Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus uit te schakelen in Internet Explorer). In de tussentijd zullen we de site zonder stijlen en JavaScript weergeven om voortdurende ondersteuning te garanderen.
In dit artikel wordt een 220 GHz breedband high-power interleaved reizende golfbuis met dubbele bladen ontworpen en geverifieerd. Ten eerste wordt een planaire dubbele bundel gespreide slow-wave structuur met dubbele bladen voorgesteld. Door gebruik te maken van een dual-mode operatieschema, zijn de transmissieprestaties en bandbreedte bijna het dubbele van die van single-mode. kV, en de stroom is 2 × 80 mA.Ontwerpdoelen.Door het maskergedeelte en de stuurelektrode in het dubbelstraalkanon te gebruiken, kunnen de twee potloodstralen worden gefocusseerd langs hun respectievelijke middelpunten met een compressieverhouding van 7, de focusafstand is ongeveer 0,18 mm en de stabiliteit is goed.Het uniforme magnetische focussysteem is ook geoptimaliseerd. Vervolgens werden, om de bruikbaarheid van het elektronen-optische systeem en de prestaties van de slow-wave structuur te verifiëren, ook deeltjescel (PIC) simulaties uitgevoerd op de gehele HFS. De resultaten tonen aan dat het bundel-interactiesysteem een ​​piekvermogen kan bereiken van bijna 310 W bij 220 GHz, de geoptimaliseerde bundelspanning is 20,6 kV, de bundelstroom is 2 × 80 mA, de versterking is 38 dB en de 3-dB bandbreedte overschrijdt ongeveer 35 dB 70 GHz. Ten slotte wordt zeer nauwkeurige microstructuurfabricage uitgevoerd om de prestaties van de HFS te verifiëren, en de resultaten tonen aan dat de bandbreedte en transmissiekarakteristieken goed overeenkomen met de simulatieresultaten. Daarom wordt verwacht dat het in dit document voorgestelde schema krachtige, ultrabreedband terahertz-band stralingsbronnen zal ontwikkelen met potentieel voor toekomstige toepassingen.
Als een traditioneel elektronisch vacuümapparaat speelt reizende golfbuis (TWT) een onvervangbare rol in veel toepassingen, zoals radar met hoge resolutie, satellietcommunicatiesystemen en verkenning van de ruimte1,2,3. Aangezien de werkfrequentie echter de terahertz-band binnengaat, konden de traditionele TWT met gekoppelde holte en spiraalvormige TWT niet voldoen aan de behoeften van mensen vanwege het relatief lage uitgangsvermogen, de smalle bandbreedte en moeilijke productieprocessen. Daarom is het een zeer zorgwekkende kwestie geworden om de prestaties van de THz-band volledig te verbeteren voor veel wetenschappelijke onderzoeksinstellingen. In de afgelopen jaren hebben nieuwe slow-wave-structuren (SWS's), zoals staggered dual-blade (SDV) -structuren en gevouwen waveguide (FW) -structuren, uitgebreide aandacht gekregen vanwege hun natuurlijke vlakke structuren, vooral de nieuwe SDV-SWS's met veelbelovend potentieel. Deze structuur werd in 2008 voorgesteld door UC-Davis4. metalen pakketstructuur kan een grotere thermische capaciteit bieden met een hoger uitgangsvermogen en versterking, en de golfgeleiderachtige structuur kan ook een bredere werkbandbreedte bieden. Momenteel demonstreerde UC Davis voor het eerst in 2017 dat SDV-TWT krachtige outputs kan genereren van meer dan 100 W en bijna 14 GHz bandbreedtesignalen in de G-band5. Deze resultaten hebben echter nog steeds hiaten die niet kunnen voldoen aan de gerelateerde vereisten van hoog vermogen en brede bandbreedte in de terahertz-band. Voor UC-Davis' Hoewel dit schema de stroomvoerende capaciteit van de bundel aanzienlijk kan verbeteren, is het moeilijk om een ​​lange transmissieafstand aan te houden vanwege de instabiliteit van het optisch systeem voor elektronenbundels (EOS), en er is een over-mode bundeltunnel, waardoor de bundel zichzelf kan reguleren.– Excitatie en oscillatie 6,7. Om te voldoen aan de eisen van een hoog uitgangsvermogen, brede bandbreedte en goede stabiliteit van THz TWT, wordt in dit document een dual-beam SDV-SWS met dual-mode werking voorgesteld. Dat wil zeggen, om de operationele bandbreedte te vergroten, wordt dual-mode operatie voorgesteld en geïntroduceerd in deze structuur. Als de stroomdichtheid te hoog is, moet de bundelstroom worden verminderd, wat resulteert in een relatief laag uitgangsvermogen. Om de bundelstroom te verbeteren, is planair gedistribueerde multibeam EOS ontstaan, die gebruik maakt van de laterale grootte van de SWS. Door de onafhankelijke bundeltunneling kan de planaire gedistribueerde multibundel een hoog uitgangsvermogen bereiken door een hoge totale bundelstroom en een kleine stroom per bundel te behouden, waardoor overmode bundeltunneling kan worden vermeden in vergelijking met sheet-beam-apparaten. Daarom is het gunstig om de stabiliteit van de lopende golfbuis te behouden. van eerder werk 8,9 stelt dit artikel een G-band uniform magnetisch veld voor dat de dubbele potloodstraal EOS focusseert, wat de stabiele transmissieafstand van de straal aanzienlijk kan verbeteren en het straalinteractiegebied verder kan vergroten, waardoor het uitgangsvermogen aanzienlijk wordt verbeterd.
