תודה שביקרתם באתר Nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים כוללת תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש 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 ואומת צינור גל נע כפול-להב משולב בעל הספק גבוה בפס רחב של 220GHz. ראשית, מוצע מבנה גל איטי כפול-להב משולב בעל קרן כפולה מדורגת. באמצעות סכמת פעולה דו-מצבית, ביצועי השידור ורוחב הפס כמעט כפולים מאלה של מצב יחיד. שנית, על מנת לעמוד בדרישות של הספק פלט גבוה ולשפר את יציבות צינור הגל הנוד, מתוכננת מערכת אופטית אלקטרונית בצורת עיפרון כפולה, מתח ההנעה הוא 20~21 קילו-וולט, והזרם הוא 2 × 80 מיליאמפר. מטרות התכנון. באמצעות חלק המסכה ואלקטרודת הבקרה בתותח הקרן הכפולה, ניתן למקד את שתי קרני העיפרון לאורך המרכזים שלהן ביחס דחיסה של 7, מרחק המיקוד הוא כ-0.18 מ"מ, והיציבות טובה. מערכת המיקוד המגנטית האחידה גם עברה אופטימיזציה. מרחק השידור היציב של קרן האלקטרונים הכפולה המישורית יכול להגיע ל-45 מ"מ, ושדה המיקוד המגנטי הוא 0.6 T, המספיק כדי לכסות את כל מערכת התדר הגבוה (HFS). לאחר מכן, ל... כדי לאמת את השימושיות של המערכת האלקטרונית-אופטית ואת ביצועי מבנה הגל האיטי, בוצעו גם סימולציות של תאי חלקיקים (PIC) על כל מערכת ה-HFS. התוצאות מראות שמערכת האינטראקציה בין קרן יכולה להשיג הספק יציאה שיא של כמעט 310 וואט בתדר 220 גיגה-הרץ, מתח הקרן הממוטב הוא 20.6 קילו-וולט, זרם הקרן הוא 2 × 80 מיליאמפר, ההגבר הוא 38 דציבלים, ורוחב הפס של 3 דציבלים עולה על 35 דציבלים בכ-70 גיגה-הרץ. לבסוף, מתבצע ייצור מיקרו-מבנה בדיוק גבוה כדי לאמת את ביצועי מערכת ה-HFS, והתוצאות מראות שמאפייני רוחב הפס והעברה תואמים היטב את תוצאות הסימולציה. לכן, התוכנית המוצעת במאמר זה צפויה לפתח מקורות קרינה בעלי הספק גבוה ופס רחב במיוחד בטרה-הרץ עם פוטנציאל ליישומים עתידיים.
כמכשיר אלקטרוני ואקום מסורתי, צינור גל נודד (TWT) ממלא תפקיד שאין לו תחליף ביישומים רבים כגון מכ"ם ברזולוציה גבוהה, מערכות תקשורת לווייניות וחקר החלל1,2,3. עם זאת, ככל שתדר הפעולה נכנס לפס הטרה-הרץ, צינור גל נודד מסורתי בעל חלל מצומד ו-TWT הסלילי לא הצליחו לענות על צרכי האנשים עקב הספק פלט נמוך יחסית, רוחב פס צר ותהליכי ייצור קשים. לכן, כיצד לשפר באופן מקיף את ביצועי פס ה-THz הפך לסוגיה מדאיגה מאוד עבור מוסדות מחקר מדעיים רבים. בשנים האחרונות, מבנים חדשים של גל איטי (SWS), כגון מבנים בעלי להבים כפולים מדורגים (SDV) ומבני מוליך גל מקופל (FW), זכו לתשומת לב רבה בשל המבנים המישוריים הטבעיים שלהם, במיוחד SDV-SWS החדשניים בעלי פוטנציאל מבטיח. מבנה זה הוצע על ידי UC-Davis בשנת 20084. ניתן לייצר בקלות את המבנה המישורי באמצעות טכניקות עיבוד מיקרו-ננו כגון בקרה מספרית ממוחשבת (CNC) ו-UV-LIGA, מבנה החבילה כולו מתכתי יכול לספק קיבולת תרמית גדולה יותר עם תפוקה גבוהה יותר. הספק והגבר, והמבנה דמוי מוליך הגל יכול גם לספק רוחב פס עבודה רחב יותר. נכון לעכשיו, אוניברסיטת קליפורניה דייוויס הדגים לראשונה בשנת 2017 ש-SDV-TWT יכול לייצר