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본 논문에서는 220GHz 광대역 고출력 인터리브 이중날개 진행파관을 설계 및 검증하였다. 첫째, 평면 이중빔 지그재그형 이중날개 지파관 구조를 제안한다. 1kV, 전류는 2×80mA.설계목표.이중빔건에 마스크부와 제어전극을 사용하여 두 개의 펜슬빔을 압축비 7로 각각의 중심을 따라 집속시킬 수 있고, 집속거리는 약 0.18mm로 안정성이 좋다.균일한 자기 집속 시스템도 최적화했다.평면형 이중전자빔의 안정적인 투과거리는 45mm에 달할 수 있고, 집속 자기장은 0.6T로 고주파계 전체를 충분히 커버할 수 있다. (HFS). 그런 다음, 전자-광학 시스템의 유용성과 느린 파장 구조의 성능을 검증하기 위해 전체 HFS에 대해 입자 셀(PIC) 시뮬레이션도 수행했습니다. 결과는 빔 상호 작용 시스템이 220GHz에서 거의 310W의 피크 출력을 달성할 수 있고, 최적화된 빔 전압은 20.6kV, 빔 전류는 2 × 80mA, 이득은 38dB, 3dB 대역폭은 3dB를 초과함을 보여줍니다. 5dB 약 70GHz. 마지막으로 HFS의 성능을 검증하기 위해 고정밀 미세구조물 제작을 수행하였으며, 그 결과 대역폭과 전송 특성이 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 보였다.
기존의 진공전자소자로서 TWT(traveling wave tube)는 고해상도 레이더, 위성통신시스템, 우주탐사1,2,3 등 많은 응용분야에서 대체 불가능한 역할을 하고 있다. 그러나 동작 주파수가 테라헤르츠 대역에 진입함에 따라 기존의 결합공동형 TWT와 헬리컬 TWT는 상대적으로 출력이 낮고 대역폭이 좁으며 제조공정이 까다로워 사람들의 요구를 충족시킬 수 없었다. 최근 SDV(staggered dual-blade) 구조 및 FW(folded waveguide) 구조와 같은 새로운 SWS(slow-wave structure)는 자연스러운 평면 구조, 특히 유망한 잠재력을 가진 새로운 SDV-SWS로 인해 많은 관심을 받았습니다. 이 구조는 20084년 UC-Davis에 의해 제안되었습니다. 금속 패키지 구조는 더 높은 출력 전력 및 이득으로 더 큰 열 용량을 제공할 수 있으며 도파관과 같은 구조는 더 넓은 작업 대역폭을 제공할 수도 있습니다. 현재 UC Davis는 2017년에 처음으로 SDV-TWT가 G-band5에서 100W를 초과하는 고전력 출력 및 거의 14GHz 대역폭 신호를 생성할 수 있음을 시연했습니다. G-band SDV-TWT, 시트 전자 빔이 사용되었습니다. 이 방식은 빔의 전류 운반 능력을 크게 향상시킬 수 있지만 시트 빔 전자 광학 시스템(EOS)의 불안정성으로 인해 긴 전송 거리를 유지하기 어렵고 오버 모드 빔 터널이 있어 빔이 자체 조절될 수도 있습니다.– Excitation and oscillation 6,7.THz TWT의 고출력, 넓은 대역폭, 좋은 안정성의 요구사항을 만족시키기 위해 본 논문에서는 이중모드 동작을 하는 이중빔 SDV-SWS를 제안한다. 전류 밀도가 너무 높으면 빔 전류를 줄여야 하므로 출력 전력이 상대적으로 낮습니다. 빔 전류를 개선하기 위해 SWS의 측면 크기를 활용하는 평면 분산 다중빔 EOS가 등장했습니다. 독립적인 빔 터널링으로 인해 평면 분산 다중 빔은 높은 총 빔 전류와 빔당 작은 전류를 유지하여 높은 출력 전력을 달성할 수 있어 시트 빔 장치에 비해 오버모드 빔 터널링을 피할 수 있습니다. 따라서 진행파 튜브의 안정성을 유지하는 데 유리합니다. work8,9, 본 논문은 빔의 안정적인 전송 거리를 크게 향상시키고 빔 상호 작용 영역을 더욱 증가시켜 출력 전력을 크게 향상시킬 수 있는 G-밴드 균일 자기장 포커싱 이중 펜슬 빔 EOS를 제안합니다.
