תודה שביקרת ב-Nature.com.לגרסת הדפדפן שבה אתה משתמש יש תמיכה מוגבלת ב-CSS.לחוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נציג את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
במאמר זה, מתוכנן ומאומת צינור גל נוסע בעל הספק גבוה בפס רחב של 220GHz בעל הספק גבוה משולב. ראשית, מוצע מבנה גלים איטיים עם להב כפול בעל קרן כפולה. על ידי שימוש בסכמת פעולה דו-מצבית, ביצועי השידור ורוחב הפס כמעט כפולים מאלו של מצב יחיד. שנית, כדי לעמוד בדרישות ההספק של צינור כפול ולשפר את הדרישות של יציבות תנועה כפולה. מעוצבת מערכת אופטית אלקטרונית בצורת עיפרון, מתח ההנעה הוא 20~21 קילוואט, והזרם הוא 2 × 80 mA. מטרות עיצוב. על ידי שימוש בחלק המסכה ואלקטרודת הבקרה באקדח הקרן הכפולה, ניתן למקד את שתי אלומות העיפרון לאורך המרכזים המתאימים עם יחס דחיסה של 7, מרחק המיקוד 1 היה גם אופטימלי של 8 מ"מ. מרחק השידור היציב של קרן האלקטרונים הכפולה המישורית יכול להגיע ל-45 מ"מ, והשדה המגנטי המיקוד הוא 0.6 T, וזה מספיק כדי לכסות את כל מערכת התדרים הגבוהים (HFS). לאחר מכן, כדי לאמת את השימושיות של המערכת האלקטרונית-אופטית ואת הביצועים של מבנה הגל האיטי, בוצעו סימולציות של תא חלקיקים (PIC) גם על כל מערכת הפלט של HFS-3 יכולות להגיע ל-HFS-3. W ב-220 GHz, מתח האלומה האופטימלי הוא 20.6 קילו וולט, זרם האלומה הוא 2 × 80 mA, ההגבר הוא 38 dB, ורוחב הפס של 3-dB עולה על 35 dB כ-70 GHz. לבסוף, ייצור מיקרו-מבנה ברמת דיוק גבוהה מבוצע כדי לאמת את הביצועים של ה-HFS והתוצאות הטובות של רוחב ההעברה ורוחב ההעברה של ה-HFS והתוצאות טובות. ה, התוכנית המוצעת במאמר זה צפויה לפתח מקורות קרינה בעלי הספק גבוה, אולטרה-פס רחב בפס טרה-הרץ עם פוטנציאל ליישומים עתידיים.
כמכשיר אלקטרוני ואקום מסורתי, צינור גלים נוסע (TWT) ממלא תפקיד שאין לו תחליף ביישומים רבים כמו מכ"ם ברזולוציה גבוהה, מערכות תקשורת לווייניות וחקר חלל 1,2,3. עם זאת, כאשר תדר ההפעלה נכנס לרצועת הטרה-הרץ, ה-TWT המסורתי של חלל מצמד ו-slipely כדי לענות על צורכי פלט של אנשים ורוחב TWT נמוכים יחסית, עם צורכי תפוקה נמוכים יחסית של TWT. לפיכך, כיצד לשפר באופן מקיף את הביצועים של רצועת ה-THz הפכה לנושא מודאג מאוד עבור מוסדות מחקר מדעיים רבים. בשנים האחרונות, מבנים חדשים בעלי גל איטי (SWS), כגון מבנים דו-להבים (SDV) ומבנים מקופלים של מוליך גל (FW), זכו לתשומת לב טבעית רחבה של מבני SDV, ללא מבני SDV פוטנציאליים. הוצע על ידי UC-Davis בשנת 20084. ניתן לייצר את המבנה המישורי בקלות על ידי טכניקות עיבוד מיקרו-ננו כגון בקרה מספרית ממוחשבת (CNC) ו-UV-LIGA, מבנה החבילה הכוללת מתכת יכול לספק קיבולת תרמית גדולה יותר עם כוח פלט והגבר גבוהים יותר, והמבנה דמוי מוליך הגל יכול גם לספק רוחב פס עבודה רחב יותר ברוחב פס-170 של Davis-170-SD. תפוקות הספק גבוהות