De structuur van dit artikel is als volgt. Eerst wordt het ontwerp van de SWS-cel met parameters, analyse van dispersiekarakteristieken en resultaten van hoogfrequente simulatie beschreven. Vervolgens worden, volgens de structuur van de eenheidscel, een EOS met dubbele potloodbundel en een bundelinteractiesysteem ontworpen in dit document. Resultaten van intracellulaire deeltjessimulatie worden ook gepresenteerd om de bruikbaarheid van EOS en de prestaties van SDV-TWT te verifiëren. Daarnaast presenteert het artikel kort de fabricage- en koude testresultaten om de juistheid van de gehele HFS te verifiëren. Maak ten slotte een samenvatting.
Als een van de belangrijkste componenten van de TWT, geven de dispersieve eigenschappen van de langzame golfstructuur aan of de elektronensnelheid overeenkomt met de fasesnelheid van de SWS, en dus een grote invloed heeft op de bundelgolfinteractie. Om de prestaties van de hele TWT te verbeteren, is een verbeterde interactiestructuur ontworpen. De structuur van de eenheidscel wordt weergegeven in figuur 1. Gezien de instabiliteit van de plaatbundel en de vermogensbeperking van de enkele penbundel, gebruikt de structuur een dubbele penbundel om het uitgangsvermogen en de stabiliteit van de werking verder te verbeteren.Ondertussen is, om de werkbandbreedte te vergroten, een dubbele modus voorgesteld om SWS te bedienen. Vanwege de symmetrie van de SDV-structuur kan de oplossing van de elektromagnetische veldverspreidingsvergelijking worden verdeeld in oneven en even modi. Tegelijkertijd worden de fundamentele oneven modus van de lage frequentieband en de fundamentele even modus van de hoge frequentieband gebruikt om de breedbandsynchronisatie van de bundelinteractie te realiseren, waardoor de werkbandbreedte verder wordt verbeterd.
Volgens de vermogensvereisten is de hele buis ontworpen met een aandrijfspanning van 20 kV en een dubbele bundelstroom van 2 × 80 mA. Om de spanning zo goed mogelijk af te stemmen op de bedrijfsbandbreedte van de SDV-SWS, moeten we de lengte van de periode p berekenen. De relatie tussen bundelspanning en periode wordt getoond in vergelijking (1)10:
Door de faseverschuiving in te stellen op 2,5π bij de middenfrequentie van 220 GHz, kan de periode p worden berekend als 0,46 mm. Figuur 2a toont de dispersie-eigenschappen van de SWS-eenheidscel. De bundellijn van 20 kV komt heel goed overeen met de bimodale curve. Overeenkomende frequentiebanden kunnen ongeveer 70 GHz bereiken in de 210-265,3 GHz (oneven modus) en 265,4-280 GHz (even modus) bereiken. Figuur 2b toont de gemiddelde koppelingsimpedantie, die groter is dan 0,6 Ω van 210 tot 290 GHz, wat aangeeft dat er sterke interacties kunnen optreden in de werkende bandbreedte.
( a ) Dispersiekarakteristieken van een dual-mode SDV-SWS met een elektronenbundellijn van 20 kV. ( b ) Interactie-impedantie van het SDV-slow-wave circuit.