תפוקות בהספק גבוה העולות על 100 וואט ואותות רוחב פס של כמעט 14 גיגה-הרץ בתחום ה-G5. עם זאת, תוצאות אלו עדיין מכילות פערים שאינם יכולים לעמוד בדרישות הקשורות של הספק גבוה ורוחב פס רחב בתחום הטרה-הרץ. עבור SDV-TWT בתחום ה-G של UC-Davis, נעשה שימוש באלומות אלקטרונים יריעות. למרות שתכנית זו יכולה לשפר משמעותית את כושר נשיאת הזרם של האלומה, קשה לשמור על מרחק שידור ארוך עקב חוסר היציבות של מערכת האלקטרונים האופטית (EOS) של אלומה יריעתית, וישנה מנהרת אלומה במצב יתר, אשר עלולה גם לגרום לאלומה לווסת את עצמה. – עירור ותנודה 6,7. על מנת לעמוד בדרישות של הספק יציאה גבוה, רוחב פס רחב ויציבות טובה של TWT THz, מוצע במאמר זה SDV-SWS בעל קרן כפולה עם פעולה דו-מצבית. כלומר, על מנת להגדיל את רוחב הפס הפעולה, מוצעת ומוצגת במבנה זה פעולה דו-מצבית. וכדי להגדיל את הספק המוצא, נעשה שימוש גם בהתפלגות מישורית של אלומות עיפרון כפולות. רדיו של קרן עיפרון יחידה קטן יחסית עקב אילוצי גודל אנכיים. אם צפיפות הזרם גבוהה מדי, יש להפחית את זרם הקרן, וכתוצאה מכך הספק יציאה נמוך יחסית. כדי לשפר את זרם הקרן, צץ EOS רב-אלומה מבוזרת מישורית, המנצלת את הגודל הצידי של ה-SWS. בשל מנהור הקרן העצמאי, רב-אלומה מבוזרת מישורית יכולה להשיג הספק יציאה גבוה על ידי שמירה על זרם קרן כולל גבוה וזרם קטן לכל קרן, מה שיכול למנוע מנהור קרן יתר בהשוואה להתקני קרן יריעה. לכן, מועיל לשמור על יציבות צינור הגל הנוסע. על סמך עבודות קודמות 8,9, מאמר זה מציע פס G. קרן EOS כפולה המתמקדת בשדה מגנטי אחיד, שיכולה לשפר מאוד את מרחק השידור היציב של הקרן ולהגדיל עוד יותר את אזור האינטראקציה בין הקרן, ובכך לשפר מאוד את עוצמת המוצא.
מבנה מאמר זה הוא כדלקמן. ראשית, מתואר תכנון תא SWS עם פרמטרים, ניתוח מאפייני פיזור ותוצאות סימולציית תדר גבוה. לאחר מכן, בהתאם למבנה תא היחידה, מתוכננים במאמר זה EOS קרן עיפרון כפולה ומערכת אינטראקציה של קרן. מוצגות גם תוצאות סימולציית חלקיקים תוך-תאיים כדי לאמת את השימושיות של EOS ואת ביצועי SDV-TWT. בנוסף, המאמר מציג בקצרה את תוצאות הייצור והבדיקה הקרה כדי לאמת את נכונות ה-HFS כולו. לבסוף, ערכו סיכום.
כאחד המרכיבים החשובים ביותר של ה-TWT, תכונות הפיזור של מבנה הגל האיטי מצביעות על כך האם מהירות האלקטרונים תואמת את מהירות הפאזה של ה-SWS, ולכן יש להן השפעה רבה על האינטראקציה בין קרן לגל. כדי לשפר את ביצועי ה-TWT כולו, תוכנן מבנה אינטראקציה משופר. מבנה תא היחידה מוצג באיור 1. בהתחשב בחוסר היציבות של קרן היריעות ובמגבלת ההספק של קרן עט יחידה, המבנה מאמץ קרן עט כפולה כדי לשפר עוד יותר את הספק המוצא ואת יציבות הפעולה. בינתיים, על מנת להגדיל את רוחב הפס העבודה, הוצע מצב כפול לפעולת SWS. בשל הסימטריה של מבנה SDV, ניתן לחלק את פתרון משוואת פיזור השדה האלקטרומגנטי למצבים אי-זוגיים וזוגיים. במקביל, משתמשים במצב האי-זוגי הבסיסי של פס התדרים הנמוכים ומצב הזוגי הבסיסי של פס התדרים הגבוהים כדי לממש את הסנכרון בפס רחב של האינטראקציה בין הקרן, ובכך לשפר עוד יותר את רוחב הפס העבודה.