העולה על אותות רוחב פס של 100 W וכמעט 14 גיגה-הרץ ב-G-band5. עם זאת, לתוצאות אלו עדיין יש פערים שאינם יכולים לעמוד בדרישות הקשורות להספק גבוה ורוחב פס רחב בפס ה-terahertz. עבור SDV-TWT של פס G של UC-Davis, קרני האלקטרונים של גיליון שימשו באופן משמעותי את שיטת השידור הארוכה של השידור. מרחק עקב חוסר היציבות של מערכת האלקטרונים האופטית של קרן הגיליון (EOS), וקיימת מנהרת קרן אלומה במצב יתר, שעלולה גם לגרום לקרן לוויסות עצמי.– עירור ותנודה 6,7.על מנת לעמוד בדרישות של הספק פלט גבוה, רוחב פס רחב ויציבות טובה של THz TWT, מוצע במאמר זה קרן דו-אלומות SDV-SWS עם פעולת מצב כפול. כלומר, על מנת להגדיל את רוחב הפס ההפעלה, מוצעת ומוצגת במבנה זה פעולת מצב כפול להגדלת הספק הפלט של עט סיל כדי להגדיל את כוח הפלט של עט. מכשירי רדיו אלומת cil קטנים יחסית בגלל אילוצי גודל אנכיים. אם צפיפות הזרם גבוהה מדי, יש להפחית את זרם האלומה, וכתוצאה מכך הספק פלט נמוך יחסית. כדי לשפר את זרם האלומה, נוצרה EOS מבוזר מישורי, המנצל את הגודל הרוחבי של ה-SWS. עקב מנהור אלומה עצמאית, הספק רב אלומה גדול יכול לחלק זרם גבוה לכל אלומה מישורית ולשמור על כוח פלט גבוה לכל אלומה. הימנע מנהור קרן אלומה במצב יתר בהשוואה למכשירי אלומת גיליון. לכן, מועיל לשמור על יציבות צינור הגל הנוסע. על בסיס עבודה קודמת8,9, מאמר זה מציע שדה מגנטי אחיד בפס G המתמקד בקרן עיפרון כפולה EOS, שיכול לשפר מאוד את מרחק השידור היציב של הקרן ולהגדיל עוד יותר את אזור השפעת ההשפעה הגדולה של הקרן.
המבנה של מאמר זה הוא כדלקמן. ראשית, מתואר תכנון תא SWS עם פרמטרים, ניתוח מאפייני פיזור ותוצאות סימולציה בתדר גבוה. לאחר מכן, על פי מבנה תא היחידה, תוכננו במאמר זה קרן עיפרון כפולה EOS ומערכת אינטראקציה בין קרן. מוצגות גם תוצאות הדמיית חלקיקים תוך-תאיים כדי לאמת את השימושיות של תוצאות ה-SDVOS והחומר הצונן של ה-SDVOS וה-T הנוכחית. בדוק את נכונות ה-HFS כולו.
כאחד המרכיבים החשובים ביותר של ה-TWT, תכונות הפיזור של מבנה הגל האיטי מצביעות על האם מהירות האלקטרונים תואמת את מהירות הפאזה של ה-SWS, ולפיכך יש לה השפעה רבה על אינטראקציית הקרן-גל. כדי לשפר את הביצועים של ה-TWT כולו, מתוכנן מבנה אינטראקציה משופר. מבנה תא היחידה מוצג באיור של מבנה הקרן הבודדת, תוך התחשבות בהספקת האלומה הבודדת, תוך התחשבות בהספקת האלומה הבודדת. מאמצת קרן עט כפולה כדי לשפר עוד יותר את כוח הפלט ויציבות הפעולה.בינתיים, על מנת להגדיל את רוחב הפס העבודה, הוצע מצב כפול להפעלת SWS. בשל הסימטריה של מבנה ה-SDV, ניתן לחלק את הפתרון של משוואת פיזור השדה האלקטרומגנטי למצבים אי זוגיים ומצבים זוגיים. במקביל, המצב האי זוגי הבסיסי של פס התדרים הנמוך והמצב האחיד הבסיסי של פס התדרים הגבוה משמשים לממש את פס התדר האחיד הבסיסי של הפס הרחב של הסנכרון הגבוה. משוטט ברוחב הפס העבודה.
