan pemfokusan magnet seragam merupakan sistem pemfokusan magnet permanen yang umum. Karena distribusi medan magnet seragam di seluruh saluran berkas, sistem ini sangat cocok untuk berkas elektron simetris aksial. Di bagian ini, diusulkan sistem pemfokusan magnet seragam untuk mempertahankan transmisi jarak jauh berkas pensil ganda. Dengan menganalisis medan magnet yang dihasilkan dan selubung berkas, diusulkan skema desain sistem pemfokusan, dan dipelajari masalah sensitivitas. Menurut teori transmisi stabil berkas pensil tunggal18,19, nilai medan magnet Brillouin dapat dihitung dengan persamaan (2). Dalam makalah ini, kami juga menggunakan kesetaraan ini untuk memperkirakan medan magnet berkas pensil ganda yang terdistribusi secara lateral. Dikombinasikan dengan senjata elektron yang dirancang dalam makalah ini, nilai medan magnet terhitung sekitar 4000 Gs. Menurut Ref. 20, 1,5-2 kali nilai terhitung biasanya dipilih dalam desain praktis.
Gambar 12 menunjukkan struktur sistem pemfokusan medan magnet seragam. Bagian biru adalah magnet permanen yang dimagnetisasi dalam arah aksial. Pemilihan material adalah NdFeB atau FeCoNi. Remanensi Br yang ditetapkan dalam model simulasi adalah 1,3 T dan permeabilitas adalah 1,05. Untuk memastikan transmisi berkas yang stabil di seluruh rangkaian, panjang magnet awalnya ditetapkan menjadi 70 mm. Selain itu, ukuran magnet dalam arah x menentukan apakah medan magnet transversal di saluran berkas seragam, yang mengharuskan ukuran dalam arah x tidak boleh terlalu kecil. Pada saat yang sama, dengan mempertimbangkan biaya dan berat seluruh tabung, ukuran magnet tidak boleh terlalu besar. Oleh karena itu, magnet awalnya ditetapkan menjadi 150 mm × 150 mm × 70 mm. Sementara itu, untuk memastikan bahwa seluruh rangkaian gelombang lambat dapat ditempatkan dalam sistem pemfokusan, jarak antara magnet ditetapkan menjadi 20 mm.
Pada tahun 2015, Purna Chandra Panda21 mengusulkan potongan kutub dengan lubang bertingkat baru dalam sistem pemfokusan magnetik seragam, yang selanjutnya dapat mengurangi besarnya kebocoran fluks ke katode dan medan magnet transversal yang dihasilkan pada lubang potongan kutub. Dalam makalah ini, kami menambahkan struktur bertingkat pada potongan kutub sistem pemfokusan. Ketebalan potongan kutub awalnya ditetapkan sebesar 1,5 mm, tinggi dan lebar ketiga anak tangga masing-masing sebesar 0,5 mm, dan jarak antara lubang-lubang potongan kutub adalah 2 mm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.
Gambar 14a menunjukkan distribusi medan magnet aksial di sepanjang garis tengah kedua berkas elektron. Dapat dilihat bahwa gaya medan magnet di sepanjang kedua berkas elektron adalah sama. Nilai medan magnet sekitar 6000 Gs, yang merupakan 1,5 kali medan Brillouin teoritis untuk meningkatkan kinerja transmisi dan pemfokusan. Pada saat yang sama, medan magnet di katode hampir 0, yang menunjukkan bahwa bagian kutub memiliki efek yang baik dalam mencegah kebocoran fluks magnet. Gambar 14b menunjukkan distribusi medan magnet transversal Oleh dalam arah z di tepi atas kedua berkas elektron. Dapat dilihat bahwa medan magnet transversal kurang dari 200 Gs hanya di lubang bagian kutub, sedangkan di sirkuit gelombang lambat, medan magnet transversal hampir nol, yang membuktikan bahwa pengaruh medan magnet transversal pada berkas elektron dapat diabaikan. Untuk mencegah saturasi magnetik pada bagian kutub, perlu untuk mempelajari kekuatan medan magnet di dalam bagian kutub. Gambar 14c menunjukkan nilai absolut dari distribusi medan magnet di dalam bagian kutub potongan. Dapat dilihat bahwa nilai absolut kekuatan medan magnet kurang dari 1,2T, menunjukkan bahwa saturasi magnetik pada 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 dual beam gun dan sistem pemfokus dioptimalkan. Menurut Ref. 9 dan simulasi, lokasi optimal adalah tempat bagian anoda tumpang tindih dengan bagian kutub yang menjauh dari magnet. Namun, ditemukan bahwa jika remanensi ditetapkan menjadi 1,3T, transmitansi berkas elektron tidak dapat mencapai 99%. Dengan meningkatkan remanensi menjadi 1,4 T, medan magnet pemfokus 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 45 mm.