בהתאם לדרישות ההספק, הצינור כולו מתוכנן עם מתח הנעה של 20 קילו-וולט וזרם קרן כפול של 2 × 80 מיליאמפר. על מנת להתאים את המתח ככל האפשר לרוחב הפס הפעיל של ה-SDV-SWS, עלינו לחשב את אורך המחזור p. הקשר בין מתח הקרן למחזור מוצג במשוואה (1)10:
על ידי הגדרת הזזת הפאזה ל-2.5π בתדר המרכזי של 220 GHz, ניתן לחשב את תקופת המחזור p כ-0.46 מ"מ. איור 2a מציג את תכונות הפיזור של תא היחידה SWS. קו הקרן של 20 kV תואם היטב את עקומת הבימודל. פסי תדרים תואמים יכולים להגיע לכ-70 GHz בטווחי 210-265.3 GHz (מצב אי-זוגי) ו-265.4-280 GHz (מצב זוגי). איור 2b מציג את עכבת הצימוד הממוצעת, הגדולה מ-0.6 Ω מ-210 עד 290 GHz, דבר המצביע על כך שאינטראקציות חזקות עשויות להתרחש ברוחב הפס הפעיל.
(א) מאפייני פיזור של SDV-SWS דו-מצבי עם קו אלומת אלקטרונים של 20 קילו-וולט. (ב) עכבת אינטראקציה של מעגל הגל האיטי של SDV.
עם זאת, חשוב לציין כי קיים פער פס בין המצבים האי-זוגיים והזוגיים, ואנו בדרך כלל מתייחסים לפער פס זה כפס העצירה, כפי שמוצג באיור 2א. אם ה-TWT מופעל ליד פס תדרים זה, עלולה להתרחש עוצמת צימוד חזקה של הקרן, מה שיוביל לתנודות לא רצויות. ביישומים מעשיים, אנו בדרך כלל נמנעים משימוש ב-TWT ליד פס העצירה. עם זאת, ניתן לראות שפער הפס של מבנה גל איטי זה הוא רק 0.1 גיגה-הרץ. קשה לקבוע האם פער הפס הקטן הזה גורם לתנודות. לכן, יציבות הפעולה סביב פס העצירה תיחקר בסעיף סימולציית PIC הבא כדי לנתח האם תנודות לא רצויות עשויות להתרחש.
המודל של ה-HFS כולו מוצג באיור 3. הוא מורכב משני שלבים של SDV-SWS, המחוברים באמצעות מחזירי בראג. תפקידו של המחזיר הוא לנתק את העברת האות בין שני השלבים, לדכא את התנודה וההשתקפות של מצבים שאינם פועלים כגון מצבים מסדר גבוה הנוצרים בין הלהבים העליונים והתחתונים, ובכך לשפר מאוד את יציבות הצינור כולו. לחיבור לסביבה החיצונית, משתמשים גם במצמד ליניארי מחודד לחיבור ה-SWS למוליך גל סטנדרטי WR-4. מקדם ההעברה של המבנה הדו-מפלסי נמדד על ידי פותר תחום זמן בתוכנת הסימולציה התלת-ממדית. בהתחשב בהשפעה בפועל של פס הטרה-הרץ על החומר, חומר מעטפת הוואקום מוגדר בתחילה לנחושת, והמוליכות מצטמצמת ל-2.25×107 S/m12.
איור 4 מציג את תוצאות השידור עבור HFS עם ובלי מצמדים ליניאריים מחודדים. התוצאות מראות כי למצמד יש השפעה מועטה על ביצועי השידור של ה-HFS כולו. אובדן ההחזרה (S11 < −10 dB) ואובדן ההכנסה (S21 > −5 dB) של המערכת כולה בפס רחב 207~280 GHz מראים כי ל-HFS יש מאפייני שידור טובים.