על פי דרישות ההספק, הצינור כולו מתוכנן עם מתח הנעה של 20 קילו וולט וזרם אלומה כפולה של 2 × 80 mA. על מנת להתאים את המתח קרוב ככל האפשר לרוחב הפס ההפעלה של SDV-SWS, עלינו לחשב את אורך התקופה p. הקשר בין מתח אלומה לתקופה מוצג במשוואה (1)10:
על ידי הגדרת הסטת הפאזה ל-2.5π בתדר המרכזי של 220 GHz, ניתן לחשב את התקופה p להיות 0.46 מ"מ. איור 2a מציג את מאפייני הפיזור של תא יחידת SWS. קו הקרן של 20 קילוואט תואם היטב את העקומה הבי-מודאלית. רצועות התדר התואמות במצב 572 GHz ו-2 GHz יכולים להגיע בסביבות 572 GHz. -280 גיגה-הרץ (מצב אחיד). איור 2ב מציג את עכבת הצימוד הממוצעת, שהיא גדולה מ-0.6 Ω מ-210 עד 290 גיגה-הרץ, מה שמצביע על כך שעלולות להתרחש אינטראקציות חזקות ברוחב הפס ההפעלה.
(א) מאפייני פיזור של SDV-SWS דו-מצבי עם קו קרן אלקטרונים של 20 קילו וולט. (ב) עכבת אינטראקציה של מעגל הגל האיטי של SDV.
עם זאת, חשוב לציין כי קיים פער פס בין המצב האי-זוגי והזוגי, ובדרך כלל אנו מתייחסים לפער הפס הזה כפס עצירה, כפי שמוצג באיור 2a. אם ה-TWT מופעל ליד פס תדרים זה, עלול להיווצר חוזק צימוד קרן חזק, אשר יוביל לתנודות לא רצויות. ביישומים מעשיים, אנו נמנעים בדרך כלל משימוש בפס איטי של מבנה פס של TWT זה יכול להיות ליד מבנה פס של TWT. רק 0.1 GHz. קשה לקבוע אם פער פס קטן זה גורם לתנודות. לכן, יציבות הפעולה סביב פס העצירה תיבדק בסעיף הדמיית PIC הבא כדי לנתח האם תנודות לא רצויות עלולות להתרחש.
הדגם של ה-HFS כולו מוצג באיור 3. הוא מורכב משני שלבים של SDV-SWS, המחוברים על ידי מחזירי Bragg. תפקידו של המשקף הוא לנתק את העברת האות בין שני השלבים, לדכא את התנודה וההשתקפות של מצבים שאינם פועלים כגון מצבים מסדר גבוה שנוצרים בין הלהבים העליונים והתחתונים, ובכך לשפר את יציבות הקו החיצוני של הצינור כולו, ובכך לשפר מאוד את החיבור של הצינור החיצוני. משמש גם לחיבור ה-SWS למוביל גלים סטנדרטי WR-4. מקדם השידור של המבנה הדו-מפלסי נמדד על ידי פותר תחום זמן בתוכנת הדמיית תלת-ממד. בהתחשב בהשפעה בפועל של פס הטרה-הרץ על החומר, החומר של מעטפת הוואקום מוגדר בתחילה לנחושת, והמוליכות מופחתת ל- SWS/127x127.
איור 4 מציג את תוצאות השידור עבור HFS עם וללא מצמדים מתחדדים ליניאריים. התוצאות מראות שלמצמד יש השפעה מועטה על ביצועי השידור של ה-HFS כולו. אובדן ההחזרה (S11 < - 10 dB) ואובדן ההחדרה (S21 > - 5 dB) של המערכת כולה בפס הרחב של 207~280 GHz של 207~280 GHz מראים שאופייני שידור של HFS טוב.
כספק כוח של מכשירים אלקטרוניים ואקום, אקדח האלקטרונים קובע ישירות אם המכשיר יכול לייצר מספיק כוח פלט. בשילוב עם הניתוח של HFS בסעיף II, יש לתכנן EOS כפול קרן כדי לספק כוח מספיק. בחלק זה, בהתבסס על עבודה קודמת ב-W-band8,9, תוכנן אקדח אלקטרונים כפול עיפרון תוך שימוש במסכה מישורית, לפי דרישות התכנון והבקרה של SWSFi, לפי דרישות העיצוב של SWSFi.2 , מתח ההנעה Ua של קרני האלקטרונים מוגדר בתחילה ל-20 קילו-וולט, הזרמים I של שתי קרני האלקטרונים הם שניהם 80 mA, וקוטר האלומה dw של קרני האלקטרונים הוא 0.13 מ"מ. במקביל, על מנת להבטיח שצפיפות הזרם של קרן האלקטרונים, ניתן להגדיר את היחס בין אלומת האלקטרון לזרם הקתודה, כך שניתן להגדיר את היחס בין אלומת קומת האלקטרון ל-7. צפיפות אלומת האלקטרונים היא 603 A/cm2, וצפיפות הזרם של הקתודה היא 86 A/cm2, אשר ניתן להשיג על ידי זה מושג באמצעות חומרים קתודיים חדשים. על פי תורת התכנון 14, 15, 16, 17, ניתן לזהות אקדח אלקטרוני טיפוסי של פירס באופן ייחודי.