본 논문의 구조는 다음과 같다. 먼저 매개변수를 이용한 SWS 셀 설계, 분산 특성 분석 및 고주파 시뮬레이션 결과를 기술한다. 그런 다음 본 논문에서는 단위 셀의 구조에 따라 이중 펜슬 빔 EOS와 빔 상호작용 시스템을 설계한다.
TWT의 가장 중요한 구성 요소 중 하나인 서파 구조의 분산 특성은 전자 속도가 SWS의 위상 속도와 일치하는지 여부를 나타내므로 빔-파동 상호 작용에 큰 영향을 미칩니다. 전체 TWT의 성능을 향상시키기 위해 개선된 상호 작용 구조가 설계되었습니다. 단위 셀의 구조는 그림 1과 같습니다.한편, 작동 대역폭을 늘리기 위해 SWS 작동에 이중 모드가 제안되었습니다. SDV 구조의 대칭으로 인해 전자기장 분산 방정식의 솔루션은 홀수 모드와 짝수 모드로 나눌 수 있습니다. 동시에 저주파 대역의 기본 홀수 모드와 고주파 대역의 기본 짝수 모드를 사용하여 빔 상호 작용의 광대역 동기화를 실현함으로써 작동 대역폭을 더욱 향상시킵니다.
전력 요구 사항에 따라 전체 튜브는 20kV의 구동 전압과 2 × 80mA의 이중 빔 전류로 설계되었습니다. 전압을 SDV-SWS의 작동 대역폭에 최대한 가깝게 일치시키기 위해 기간 p의 길이를 계산해야 합니다. 빔 전압과 기간 간의 관계는 방정식 (1)10에 나와 있습니다.
220GHz의 중심 주파수에서 위상 편이를 2.5π로 설정하면 주기 p는 0.46mm로 계산할 수 있습니다. 그림 2a는 SWS 단위 셀의 분산 특성을 보여줍니다. 20kV 빔라인은 바이모달 곡선과 매우 잘 일치합니다. 일치하는 주파수 대역은 210~265.3GHz(홀수 모드) 및 265.4~280GHz(짝수 모드) 범위에서 약 70GHz에 도달할 수 있습니다. .그림 2b는 210~290GHz에서 0.6Ω보다 큰 평균 결합 임피던스를 보여주며, 이는 작동 대역폭에서 강한 상호 작용이 발생할 수 있음을 나타냅니다.
(a) 20kV 전자 빔라인이 있는 이중 모드 SDV-SWS의 분산 특성.(b) SDV 서파 회로의 상호 작용 임피던스.
그러나 홀수 모드와 짝수 모드 사이에 밴드 갭이 있다는 점에 유의하는 것이 중요하며 그림 2a와 같이 일반적으로 이 밴드 갭을 정지 대역이라고 합니다. TWT가 이 주파수 대역 근처에서 작동하면 강한 빔 결합 강도가 발생하여 원치 않는 발진이 발생할 수 있습니다. 실제 응용에서는 일반적으로 정지 대역 근처에서 TWT를 사용하지 않습니다. 갭은 발진을 ​​일으킵니다. 따라서 원하지 않는 발진이 발생할 수 있는지 여부를 분석하기 위해 다음 PIC 시뮬레이션 섹션에서 정지 대역 주변의 동작 안정성을 조사합니다.
전체 HFS의 모델은 그림 3과 같다. SDV-SWS의 2단으로 구성되어 있으며 Bragg 반사경으로 연결되어 있다. 반사경의 기능은 두 단 사이의 신호 전달을 차단하고, 상하 블레이드 사이에 발생하는 고차 모드와 같은 비작동 모드의 발진 및 반사를 억제하여 전체 튜브의 안정성을 크게 향상시키는 것이다. 2레벨 구조의 계수는 3D 시뮬레이션 소프트웨어의 시간 영역 솔버로 측정됩니다. 재료에 대한 테라헤르츠 대역의 실제 효과를 고려하여 진공 엔벨로프의 재료는 초기에 구리로 설정되고 전도도는 2.25×107 S/m12로 감소됩니다.