כספק הכוח של התקני אלקטרוניקה בוואקום, תותח האלקטרונים קובע ישירות האם המכשיר יכול לייצר מספיק הספק פלט. בשילוב עם ניתוח HFS בסעיף II, יש לתכנן EOS בעל קרן כפולה כדי לספק הספק מספיק. בחלק זה, בהתבסס על עבודה קודמת ב-W-band8,9, מתוכנן תותח אלקטרונים עיפרון כפול באמצעות חלק מסכה מישורית ואלקטרודות בקרה. ראשית, בהתאם לדרישות התכנון של SWS בסעיף. כפי שמוצג באיור. 2, מתח ההנעה Ua של אלומות האלקטרונים מוגדר בתחילה ל-20 קילו-וולט, הזרמים I של שתי אלומות האלקטרונים הם שניהם 80 מיליאמפר, וקוטר האלומה dw של אלומות האלקטרונים הוא 0.13 מ"מ. במקביל, על מנת להבטיח שניתן יהיה להשיג את צפיפות הזרם של אלומת האלקטרונים והקתודה, יחס הדחיסה של אלומת האלקטרונים מוגדר ל-7, כך שצפיפות הזרם של אלומת האלקטרונים היא 603 A/cm2, וצפיפות הזרם של הקתודה היא 86 A/cm2, יחס שניתן להשיג באמצעות חומרי קתודה חדשים. על פי תיאוריית התכנון 14, 15, 16, 17, ניתן לזהות באופן ייחודי תותח אלקטרונים פירס טיפוסי.
איור 5 מציג את הדיאגרמות הסכמטיות האופקיות והאנכיות של התותח, בהתאמה. ניתן לראות כי הפרופיל של תותח האלקטרונים בכיוון ה-x כמעט זהה לזה של תותח אלקטרונים טיפוסי דמוי יריעה, בעוד שבכיוון ה-y שתי אלומות האלקטרונים מופרדות חלקית על ידי המסכה. מיקומי שתי הקתודות הם x = – 0.155 מ"מ, y = 0 מ"מ ו-x = 0.155 מ"מ, y = 0 מ"מ, בהתאמה. בהתאם לדרישות התכנון של יחס דחיסה וגודל הזרקת אלקטרונים, מידות שני משטחי הקתודה נקבעו כ-0.91 מ"מ × 0.13 מ"מ.
על מנת להפוך את השדה החשמלי הממוקד הנקלט על ידי כל אלומת אלקטרונים בכיוון ה-x לסימטרי סביב מרכזה, מאמר זה מיישם אלקטרודת בקרה על תותח 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 תותח האלומה הכפולה, כפי שמוצג באיור 6. ניתן לראות כי לאלקטרונים הנפלטים יש דחיסות טובה בכיוון ה-y, וכל אלומת אלקטרונים מתכנסת לכיוון ה-x לאורך מרכז הסימטריה שלה, דבר המצביע על כך שאלקטרודת הבקרה מאזנת את השדה החשמלי הלא שוויוני שנוצר על ידי אלקטרודת המיקוד.
איור 7 מציג את מעטפת הקרן בכיווני x ו-y. התוצאות מראות שמרחק ההקרנה של קרן האלקטרונים בכיוון x שונה מזה שבכיוון y. מרחק ההקרנה בכיוון x הוא כ-4 מ"מ, ומרחק ההקרנה בכיוון y קרוב ל-7 מ"מ. לכן, יש לבחור את מרחק ההקרנה בפועל בין 4 ל-7 מ"מ. איור 8 מציג את חתך הרוחב של קרן האלקטרונים במרחק של 4.6 מ"מ מפני השטח של הקתודה. ניתן לראות שצורת החתך הקרובה ביותר לקרן אלקטרונים מעגלית סטנדרטית. המרחק בין שתי קרן האלקטרונים קרוב ל-0.31 מ"מ המתוכנן, והרדיוס הוא כ-0.13 מ"מ, דבר העומד בדרישות התכנון. איור 9 מציג את תוצאות הסימולציה של זרם הקרן. ניתן לראות ששני זרמי הקרן הם 76mA, דבר התואם היטב את 80mA המתוכנן.
בהתחשב בתנודות במתח ההנעה ביישומים מעשיים, יש צורך לחקור את רגישות המתח של מודל זה. בטווח המתחים של 19.8 ~ 20.6 קילו-וולט, מתקבלות מעטפות הזרם וזרם האלומה, כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 1.10 ו-11. מהתוצאות ניתן לראות כי לשינוי במתח ההנעה אין השפעה על מעטפת אלומת האלקטרונים, וזרם אלומת האלקטרונים משתנה רק מ-0.74 ל-0.78 אמפר. לכן, ניתן להסיק כי לתותח האלקטרונים שתוכנן במאמר זה יש רגישות טובה למתח.