איור 5 מציג את הדיאגרמות הסכמטיות האופקיות והאנכיות של האקדח, בהתאמה. ניתן לראות כי הפרופיל של אקדח האלקטרונים בכיוון x כמעט זהה לזה של אקדח אלקטרוני דמוי יריעות טיפוסי, בעוד שבכיוון y שתי אלומות האלקטרונים מופרדות באופן חלקי על ידי המסכה. מיקומי שתי הקתודות =5 mmy1 ו-x5 = 5 mm0 הם = 5 mm0. 5 מ"מ, y = 0 מ"מ, בהתאמה. בהתאם לדרישות התכנון של יחס דחיסה וגודל הזרקת אלקטרונים, הממדים של שני משטחי הקתודה נקבעים להיות 0.91 מ"מ × 0.13 מ"מ.
על מנת להפוך את השדה החשמלי הממוקד שמתקבל על ידי כל אלומת אלקטרונים בכיוון ה-x לסימטרי סביב המרכז שלו, מאמר זה מחיל אלקטרודת בקרה על רובה האלקטרונים. על ידי קביעת המתח של אלקטרודת המיקוד ואלקטרודת הבקרה ל-20 קילו וולט, ומתח האנודה ל-0 וולט, נוכל לקבל את התפלגות המסלול של קרן האלקטרונית הדואל, כפי שניתן לראות את חלוקת המסלול של ה-2. ל-ns יש יכולת דחיסה טובה בכיוון y, וכל אלומת אלקטרונים מתכנסת לכיוון ה-x לאורך מרכז הסימטריה שלה, מה שמצביע על כך שאלקטרודת הבקרה מאזנת את השדה החשמלי הלא שווה שנוצר על ידי אלקטרודת המיקוד.
איור 7 מציג את מעטפת האלומה בכיווני x ו-y. התוצאות מראות שמרחק ההקרנה של אלומת האלקטרונים בכיוון x שונה מזה שבכיוון y. מרחק הזריקה בכיוון x הוא כ-4 מ"מ, ומרחק ההשלכה בכיוון y קרוב ל-7 מ"מ. לפיכך, יש לבחור את מרחק ההשלכה בפועל בין האלקטרון ל-7 מ"מ בחתך האלקטרוני של 4-8 מ"מ. 4.6 מ"מ ממשטח הקתודה. אנו יכולים לראות שצורת החתך היא הקרובה ביותר לאלומת אלקטרונים עגולה סטנדרטית. המרחק בין שתי אלומות האלקטרונים קרוב ל-0.31 מ"מ המתוכנן, והרדיוס הוא כ-0.13 מ"מ, מה שעומד בדרישות התכנון. איור 9 מציג את תוצאות ההדמיה של קרן האלקטרונים שהשניים מתכננים בזרם טוב, 06-A זרם. mA.
בהתחשב בתנודתיות של מתח הנעה ביישומים מעשיים, יש צורך לחקור את רגישות המתח של מודל זה. בטווח המתח של 19.8 ~ 20.6 קילו וולט, מתקבלות מעטפות הזרם והזרם של האלומה, כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 1.10 ו- 11. מהתוצאות, ניתן לראות את ההנעה של האלקטרון והאלקטרון לא משפיע על ההנעה והאלקטרון. זרם האלומה משתנה רק מ-0.74 ל-0.78 A. לכן, ניתן להתייחס לכך שלאקדח האלקטרונים שתוכנן במאמר זה יש רגישות טובה למתח.
ההשפעה של תנודות מתח הנעה על מעטפות האלומה בכיווני x ו-y.