그림 4는 선형 테이퍼 커플러 유무에 따른 HFS의 전송 결과를 보여줍니다. 결과는 커플러가 전체 HFS의 전송 성능에 거의 영향을 미치지 않음을 보여줍니다. 207~280GHz 광대역에서 전체 시스템의 반사 손실(S11 < -10dB)과 삽입 손실(S21 > -5dB)은 HFS가 좋은 전송 특성을 가지고 있음을 보여줍니다.
진공 전자소자의 전원으로서 전자총은 소자가 충분한 출력을 낼 수 있는지 여부를 직접 판단한다. II절의 HFS 분석과 결합하여 충분한 전력을 제공할 수 있도록 이중 빔 EOS를 설계해야 한다.도 2에서, 전자빔의 구동 전압 Ua는 초기에 20kV로 설정하고, 두 전자빔의 전류 I는 모두 80mA이고, 전자빔의 빔 직경 dw는 0.13mm이다. 음극은 86 A/cm2이며 이는 새로운 음극 재료를 사용하여 달성할 수 있습니다. 설계 이론 14, 15, 16, 17에 따르면 일반적인 Pierce 전자총은 고유하게 식별될 수 있습니다.
그림 5는 총의 수평 및 수직 개략도를 각각 나타낸 것이다. 전자총의 x 방향 프로파일은 일반적인 시트형 전자총과 거의 동일하지만 y 방향에서는 두 개의 전자빔이 부분적으로 마스크에 의해 분리되어 있음을 알 수 있다. 압축비와 전자 주입 크기에 따라 두 음극 표면의 치수는 0.91mm × 0.13mm로 결정됩니다.
각 전자빔이 받는 x 방향의 집속된 전기장이 자신의 중심을 중심으로 대칭이 되도록 하기 위해 본 논문에서는 전자총에 제어전극을 인가하였다. 집속전극과 제어전극의 전압을 -20 kV, 양극의 전압을 0 V로 설정하면 그림 6과 같이 이중빔총의 궤적 분포를 얻을 수 있다. 자체 대칭 중심을 따라 x 방향으로, 이는 제어 전극이 포커싱 전극에 의해 생성된 불균등 전기장의 균형을 이룬다는 것을 나타냅니다.
그림 7은 x 방향과 y 방향의 빔 포락선을 보여줍니다. 결과는 x 방향의 전자빔의 투사 거리가 y 방향의 투사 거리와 다르다는 것을 보여줍니다. x 방향의 투사 거리는 약 4mm이고 y 방향의 투사 거리는 7mm에 가깝습니다. 따라서 실제 투사 거리는 4 ~ 7mm 사이에서 선택해야 합니다. 그림 8은 음극 표면에서 4.6mm에서 전자빔의 단면을 보여줍니다. 단면은 표준 원형 전자 빔에 가장 가깝습니다. 두 전자 빔 사이의 거리는 설계된 0.31mm에 가깝고 반경은 약 0.13mm로 설계 요구 사항을 충족합니다. 그림 9는 빔 전류의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 두 개의 빔 전류가 76mA로 설계된 80mA와 잘 일치함을 알 수 있습니다.
실제 응용에서 구동 전압의 변동을 고려하여 이 모델의 전압 민감도에 대한 연구가 필요하다. 19.8 ~ 20.6 kV의 전압 범위에서 그림 1과 그림 1.10 및 11과 같이 전류 및 빔 전류 포락선을 구한다. 본 논문에서 설계한 전자총은 전압에 대한 감도가 좋다.
x 방향 및 y 방향 빔 포락선에 대한 구동 전압 변동의 영향.