Lintasan sinar pensil ganda di bawah sistem magnetik homogen dengan Br = 1,4 T.(a) bidang xoz.(b) pesawat yoz.
Gambar 16 menunjukkan penampang melintang berkas pada berbagai posisi menjauhi katode. Dapat dilihat bahwa bentuk penampang berkas pada sistem pemfokusan terjaga dengan baik, dan diameter penampang tidak banyak berubah. Gambar 17 menunjukkan selubung berkas pada arah x dan y, berturut-turut. Dapat dilihat bahwa fluktuasi berkas pada kedua arah sangat kecil. Gambar 18 menunjukkan hasil simulasi arus berkas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa arus sekitar 2 × 80 mA, yang konsisten dengan nilai terhitung pada desain senjata elektron.
Penampang berkas elektron (dengan sistem pemfokusan) pada berbagai posisi yang menjauhi katode.
Dengan mempertimbangkan serangkaian masalah seperti kesalahan perakitan, fluktuasi tegangan, dan perubahan kekuatan medan magnet dalam aplikasi pemrosesan praktis, maka 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 sensitif terhadap kesalahan perakitan. Untuk fluktuasi tegangan penggerak, rentang kesalahan diatur ke ±0,5 kV. Gambar 19b menunjukkan hasil perbandingan. Dapat dilihat bahwa perubahan tegangan memiliki sedikit efek pada selubung berkas. Rentang kesalahan diatur dari -0,02 hingga +0,03 T untuk perubahan kekuatan medan magnet. Hasil perbandingan ditunjukkan pada Gambar 20. Dapat dilihat bahwa selubung berkas hampir tidak berubah, yang berarti bahwa seluruh EOS tidak sensitif terhadap perubahan kekuatan medan magnet.
Selubung sinar dan hasil arus pada sistem pemfokusan magnetik seragam. (a) Toleransi perakitan adalah 0,2 mm. (b) Fluktuasi tegangan penggerak adalah ±0,5 kV.
Selubung sinar di bawah sistem pemfokusan magnetik seragam dengan fluktuasi kekuatan medan magnet aksial berkisar antara 0,63 hingga 0,68 T.
Agar dapat dipastikan bahwa sistem pemfokusan yang dirancang dalam makalah ini dapat sesuai dengan HFS, maka perlu menggabungkan sistem pemfokusan dan HFS untuk penelitian. Gambar 21 memperlihatkan perbandingan selubung berkas dengan dan tanpa pembebanan HFS. Hasil penelitian memperlihatkan bahwa selubung berkas tidak banyak berubah ketika seluruh HFS diberi pembebanan. Oleh karena itu, sistem pemfokusan ini sesuai untuk tabung gelombang berjalan HFS dengan desain di atas.
Untuk memverifikasi kebenaran EOS yang diajukan pada Bagian III dan menyelidiki kinerja SDV-TWT 220 GHz, simulasi 3D-PIC dari interaksi sinar-gelombang dilakukan. Karena keterbatasan perangkat lunak simulasi, kami tidak dapat menambahkan seluruh EOS ke HFS. Oleh karena itu, pistol elektron diganti dengan permukaan pemancar ekuivalen dengan diameter 0,13 mm dan jarak antara kedua permukaan 0,31 mm, parameter yang sama seperti pistol elektron yang dirancang di atas. Karena ketidakpekaan dan stabilitas EOS yang baik, 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 sinar 2 × 80 mA (603 A/cm2), dan daya masukan 0,05 W.
Untuk memperoleh sinyal keluaran terbaik, jumlah siklus juga perlu dioptimalkan. Daya keluaran terbaik diperoleh saat jumlah dua tahap adalah 42 + 48 siklus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22a. Sinyal masukan 0,05 W diperkuat menjadi 314 W dengan penguatan 38 dB. Spektrum daya keluaran yang diperoleh oleh Fast Fourier Transform (FFT) murni, dengan puncak pada 220 GHz. Gambar 22b menunjukkan distribusi posisi aksial energi elektron dalam SWS, dengan sebagian besar elektron kehilangan energi. Hasil ini menunjukkan bahwa SDV-SWS dapat mengubah energi kinetik elektron menjadi sinyal RF, sehingga mewujudkan penguatan sinyal.
Sinyal keluaran SDV-SWS pada 220 GHz. (a) Daya keluaran dengan spektrum yang disertakan. (b) Distribusi energi elektron dengan berkas elektron di ujung sisipan SWS.
Gambar 23 menunjukkan lebar pita daya keluaran dan penguatan SDV-TWT dual-beam dual-mode. Kinerja keluaran dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan menyapu frekuensi dari 200 hingga 275 GHz dan mengoptimalkan tegangan penggerak. Hasil ini menunjukkan bahwa lebar pita 3 dB dapat mencakup 205 hingga 275 GHz, yang berarti bahwa operasi dual-mode dapat memperluas lebar pita operasi secara signifikan.