שדה מיקוד מגנטי אחיד הוא מערכת מיקוד מגנט קבוע נפוצה. בשל פיזור השדה המגנטי האחיד בכל ערוץ האלומה, הוא מתאים מאוד לאלומות אלקטרונים ציריות. בסעיף זה מוצעת מערכת מיקוד מגנטי אחיד לשמירה על השידור למרחקים ארוכים של אלומות עיפרון כפולות. על ידי ניתוח השדה המגנטי הנוצר וסכימת התכנון של האלומה, הבעיה מוצעת במיקוד ותכנוני האלומה, בחינת המעטפת של המערכת ורגישות המערכת. לתיאוריית השידור היציבה של קרן עיפרון בודדת18,19, ניתן לחשב את ערך השדה המגנטי של Brillouin באמצעות משוואה (2). במאמר זה, אנו משתמשים גם בשקילות זו כדי להעריך את השדה המגנטי של קרן עיפרון כפולה מפוזרת לרוחב. בשילוב עם רובה האלקטרונים שתוכנן במאמר זה, ערך השדה המגנטי המחושב של Gf.4000 הוא בערך Gf.4000.20, פי 1.5-2 מהערך המחושב נבחר בדרך כלל בעיצובים מעשיים.
איור 12 מציג את המבנה של מערכת מיקוד שדה מגנטי אחיד. החלק הכחול הוא המגנט הקבוע הממוגנט בכיוון הצירי. בחירת החומר היא NdFeB או FeCoNi. ה-Remanence Br סט במודל הסימולציה הוא 1.3 T והחדירות היא 1.05. על מנת להבטיח שידור יציב של האלומה של האלומה במעגל המגנט כולו, בגודל התוספת של המגנט, בגודל ההתחלה של המגנט, בגודל התוספת של המגנט 7. כיוון x קובע אם השדה המגנטי הרוחבי בתעלת האלומה אחיד, מה שמחייב שהגודל בכיוון x לא יכול להיות קטן מדי. יחד עם זאת, בהתחשב בעלות ובמשקל של כל הצינור, גודל המגנט לא צריך להיות גדול מדי. לכן, המגנטים מוגדרים תחילה ל-150 מ"מ × 150 מ"מ × 70 מ"מ כולה כדי להבטיח שהמגנט יהיה איטי, מרחק בין מערכת המגנט, 70 מ"מ. s מוגדר ל-20 מ"מ.
בשנת 2015, Purna Chandra Panda21 הציעה חתיכת קוטב עם חור מדורג חדש במערכת מיקוד מגנטית אחידה, שיכולה לצמצם עוד יותר את גודל זליגת השטף לקתודה ואת השדה המגנטי הרוחבי שנוצר בחור חתיכת הקוטב. במאמר זה, אנו מוסיפים מבנה מדורג לחלק הקוטב של מערכת המיקוד הראשונית והעובי של מערכת המיקוד הראשונית 5-mm. שלושת השלבים הם 0.5 מ"מ, והמרחק בין חורי המוט הוא 2 מ"מ, כפי שמוצג באיור 13.
איור 14א מציג את התפלגות השדה המגנטי הצירי לאורך קווי המרכז של שתי אלומות האלקטרונים. ניתן לראות שכוחות השדה המגנטי לאורך שתי אלומות האלקטרונים שווים. ערך השדה המגנטי הוא בערך 6000 Gs, שהם פי 1.5 מהשדה התיאורטי של ברילואין כדי להגביר את ביצועי השידור והמיקוד. על מניעת זליגת שטף מגנטי.איור 14b מציגה את התפלגות השדה המגנטי הרוחבי By בכיוון z בקצה העליון של שתי אלומות האלקטרונים. ניתן לראות שהשדה המגנטי הרוחבי קטן מ-200 Gs רק בחור חתיכת הקוטב, בעוד שבמעגל גל איטי, השדה המגנטי הרוחבי מוכיח שהשדה המגנטי הרוחבי מונע כמעט אפסי, השדה המגנטי מונע כמעט אפסי. רוויה ic של חלקי הקוטב, יש צורך לחקור את עוצמת השדה המגנטי בתוך חלקי הקוטב. איור 14c מציג את הערך המוחלט של התפלגות השדה המגנטי בתוך חתיכת הקוטב. ניתן לראות שהערך המוחלט של עוצמת השדה המגנטי הוא פחות מ-1.2T, מה שמצביע על כך שהרוויה המגנטית של חתיכת הקוטב לא תתרחש.