균일한 자기장 집속기는 일반적인 영구자석 집속 시스템이다. 빔 채널 전체에 걸쳐 균일한 자기장 분포로 인해 축대칭 전자빔에 매우 적합하다. 본 절에서는 이중 펜슬 빔의 장거리 전송을 유지하기 위한 균일한 자기 집속 시스템을 제안한다. 방정식 (2). 본 논문에서도 이 등가를 사용하여 측면으로 분포된 이중 연필 빔의 자기장을 추정합니다. 본 논문에서 설계한 전자총과 결합하여 계산된 자기장 값은 약 4000Gs입니다. Ref.20, 계산된 값의 1.5-2배는 일반적으로 실제 설계에서 선택됩니다.
그림 12는 균일한 자기장 포커싱 필드 시스템의 구조를 보여준다. 파란색 부분은 축방향으로 자화된 영구자석이다. 재료 선택은 NdFeB 또는 FeCoNi이다. 시뮬레이션 모델에서 설정한 잔류 Br은 1.3T이고 투자율은 1.05이다. 전체 회로에서 빔의 안정적인 투과를 보장하기 위해 자석의 길이는 초기에 70mm로 설정된다. 빔 채널의 크기가 균일하므로 x 방향의 크기가 너무 작아서는 안됩니다. 동시에 전체 튜브의 비용과 무게를 고려하여 자석의 크기가 너무 커서는 안됩니다. 따라서 자석은 처음에 150mm × 150mm × 70mm로 설정됩니다. 한편, 전체 서파 회로가 포커싱 시스템에 배치될 수 있도록 자석 사이의 거리는 20mm로 설정됩니다.
2015년 Purna Chandra Panda21는 균일한 자기 포커싱 시스템에 새로운 단차 구멍이 있는 폴 피스를 제안하여 음극으로의 플럭스 누설과 폴 피스 홀에서 발생하는 횡방향 자기장의 크기를 더 줄일 수 있다. 본 논문에서는 포커싱 시스템의 폴 피스에 계단 구조를 추가한다. 13.
그림 14a는 두 전자빔의 중심선을 따라 축 자기장 분포를 보여줍니다. 두 전자빔을 따라 자기장 힘이 동일함을 알 수 있습니다. 자기장 값은 약 6000Gs로 이론적 브릴루앙 필드의 1.5배로 전송 및 포커싱 성능을 높입니다. 2개의 전자빔의 상부 가장자리에서 z 방향으로. 자극편 구멍에서만 횡자계가 200 Gs 미만인 것을 알 수 있는 반면, 서파 회로에서는 횡자계가 거의 0에 가까워 전자빔에 미치는 횡자계의 영향이 무시할 만하다는 것을 증명한다. 자극편의 자기 포화를 방지하기 위해서는 자극편 내부의 자기장 강도를 연구할 필요가 있다. 자기장 강도의 절대값이 1.2T 미만임을 알 수 있으며, 이는 폴 피스의 자기 포화가 발생하지 않음을 나타냅니다.
Br = 1.3 T에 대한 자기장 강도 분포.(a) 축방향 필드 분포.(b) 측면 필드 분포 By z 방향으로.(c) 폴 피스 내 필드 분포의 절대값.
CST PS 모듈을 기반으로 이중 빔 건과 포커싱 시스템의 축 상대 위치가 최적화됩니다. Ref.도 9 및 시뮬레이션에서, 최적의 위치는 양극편이 자석으로부터 떨어져 극편과 겹치는 곳이다. 그러나, remanence를 1.3T로 설정하면 전자빔의 투과율이 99%에 도달하지 못하는 것으로 나타났다. remanence를 1.4T로 증가시키면 집속 자기장이 6500Gs로 증가할 것이다. 전송이 양호하고 변동이 적으며 전송 거리가 45mm 이상입니다.
Br = 1.4 T.(a) xoz 평면.(b) yoz 항공기인 균일 자기 시스템 하에서 이중 연필 빔의 궤적.
그림 16은 음극에서 떨어진 다른 위치에서 빔의 단면을 보여줍니다. 포커싱 시스템에서 빔 단면의 모양이 잘 유지되고 단면 직경이 크게 변하지 않는 것을 볼 수 있습니다. 그림 17은 각각 x 및 y 방향의 빔 포락선을 보여줍니다. 양방향 빔의 요동이 매우 작다는 것을 알 수 있습니다. 그림 18은 빔 전류의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 결과는 전류가 약 2 × 80mA임을 나타내며, 전자총 디자인.