השפעת תנודות מתח ההנעה על מעטפות הקרן בכיווני x ו-y.
שדה מיקוד מגנטי אחיד הוא מערכת מיקוד נפוצה של מגנט קבוע. בשל פיזור השדה המגנטי האחיד לאורך כל ערוץ הקרן, הוא מתאים מאוד לקרני אלקטרונים ציריות. בסעיף זה מוצעת מערכת מיקוד מגנטי אחידה לשמירה על העברה למרחקים ארוכים של קרני עיפרון כפולות. על ידי ניתוח השדה המגנטי ועוטף הקרן שנוצרו, מוצעת סכמת התכנון של מערכת המיקוד, ונחקרת בעיית הרגישות. על פי תורת ההעברה היציבה של קרן עיפרון יחידה18,19, ניתן לחשב את ערך השדה המגנטי ברילואן לפי משוואה (2). במאמר זה, אנו משתמשים גם בשקילות זו כדי להעריך את השדה המגנטי של קרן עיפרון כפולה מבוזרת לרוחב. בשילוב עם תותח האלקטרונים שתוכנן במאמר זה, ערך השדה המגנטי המחושב הוא כ-4000 Gs. על פי מקור 20, בדרך כלל נבחר פי 1.5-2 מהערך המחושב בתכנון מעשי.
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. הרמננס Br שנקבע במודל הסימולציה הוא 1.3 T והחדירות היא 1.05. על מנת להבטיח העברה יציבה של הקרן בכל המעגל, אורך המגנט נקבע בתחילה ל-70 מ"מ. בנוסף, גודל המגנט בכיוון x קובע האם השדה המגנטי הרוחבי בערוץ הקרן אחיד, מה שמחייב שהגודל בכיוון x לא יהיה קטן מדי. יחד עם זאת, בהתחשב בעלות ובמשקל של הצינור כולו, גודל המגנט לא צריך להיות גדול מדי. לכן, המגנטים נקבעים בתחילה ל-150 מ"מ × 150 מ"מ × 70 מ"מ. בינתיים, כדי להבטיח שניתן למקם את כל מעגל הגל האיטי במערכת המיקוד, המרחק בין המגנטים נקבע ל-20 מ"מ.
בשנת 2015, Purna Chandra Panda21 הציע מוט עם חור מדורג חדש במערכת מיקוד מגנטית אחידה, שיכול להפחית עוד יותר את גודל דליפת השטף לקתודה ואת השדה המגנטי הרוחבי שנוצר בחור מוט. במאמר זה, אנו מוסיפים מבנה מדורג לקוטב של מערכת המיקוד. עובי מוט נקבע בתחילה ל-1.5 מ"מ, גובה ורוחב שלושת המדרגות הם 0.5 מ"מ, והמרחק בין חורי מוט הוא 2 מ"מ, כפי שמוצג באיור 13.
איור 14א' מציג את התפלגות השדה המגנטי הצירית לאורך קווי המרכז של שתי אלומות האלקטרונים. ניתן לראות כי כוחות השדה המגנטי לאורך שתי אלומות האלקטרונים שווים. ערך השדה המגנטי הוא כ-6000 ג'יגה-שנייה, שהוא פי 1.5 משדה הברילואן התאורטי כדי להגביר את ביצועי ההעברה והמיקוד. במקביל, השדה המגנטי בקתודה הוא כמעט 0, דבר המצביע על כך שלחלק הקוטב יש השפעה טובה על מניעת דליפת שטף מגנטי. איור 14ב' מציג את התפלגות השדה המגנטי הרוחבי By בכיוון z בקצה העליון של שתי אלומות האלקטרונים. ניתן לראות כי השדה המגנטי הרוחבי קטן מ-200 ג'יגה-שנייה רק ​​בחור של חלק הקוטב, בעוד שבמעגל גל איטי, השדה המגנטי הרוחבי כמעט אפס, מה שמוכיח כי השפעת השדה המגנטי הרוחבי על אלומת האלקטרונים זניחה. ​​כדי למנוע רוויה מגנטית של חלקי הקוטב, יש צורך לחקור את עוצמת השדה המגנטי בתוך חלקי הקוטב. איור 14ג' מציג את הערך המוחלט של התפלגות השדה המגנטי בתוך חלק הקוטב. ניתן לראות כי הערך המוחלט של עוצמת השדה המגנטי הוא פחות מ-1.2T, דבר המצביע על כך שהרוויה המגנטית של מוט הציר לא תתרחש.