התפלגות חוזק שדה מגנטי עבור Br = 1.3 T.(א) התפלגות שדה צירית.(ב) התפלגות שדה לרוחב By בכיוון z.(ג) ערך מוחלט של התפלגות השדה בתוך חתיכת הקוטב.
בהתבסס על מודול CST PS, המיקום היחסי הצירי של אקדח הקרן הכפול ומערכת המיקוד מותאם. על פי Ref.9 והדמיות, המיקום האופטימלי הוא היכן שחתיכת האנודה חופפת את חתיכת הקוטב הרחק מהמגנט. עם זאת, נמצא שאם הרזולוציה הוגדרה ל-1.3T, השידור של קרן האלקטרונים לא יכול היה להגיע ל-99%. על ידי הגדלת ה-remanence ל-1.4 T, השדה המגנטי המתמקד יוצג ב-650 מסלולים של הקרן וה-Gos. 15. ניתן לראות שלקרן יש שידור טוב, תנודות קטנות ומרחק שידור גדול מ-45 מ"מ.
מסלולים של קורות עיפרון כפולות תחת מערכת מגנטית הומוגנית עם מטוס Br = 1.4 T.(a) xoz.(b) מטוס yoz.
איור 16 מציג את החתך של האלומה במיקומים שונים הרחק מהקתודה. ניתן לראות שצורת קטע האלומה במערכת המיקוד נשמרת היטב, וקוטר החתך אינו משתנה בהרבה. איור 17 מציג את מעטפות האלומה בכיווני x ו-y, בהתאמה. ניתן לראות שהתנודות הקטנות מאוד של קרן אלומה הן בכיוון ה-8 של הקרן. זרם. התוצאות מראות שהזרם הוא בערך 2 × 80 mA, מה שעולה בקנה אחד עם הערך המחושב בתכנון רובה האלקטרונים.
חתך קרן אלקטרונים (עם מערכת מיקוד) במיקומים שונים הרחק מהקתודה.
בהתחשב בשורה של בעיות כגון שגיאות הרכבה, תנודות מתח ושינויים בחוזק השדה המגנטי ביישומי עיבוד מעשיים, יש צורך לנתח את הרגישות של מערכת המיקוד. מכיוון שיש פער בין חלק האנודה לחלק הקוטב בעיבוד בפועל, יש להגדיר את הפער הזה בסימולציה. ערך הפער נקבע ל-02mm beam וכיוון beam enevel beam 02mm ו-02mm כיוון אלומה ו-19 מ"מ. .תוצאה זו מראה שהשינוי במעטפת האלומה אינו משמעותי וזרם האלומה כמעט ולא משתנה.לכן, המערכת אינה רגישה לשגיאות הרכבה.עבור תנודת מתח ההנעה, טווח השגיאה מוגדר ל-±0.5 קילוואט.איור 19ב מציג את תוצאות ההשוואה.ניתן לראות שהשינוי במתח-0+2 משפיע מעט על טווח המתח ל-0. 03 T לשינויים בחוזק השדה המגנטי. תוצאות ההשוואה מוצגות באיור 20. ניתן לראות כי מעטפת האלומה כמעט ולא משתנה, מה שאומר שה-EOS כולו אינו רגיש לשינויים בעוצמת השדה המגנטי.
תוצאות מעטפת אלומה וזרם תחת מערכת מיקוד מגנטית אחידה.(א) סובלנות הרכבה היא 0.2 מ"מ.(ב) תנודת מתח ההנעה היא ±0.5 קילו וולט.
מעטפת קרן מתחת למערכת מיקוד מגנטית אחידה עם תנודות חוזק שדה מגנטי צירי הנעות בין 0.63 ל-0.68 T.
על מנת להבטיח שמערכת המיקוד שתוכננה במאמר זה יכולה להתאים ל-HFS, יש צורך לשלב את מערכת המיקוד וה-HFS לצורך מחקר. איור 21 מציג השוואה של מעטפות אלומה עם וללא HFS טעון. התוצאות מראות כי מעטפת האלומה אינה משתנה בהרבה כאשר כל ה-HFS טעון. לכן, מערכת המיקוד של צינור ה-HFS מתאימה לעיל.