음극에서 떨어진 다른 위치에 있는 전자빔 단면(집속 시스템 포함).
실제 가공 응용에서 조립오차, 전압변동, 자기장 세기 변화 등 일련의 문제를 고려하여 포커싱 시스템의 감도 분석이 필요하다. 실제 가공에서 양극편과 극편 사이에 간격이 있기 때문에 시뮬레이션에서 이 간격을 설정해야 한다. 간격 값은 0.2mm로 설정했고, 그림 19a는 y방향의 빔 포락선과 빔 전류를 보여준다. 이 결과는 빔 포락선의 변화가 크지 않고 빔 전류도 거의 변하지 않는다는 것을 보여준다. 구동 전압의 변동에 대해서는 오차 범위를 ±0.5 kV로 설정하였다. 그림 19b는 비교 결과를 보여준다. 전압 변화가 빔 포락선에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 오차 범위는 자기장 강도 변화에 대해 -0.02 ~ +0.03 T로 설정하였다. 비교 결과는 그림 20에 나타내었다. 빔 포락선은 거의 변하지 않는 것을 볼 수 있는데, 이는 전체 EOS가 자기장 강도의 변화에 ​​둔감하다는 것을 의미한다.
균일한 자기 집속 시스템 하에서의 빔 포락선 및 전류 결과.(a) 조립 공차는 0.2mm입니다.(b) 구동 전압 변동은 ±0.5kV입니다.
0.63에서 0.68T 범위의 축 방향 자기장 강도 변동이 있는 균일한 자기 포커싱 시스템 하의 빔 엔벨로프.
본 논문에서 설계한 포커싱 시스템이 HFS와 일치할 수 있도록 하기 위해서는 포커싱 시스템과 HFS를 결합하여 연구할 필요가 있다. 그림 21은 HFS를 가했을 때와 가하지 않았을 때의 Beam Envelope을 비교한 것이다.
III절에서 제안한 EOS의 정확성을 검증하고 220GHz SDV-TWT의 성능을 조사하기 위해 빔-파 상호 작용의 3D-PIC 시뮬레이션을 수행합니다. 시뮬레이션 소프트웨어의 한계로 인해 전체 EOS를 HFS에 추가할 수 없었습니다. 따라서 전자총은 위에서 설계한 전자총과 동일한 매개 변수인 직경 0.13mm, 두 표면 사이의 거리가 0.31mm인 등가 방출 표면으로 대체되었습니다. EOS의 우수한 안정성, PIC 시뮬레이션에서 최상의 출력 전력을 달성하기 위해 구동 전압을 적절하게 최적화할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과 포화된 출력 전력 및 이득은 20.6kV의 구동 전압, 2 × 80mA(603A/cm2)의 빔 전류 및 0.05W의 입력 전력에서 얻을 수 있음을 보여줍니다.
최상의 출력 신호를 얻기 위해서는 사이클의 수도 최적화되어야 합니다. 그림 22a와 같이 2단계의 수가 42 + 48 사이클일 때 최상의 출력 전력을 얻습니다. 0.05W 입력 신호는 38dB의 이득으로 314W로 증폭됩니다. FFT(고속 푸리에 변환)에 의해 얻은 출력 전력 스펙트럼은 순수하며 220GHz에서 정점에 도달합니다. 그림 22b는 전자 에너지의 축 위치 분포를 보여줍니다. 이 결과는 SDV-SWS가 전자의 운동 에너지를 RF 신호로 변환하여 신호 증폭을 실현할 수 있음을 나타냅니다.
220GHz에서 SDV-SWS 출력 신호.(a) 스펙트럼이 포함된 출력 전력.(b) SWS 삽입 끝에서 전자빔을 사용한 전자의 에너지 분포.
그림 23은 이중 모드 이중 빔 SDV-TWT의 출력 전력 대역폭과 이득을 보여줍니다. 출력 성능은 200~275GHz의 주파수를 스위핑하고 구동 전압을 최적화하여 더욱 향상될 수 있습니다. 이 결과는 3dB 대역폭이 205~275GHz를 커버할 수 있음을 보여줍니다. 이는 이중 모드 작동이 작동 대역폭을 크게 확장할 수 있음을 의미합니다.