התפלגות עוצמת השדה המגנטי עבור Br = 1.3 T. (א) התפלגות שדה צירית. (ב) התפלגות שדה רוחבית By בכיוון z. (ג) ערך מוחלט של התפלגות השדה בתוך מוט החיבור.
בהתבסס על מודול CST PS, המיקום היחסי הצירי של תותח הקרן הכפולה ומערכת המיקוד עבר אופטימיזציה. על פי מקור 9 וסימולציות, המיקום האופטימלי הוא המקום שבו חלק האנודה חופף את חלק הקוטב הרחק מהמגנט. עם זאת, נמצא שאם הרמננס הוגדר ל-1.3T, העברת האלקטרונים לא תוכל להגיע ל-99%. על ידי הגדלת הרמננס ל-1.4 T, שדה המיקוד המגנטי יוגדל ל-6500 Gs. מסלולי הקרן במישורי xoz ו-yoz מוצגים באיור 15. ניתן לראות כי לקרן העברה טובה, תנודות קטנות ומרחק העברה גדול מ-45 מ"מ.
מסלולים של אלומות עיפרון כפולות תחת מערכת מגנטית הומוגנית עם Br = 1.4 T. (א) מישור xoz. (ב) כלי טיס yoz.
איור 16 מציג את חתך הרוחב של הקרן במיקומים שונים הרחק מהקתודה. ניתן לראות שצורת חתך הקרן במערכת המיקוד נשמרת היטב, וקוטר החתך אינו משתנה הרבה. איור 17 מציג את מעטפות הקרן בכיווני x ו-y, בהתאמה. ניתן לראות שהתנודה של הקרן בשני הכיוונים קטנה מאוד. איור 18 מציג את תוצאות הסימולציה של זרם הקרן. התוצאות מראות שהזרם הוא כ-2 × 80 מיליאמפר, דבר התואם את הערך המחושב בתכנון תותח האלקטרונים.
חתך רוחב של אלומת אלקטרונים (עם מערכת מיקוד) במיקומים שונים הרחק מהקתודה.
בהתחשב בסדרה של בעיות כגון שגיאות הרכבה, תנודות מתח ושינויים בעוצמת 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 פער זה בסימולציה. ערך הפער נקבע ל-0.2 מ"מ ואיור 19א' מציג את מעטפת הקרן וזרם הקרן בכיוון ה-y. תוצאה זו מראה שהשינוי במעטפת הקרן אינו משמעותי וזרם הקרן כמעט ולא משתנה. לכן, המערכת אינה רגישה לשגיאות הרכבה. עבור תנודות מתח ההנעה, טווח השגיאה נקבע ל-±0.5 קילו-וולט. איור 19ב' מציג את תוצאות ההשוואה. ניתן לראות כי לשינוי המתח יש השפעה מועטה על מעטפת הקרן. טווח השגיאה נקבע מ-0.02- עד 0.03+ T עבור שינויים בעוצמת השדה המגנטי. תוצאות ההשוואה מוצגות באיור 20. ניתן לראות כי מעטפת הקרן כמעט ולא משתנה, מה שאומר שכל מערכת ה-EOS אינה רגישה לשינויים בעוצמת השדה המגנטי.
תוצאות עוטף הקרן והזרם תחת מערכת מיקוד מגנטית אחידה. (א) סבילות ההרכבה היא 0.2 מ"מ. (ב) תנודת מתח ההנעה היא ±0.5 קילו-וולט.
מעטפת קרן תחת מערכת מיקוד מגנטית אחידה עם תנודות עוצמת שדה מגנטי צירי הנעות בין 0.63 ל-0.68 T.
על מנת להבטיח שמערכת המיקוד שתוכננה במאמר זה תוכל להתאים ל-HFS, יש צורך לשלב את מערכת המיקוד ואת HFS לצורך המחקר. איור 21 מציג השוואה בין מעטפת הקרן עם ובלי HFS טעון. התוצאות מראות שעוטפת הקרן אינה משתנה הרבה כאשר כל ה-HFS טעון. לכן, מערכת המיקוד מתאימה ל-HFS של צינור הגל הנודד של התכנון הנ"ל.