כדי לאמת את נכונות ה-EOS המוצע בסעיף III ולחקור את הביצועים של ה-220GHz SDV-TWT, מתבצעת הדמיית 3D-PIC של אינטראקציה בין קרן-גל. עקב מגבלות תוכנת סימולציה, לא הצלחנו להוסיף את כל ה-EOS ל-HFS.לכן, רובה האלקטרונים הוחלף עם משטח שווה ערך של 3 משטח של 3 מ"מ בקוטר של 3 מ"מ. מ"מ, אותם פרמטרים כמו רובה האלקטרונים שתוכנן לעיל. בשל חוסר הרגישות והיציבות הטובה של EOS, ניתן לבצע אופטימיזציה נכונה של מתח ההנעה להשגת הספק המוצא הטוב ביותר בהדמיית ה-PIC. תוצאות הסימולציה מראות שניתן להשיג את הספק המוצא וההגבר הרווי במתח הנעה של 20.6 קילו-וולט, זרם קרן של 2 × 26030 מ"מ וספק קלט של 2 × 26030 A ס"מ.
על מנת להשיג את אות המוצא הטוב ביותר, יש לבצע אופטימיזציה של מספר המחזורים. הספק המוצא הטוב ביותר מתקבל כאשר מספר שני השלבים הוא 42 + 48 מחזורים, כפי שמוצג באיור 22a.אות כניסה של 0.05 W מוגבר ל-314 W עם הגבר של 38 dB. ספקטרום הספק המוצא הוא מהירות הספק המתקבלת ב-Fast Fouregur (F4FT20ier). 2b מציג את התפלגות המיקום הצירית של אנרגיית האלקטרונים ב-SWS, כאשר רוב האלקטרונים מאבדים אנרגיה. תוצאה זו מצביעה על כך שה-SDV-SWS יכול להמיר את האנרגיה הקינטית של אלקטרונים לאותות RF, ובכך לממש את הגברת האות.
אות מוצא SDV-SWS ב-220 GHz.(א) הספק פלט עם ספקטרום כלול.(ב) חלוקת אנרגיה של אלקטרונים עם אלומת האלקטרונים בקצה ה-SWS.
איור 23 מציג את רוחב הפס וההגבר של הספק המוצא של SDV-TWT עם קרן כפולה. ניתן לשפר עוד יותר את ביצועי הפלט על ידי סחפת תדרים מ-200 עד 275 גיגה-הרץ ואופטימיזציה של מתח הכונן. תוצאה זו מראה שרוחב הפס של 3-dB יכול לכסות 205 עד 275 גיגה-הרץ.
עם זאת, לפי איור 2a, אנו יודעים שיש פס עצירה בין המצבים האי-זוגיים והזוגיים, מה שעלול להוביל לתנודות לא רצויות. לכן, יש לחקור את יציבות העבודה סביב העצירות. איורים 24a-c הם תוצאות הסימולציה של 20 ns ב-265.3 GHz, 265.35 GHz, אם כי תוצאות מסוימות יכולות להיות סימולציה של 4GHen ו-f. תנודות, הספק המוצא יציב יחסית. הספקטרום מוצג גם באיור 24 בהתאמה, הספקטרום טהור. תוצאות אלו מצביעות על כך שאין תנודה עצמית ליד פס העצירה.
ייצור ומדידה נחוצים כדי לוודא את נכונות ה-HFS כולו. בחלק זה, ה-HFS מיוצר באמצעות טכנולוגיית בקרה נומרית ממוחשבת (CNC) בקוטר כלי של 0.1 מ"מ ודיוק עיבוד של 10 מיקרומטר. החומר למבנה בתדר גבוה מסופק ע"י מוליכות גבוהה ללא חמצן, יש מבנה באורך שלם של קופר (OFHC6a). .00 מ"מ, רוחב של 20.00 מ"מ וגובה של 8.66 מ"מ. שמונה חורי פינים מפוזרים סביב המבנה. איור 25b מציג את המבנה על ידי מיקרוסקופיה אלקטרונית סריקה (SEM). הלהבים של מבנה זה מיוצרים באופן אחיד ויש להם חספוס פני השטח טוב. לאחר מדידה מדויקת, השגיאה הכוללת של עיבוד פני השטח היא פחות מ-5% בעיבוד השטח, הוא פחות מ-5%. המבנה עומד בדרישות התכנון והדיוק.