그러나 그림 2a에 따르면 홀수 모드와 짝수 모드 사이에 정지 대역이 있어 원하지 않는 진동이 발생할 수 있음을 알 수 있습니다. 따라서 정지 주변의 작업 안정성을 연구해야 합니다. 그림 24a-c는 각각 265.3GHz, 265.35GHz 및 265.4GHz에서 20ns 시뮬레이션 결과입니다. 시뮬레이션 결과에 약간의 변동이 있지만 출력 전력은 비교적 안정적임을 알 수 있습니다. 스펙트럼은 또한 그림 24에 각각 표시된 것처럼 스펙트럼은 순수합니다. 이러한 결과는 저지대역 근처에 자체 발진이 없음을 나타냅니다.
전체 HFS의 정확성을 확인하려면 제작 및 측정이 필요합니다. 이 부분에서 HFS는 공구 직경 0.1mm, 가공 정확도 10μm의 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기술을 사용하여 제작됩니다. 고주파 구조용 재료는 무산소 고전도(OFHC) 구리로 제공됩니다. 그림 25a는 제작된 구조를 보여줍니다. 전체 구조는 길이 66.00mm, 너비 20.00mm, 높이 8.66mm. 8개의 핀 구멍이 구조 주위에 분포되어 있습니다. 그림 25b는 주사 전자 현미경(SEM)으로 구조를 보여줍니다. 이 구조의 블레이드는 균일하게 생산되고 표면 거칠기가 좋습니다. 정확한 측정 후 전체 가공 오차는 5% 미만이고 표면 거칠기는 약 0.4μm입니다. 가공 구조는 설계 및 정밀도 요구 사항을 충족합니다.
그림 26은 실제 테스트 결과와 전송 성능 시뮬레이션 간의 비교를 보여줍니다. 그림 26a의 포트 1과 포트 2는 각각 HFS의 입력 포트와 출력 포트에 해당하며 그림 3의 포트 1과 포트 4에 해당합니다. S11의 실제 측정 결과는 시뮬레이션 결과보다 약간 낫습니다. 동시에 S21의 측정 결과는 약간 더 나쁩니다. 이유는 시뮬레이션에서 설정한 재료 전도도가 너무 높고 실제 가공 후 표면 거칠기가 좋지 않기 때문일 수 있습니다.오버 모두 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 잘 일치하고 전송 대역폭은 70GHz 요구 사항을 충족하여 제안된 이중 모드 SDV-TWT의 타당성과 정확성을 검증합니다. 따라서 실제 제작 프로세스 및 테스트 결과와 결합하여 본 논문에서 제안한 초광대역 이중 빔 SDV-TWT 설계는 후속 제작 및 응용에 사용될 수 있습니다.
이 백서에서는 평면 분포 220GHz 이중 빔 SDV-TWT의 세부 설계가 제시됩니다. 이중 모드 작동과 이중 빔 여기의 조합은 작동 대역폭과 출력 전력을 더욱 증가시킵니다. 전체 HFS의 정확성을 확인하기 위해 제작 및 냉간 테스트도 수행됩니다.실제 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다. 설계된 2-빔 EOS의 경우 마스크 섹션과 제어 전극을 함께 사용하여 2-펜슬 빔을 생성했습니다. 설계된 균일한 포커싱 자기장 하에서 전자빔은 좋은 모양으로 장거리에 걸쳐 안정적으로 전송될 수 있습니다. 향후 EOS의 생산 및 테스트가 수행될 것이며 전체 TWT의 열 테스트도 수행될 것입니다. 성능 지표와 처리 및 조립에 큰 잠재력이 있습니다. 따라서 이 논문은 평면 구조가 테라헤르츠 대역에서 진공 전자 장치의 개발 추세가 될 가능성이 가장 높다고 믿습니다.
이 연구에서 대부분의 원시 데이터 및 분석 모델이 이 백서에 포함되었습니다. 합당한 요청이 있는 경우 해당 작성자에게 추가 관련 정보를 얻을 수 있습니다.
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