Akan tetapi, menurut Gambar 2a, kita mengetahui bahwa terdapat pita henti antara mode ganjil dan genap, yang dapat menyebabkan osilasi yang tidak diinginkan. Oleh karena itu, stabilitas kerja di sekitar pita henti perlu dipelajari. Gambar 24a-c merupakan 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 keluarannya relatif stabil. Spektrumnya juga ditunjukkan masing-masing pada Gambar 24, spektrumnya murni. Hasil ini menunjukkan bahwa tidak ada osilasi sendiri di dekat pita henti.
Fabrikasi dan pengukuran diperlukan untuk memverifikasi kebenaran seluruh HFS. Pada bagian ini, HFS difabrikasi menggunakan teknologi kontrol numerik komputer (CNC) dengan diameter pahat 0,1 mm dan akurasi pemesinan 10 μm. Material untuk struktur frekuensi tinggi disediakan oleh tembaga konduktivitas tinggi bebas oksigen (OFHC). Gambar 25a menunjukkan struktur yang difabrikasi. Seluruh struktur memiliki panjang 66,00 mm, lebar 20,00 mm, dan tinggi 8,66 mm. Delapan lubang pin didistribusikan di sekitar struktur. Gambar 25b menunjukkan struktur dengan mikroskop elektron pemindaian (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 0,4 μm. 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. Pada saat yang sama, hasil pengukuran S21 sedikit lebih buruk. Alasannya mungkin karena konduktivitas material yang ditetapkan dalam simulasi terlalu tinggi dan kekasaran permukaan setelah pemesinan aktual buruk. Secara keseluruhan, hasil pengukuran sesuai dengan hasil simulasi, dan bandwidth transmisi memenuhi persyaratan 70 GHz, yang memverifikasi kelayakan dan kebenaran SDV-TWT mode ganda 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 berikutnya.
Dalam makalah ini, disajikan desain terperinci SDV-TWT dual-beam 220 GHz dengan distribusi planar. Kombinasi operasi mode ganda dan eksitasi dual-beam semakin meningkatkan lebar pita operasi dan daya keluaran. Fabrikasi dan uji dingin juga dilakukan untuk memverifikasi kebenaran seluruh HFS. Hasil pengukuran aktual sesuai dengan hasil simulasi. Untuk EOS dua-beam yang dirancang, bagian masker dan elektroda kontrol telah digunakan bersama-sama untuk menghasilkan dua balok pensil. Di bawah medan magnet pemfokusan seragam yang dirancang, balok elektron dapat ditransmisikan secara stabil dalam jarak jauh dengan bentuk yang baik. Di masa mendatang, 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 bidang matang saat ini, dan menunjukkan potensi besar dalam indikator kinerja serta pemrosesan dan perakitan. Oleh karena itu, makalah ini percaya bahwa struktur planar kemungkinan besar akan menjadi tren pengembangan perangkat elektronik vakum dalam pita terahertz.
Sebagian besar data mentah dan model analitis dalam studi ini telah disertakan dalam makalah ini. Informasi relevan lebih lanjut dapat diperoleh dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
Gamzina, D. et al. Pemesinan CNC skala nano pada elektronik vakum sub-terahertz. IEEE Trans. perangkat elektronik. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. dan Paoloni, C. Pembuatan mikro UV-LIGA dari pandu gelombang sub-terahertz menggunakan fotoresist SU-8 multilapis.J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS dkk. 2017 Peta jalan teknologi THz. J. Fisika. D untuk diterapkan. Fisika. 50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Pembatasan kuat perambatan gelombang plasmonik melalui pandu gelombang kisi ganda terhuyung-huyung pita lebar.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. dkk. Kinerja Penguat Tabung Gelombang Perjalanan 220 GHz yang Dimesin CNC Nano. IEEE Trans. perangkat elektronik. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Menyelidiki ketidakstabilan diocotron pada berkas elektron lembaran lebar tak terhingga menggunakan teori model fluida dingin makroskopis.Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV tentang peluang untuk meningkatkan lebar pita dengan tata letak planar berkas dalam klystron multiberkas. Dalam Konferensi Internasional IEEE ke-12 tentang Elektronika 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 pemisahan balok sempit dalam tabung gelombang berjalan bilah ganda terhuyung-huyung pita W[J]. Sains.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB & Ruan, CJ Sistem optik elektron tiga berkas terdistribusi planar dengan pemisahan berkas sempit untuk mode fundamental pita-W TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Penelitian tentang Tabung Gelombang Berjalan Bilah Ganda yang Disisipkan dengan Balok Lembaran Gelombang Milimeter 20-22 (PhD, Universitas Beihang, 2018).
Bahasa Indonesia: Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studi tentang stabilitas interaksi sinar-gelombang dari tabung gelombang berjalan bilah ganda yang disisipkan pada pita-G. Konferensi Internasional ke-43 tentang Gelombang Milimeter Inframerah dan Terahertz Tahun 2018, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).