איור 26 מציג את ההשוואה בין תוצאות בדיקה בפועל והדמיות של ביצועי שידור. יציאה 1 ויציאה 2 באיור 26a תואמות ליציאות הקלט והפלט של ה-HFS, בהתאמה, ושוות ערך ליציאה 1 ויציאה 4 באיור 3. תוצאות המדידה בפועל של S11 טובות מעט יותר מתוצאות הסימולציה. יחד עם זאת, התוצאות הנמדדות עשויות להיות גרועות בחומר ה-S21. הוא גבוה מדי וחספוס פני השטח לאחר העיבוד בפועל גרוע. בסך הכל, התוצאות הנמדדות תואמות היטב את תוצאות הסימולציה, ורוחב הפס השידור עומד בדרישה של 70 גיגה-הרץ, המאמת את היתכנות ונכונות ה-SDV-TWT הדו-מודד המוצע. לפיכך, בשילוב עם תהליך הייצור בפועל ותוצאות בדיקה זו ניתן להשתמש בתת-beam נייר ב-SDV-broad-T. יישומים ויישומים.
במאמר זה, מוצג תכנון מפורט של חלוקה מישורית של 220 GHz Dual-beam SDV-TWT. השילוב של פעולה עם מצב כפול ועירור כפול קרן מגדיל עוד יותר את רוחב הפס ההפעלה והספק המוצא. בדיקת הייצור והקור מבוצעות גם כדי לוודא את נכונות ה-HFS כולו.תוצאות המדידה בפועל עולות בקנה אחד עם תוצאות הסימולציה. עבור ה-EOS הדו-קרני המתוכנן, נעשה שימוש במקטע מסכה ואלקטרודות בקרה יחד לייצור קרן דו-עיפרון. תחת השדה המגנטי המיקוד האחיד המעוצב, ניתן להעביר את אלומת האלקטרונים בצורה יציבה למרחקים ארוכים ובצורה טובה. מאמר זה משלב באופן מלא את טכנולוגיית עיבוד המטוסים הבוגרים הנוכחית, ומראה פוטנציאל גדול במחווני ביצועים ובעיבוד והרכבה. לכן, מאמר זה מאמין שהמבנה המישורי צפוי להפוך למגמת הפיתוח של מכשירי ואקום אלקטרוניים ברצועת הטרה-הרץ.
רוב הנתונים הגולמיים והמודלים האנליטיים במחקר זה נכללו במאמר זה. מידע רלוונטי נוסף ניתן לקבל מהמחבר המקביל לפי בקשה סבירה.
Gamzina, D. et al. עיבוד CNC ננומטרי של אלקטרוניקה ואקום תת-טרה-הרץ. IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. and Paoloni, C. UV-LIGA microfabrication of sub-terahertz waveguides באמצעות multilayer SU-8 photoresist.J.Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 THz technology map.J.Physics.D to application.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC חסימה חזקה של התפשטות גל פלסמוני באמצעות waveguides עם רשתות כפולות בפס רחב במיוחד.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.30410846.
Baig, A. וחב'. ביצועים של מגבר צינורות גלים נוסע בעיבוד ננו CNC 220-GHz. IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ חוקרים את חוסר היציבות של דיוקוטרון של קרני אלקטרונים רחבות אינסופיות באמצעות תיאוריית מודל נוזל קר מאקרוסקופי.Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/1204101 ().
Galdetskiy, AV על ההזדמנות להגדיל את רוחב הפס על ידי הפריסה המישורית של האלומה בקליסטרון רב-קרן. בכנס הבינלאומי ה-12 של IEEE על ואקום אלקטרוניקה, בנגלור, הודו, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.201101.57.
Nguyen, CJ וחב'. תכנון של רובי אלקטרונים תלת-אלומות עם חלוקת מישור פיצול אלומה צרה ב-W-band מנודד צינור גל נודד כפול-להב[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 מערכת אופטית מפוזרת של שלוש אלומות אלקטרוניות עם הפרדת אלומה צרה עבור התקני TWT.IEEE Trans.electronic.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. מחקר על צינור גלים עם להב כפול משולב עם קורות גיליון גלי מילימטר 20-22 (PhD, Beihang University, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. מחקר על יציבות אינטראקציה בין קרן-גל של צינור גל נודד כפול להבים משולב ברצועת G.2018 ועידה בינלאומית 43 על אינפרא אדום מילימטר וגלי Terahertz, Nagoya.8510210, https://doi.10210, https://doi.101WTH.z. 0263 (2018).