כדי לאמת את נכונות ה-EOS המוצע בסעיף III ולחקור את ביצועי ה-SDV-TWT בתדר 220 גיגה-הרץ, בוצעה סימולציית תלת-ממד PIC של אינטראקציית קרן-גל. עקב מגבלות תוכנת הסימולציה, לא הצלחנו להוסיף את כל ה-EOS ל-HFS. לכן, תותח האלקטרונים הוחלף במשטח פולט שווה ערך בקוטר של 0.13 מ"מ ומרחק בין שני המשטחים של 0.31 מ"מ, אותם פרמטרים כמו תותח האלקטרונים שתוכנן לעיל. עקב חוסר הרגישות והיציבות הטובה של EOS, ניתן למטב את מתח ההנעה כראוי כדי להשיג את הספק המוצא הטוב ביותר בסימולציית ה-PIC. תוצאות הסימולציה מראות שניתן להשיג את הספק המוצא הרווי וההגבר במתח הנעה של 20.6 קילו-וולט, זרם קרן של 2 × 80 מיליאמפר (603 אמפר/ס"מ רבוע) והספק קלט של 0.05 וואט.
על מנת לקבל את אות הפלט הטוב ביותר, יש צורך גם למטב את מספר המחזורים. הספק הפלט הטוב ביותר מתקבל כאשר מספר שני השלבים הוא 42 + 48 מחזורים, כפי שמוצג באיור 22א'. אות קלט של 0.05 וואט מוגבר ל-314 וואט עם הגבר של 38 dB. ספקטרום הספק הפלט המתקבל על ידי התמרת פורייה מהירה (FFT) הוא טהור, ומגיע לשיא של 220 GHz. איור 22ב' 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 הגברת אות.
אות פלט SDV-SWS בתדר 220 גיגה-הרץ. (א) הספק פלט עם ספקטרום כלול. (ב) התפלגות אנרגיה של אלקטרונים עם אלומת האלקטרונים בקצה ה-SWS המוטבע.
איור 23 מציג את רוחב הפס וההגבר של הספק המוצא של SDV-TWT בעל דו-מצב כפול בעל אלומה כפולה. ניתן לשפר עוד יותר את ביצועי המוצא על ידי סריקת תדרים מ-200 עד 275 גיגה-הרץ ואופטימיזציה של מתח ההינע. תוצאה זו מראה שרוחב הפס של 3dB יכול לכסות 205 עד 275 גיגה-הרץ, מה שאומר שפעולה במצב כפול יכולה להרחיב מאוד את רוחב הפס התפעולי.
עם זאת, לפי איור 2א', 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 24א'-ג' הם תוצאות הסימולציה של 20 ננו-שניות בתדרים 265.3 גיגה-הרץ, 265.35 גיגה-הרץ ו-265.4 גיגה-הרץ, בהתאמה. ניתן לראות שלמרות שלתוצאות הסימולציה יש תנודות מסוימות, 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 לאמת את נכונות ה-HFS כולו. בחלק זה, ה-HFS מיוצר באמצעות טכנולוגיית בקרה נומרית ממוחשבת (CNC) עם קוטר כלי של 0.1 מ"מ ודיוק עיבוד של 10 מיקרון. החומר למבנה בתדר גבוה מסופק מנחושת נטולת חמצן בעלת מוליכות גבוהה (OFHC). איור 25א' מציג את המבנה המיוצר. למבנה כולו אורך של 66.00 מ"מ, רוחב של 20.00 מ"מ וגובה של 8.66 מ"מ. שמונה חורי פינים מפוזרים סביב המבנה. איור 25ב' מציג את המבנה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). להבי מבנה זה מיוצרים באופן אחיד ובעלי חספוס פני שטח טוב. לאחר מדידה מדויקת, שגיאת העיבוד הכוללת היא פחות מ-5%, וחספוס פני השטח הוא כ-0.4 מיקרון. מבנה העיבוד עומד בדרישות התכנון והדיוק.
איור 26 מציג את ההשוואה בין תוצאות הבדיקה בפועל לבין סימולציות של ביצועי השידור. פורט 1 ופורט 2 באיור 26א תואמים לפורטי הקלט והפלט של ה-HFS, בהתאמה, ושווים לפורט 1 ולפורט 4 באיור 3. תוצאות המדידה בפועל של S11 טובות במקצת מתוצאות הסימולציה. יחד עם זאת, התוצאות הנמדדות של S21 גרועות במקצת. הסיבה לכך עשויה להיות שמוליכות החומר שנקבעה בסימולציה גבוהה מדי וחספוס פני השטח לאחר עיבוד בפועל גרוע. בסך הכל, התוצאות הנמדדות תואמות היטב את תוצאות הסימולציה, ורוחב הפס של השידור עומד בדרישה של 70 GHz, מה שמאמת את היתכנות ונכונות ה-SDV-TWT הדו-מצבי המוצע. לכן, בשילוב עם תהליך הייצור ותוצאות הבדיקה בפועל, ניתן להשתמש בתכנון SDV-TWT דו-קרן רחב-פס אולטרה-על המוצע במאמר זה לייצור ויישומים נוספים.
במאמר זה, מוצג תכנון מפורט של SDV-TWT בעל קרן כפולה בתדר 220 גיגה-הרץ בהתפלגות מישורית. השילוב של פעולה במצב כפול ועירור קרן כפולה מגדיל עוד יותר את רוחב הפס הפעולה ואת הספק המוצא. ייצור ובדיקה קרה מבוצעים גם הם כדי לאמת את נכונות ה-HFS כולו. תוצאות המדידה בפועל תואמות היטב את תוצאות הסימולציה. עבור ה-EOS בעל שתי הקרניים שתוכנן, נעשה שימוש יחד במקטע מסכה ואלקטרודות בקרה כדי לייצר קרן דו-עיפרון. תחת שדה מגנטי ממוקד אחיד שתוכנן, ניתן להעביר את קרן האלקטרונים ביציבות על פני מרחקים ארוכים בצורה טובה. בעתיד, יבוצעו ייצור ובדיקה של EOS, וגם בדיקה תרמית של ה-TWT כולו. תכנית תכנון SDV-TWT זו המוצעת במאמר זה משלבת במלואה את טכנולוגיית עיבוד המישור הבוגרת הנוכחית, ומראה פוטנציאל גדול במדדי ביצועים, עיבוד והרכבה. לכן, מאמר זה מאמין שהמבנה המישורי צפוי להפוך למגמת הפיתוח של התקני אלקטרוניקה ואקום בתחום טרה-הרץ.
רוב הנתונים הגולמיים והמודלים האנליטיים במחקר זה נכללו במאמר זה. מידע רלוונטי נוסף ניתן לקבל מהמחבר המתאים על פי בקשה סבירה.
גמזינה, ד. ואחרים. עיבוד שבבי CNC בקנה מידה ננומטרי של אלקטרוניקה בוואקום תת-טרהרץ. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
מאלקבדי, א. ופאולוני, ג. ייצור מיקרו-UV-LIGA של מוליכי גל תת-טרהרץ באמצעות פוטורזיסט רב-שכבתי SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS ואחרים. 2017 מפת דרכים לטכנולוגיית THz. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC בלימה חזקה של התפשטות גלים פלסמוניים באמצעות מוליכי גלים כפולים בעלי פס רחב מדורגים.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. ביצועי מגבר שפופרות גל נודד 220-GHz מעובד באמצעות ננו-CNC. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ חקירת חוסר יציבות דיוקוטרונית של קרני אלקטרונים בעלות יריעות רחבות אינסופיות באמצעות תיאוריית מודל נוזלים קרים מקרוסקופית. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
גלדטסקי, AV על ההזדמנות להגדיל את רוחב הפס על ידי הפריסה המישורי של הקרן בקליסטרון רב-קרן. בכנס הבינלאומי ה-12 של IEEE בנושא אלקטרוניקה בוואקום, בנגלור, הודו, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
נגוין, סי ג'יי ואחרים. תכנון של תותחי אלקטרונים בעלי שלושה קרניים עם פיזור מישור פיצול קרניים צר בצינור גל נע כפול-להבים מדורג בפס W [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 מערכת אופטית אלקטרונים מבוזרת בעלת שלוש אלומות פלנריות עם הפרדת אלומות צרה עבור TWT במצב בסיסי בפס W. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
ז'אן, מ. מחקר על צינור גל נע דו-להבי משולב עם קורות יריעות גל מילימטריות 20-22 (דוקטורט, אוניברסיטת בייהאנג, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. מחקר על יציבות האינטראקציה בין קרן לגלים של צינור גל נע כפול משולב בפס G. כנס בינלאומי 43 לגלי מילימטר וטרהרץ אינפרא אדום 2018, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).