Het is echter belangrijk op te merken dat er een bandafstand is tussen de oneven en even modi, en we verwijzen meestal naar deze bandafstand als de stopband, zoals weergegeven in figuur 2a. Als de TWT in de buurt van deze frequentieband wordt gebruikt, kan er een sterke bundelkoppelingssterkte optreden, wat zal leiden tot ongewenste oscillaties. In praktische toepassingen vermijden we over het algemeen het gebruik van TWT in de buurt van de stopband. Het is echter te zien dat de bandafstand van deze langzame golfstructuur slechts 0,1 GHz is. Het is moeilijk te bepalen of deze kleine bandafstand veroorzaakt oscillaties. Daarom zal de stabiliteit van de werking rond de stopband worden onderzocht in de volgende PIC-simulatiesectie om te analyseren of er ongewenste oscillaties kunnen optreden.
Het model van de gehele HFS wordt getoond in figuur 3. Het bestaat uit twee trappen van SDV-SWS, verbonden door Bragg-reflectoren. De functie van de reflector is om de signaaloverdracht tussen de twee trappen af ​​te snijden, de oscillatie en reflectie van niet-werkende modi te onderdrukken, zoals modi van hoge orde die worden gegenereerd tussen de bovenste en onderste bladen, waardoor de stabiliteit van de hele buis aanzienlijk wordt verbeterd. de structuur met twee niveaus wordt gemeten door een tijddomeinoplosser in de 3D-simulatiesoftware. Rekening houdend met het daadwerkelijke effect van de terahertz-band op het materiaal, wordt het materiaal van de vacuümomhulling aanvankelijk ingesteld op koper en wordt de geleidbaarheid teruggebracht tot 2,25 × 107 S/m12.
Figuur 4 toont de transmissieresultaten voor HFS met en zonder lineair taps toelopende koppelaars. De resultaten laten zien dat de koppelaar weinig effect heeft op de transmissieprestaties van de gehele HFS. Het retourverlies (S11 < − 10 dB) en insertieverlies (S21 > − 5 dB) van het hele systeem in de 207~280 GHz breedband tonen aan dat HFS goede transmissiekarakteristieken heeft.
Als de voeding van elektronische vacuümapparaten, bepaalt het elektronenkanon direct of het apparaat voldoende uitgangsvermogen kan genereren. Gecombineerd met de analyse van HFS in Sectie II, moet een dual-beam EOS worden ontworpen om voldoende vermogen te leveren.2, de aandrijfspanning Ua van de elektronenstralen is aanvankelijk ingesteld op 20 kV, de stromen I van de twee elektronenstralen zijn beide 80 mA en de straaldiameter dw van de elektronenstralen is 0,13 mm. Tegelijkertijd, om ervoor te zorgen dat de stroomdichtheid van de elektronenstraal en de kathode kan worden bereikt, wordt de compressieverhouding van de elektronenstraal ingesteld op 7, dus de stroomdichtheid van de elektronenstraal is 603 A/cm2, en de stroomdichtheid van de kathode is 86 A/cm2, wat kan worden bereikt door nieuwe kathodematerialen te gebruiken. Volgens ontwerptheorie 14, 15, 16, 17 kan een typisch Pierce-elektronenkanon uniek worden geïdentificeerd.
Figuur 5 toont respectievelijk de horizontale en verticale schematische diagrammen van het kanon. Te zien is dat het profiel van het elektronenkanon in de x-richting bijna identiek is aan dat van een typisch plaatvormig elektronenkanon, terwijl in de y-richting de twee elektronenbundels gedeeltelijk worden gescheiden door het masker. De posities van de twee kathoden zijn respectievelijk x = - 0,155 mm, y = 0 mm en x = 0,155 mm, y = 0 mm. Overeenkomstig de ontwerpvereisten van compressieverhouding en elektroneninjectiegrootte, worden de afmetingen van de twee kathode-oppervlakken bepaald op 0,91 mm x 0,13 mm.
Om het gefocusseerde elektrische veld dat door elke elektronenstraal in de x-richting wordt ontvangen symmetrisch rond zijn eigen centrum te maken, past dit document een stuurelektrode toe op het elektronenkanon. Door de spanning van de focusseerelektrode en de stuurelektrode in te stellen op −20 kV, en de spanning van de anode op 0 V, kunnen we de baanverdeling van het dubbelstraalkanon verkrijgen, zoals getoond in Fig. 6. Het is te zien dat de uitgezonden elektronen een goede samendrukbaarheid hebben in de y-richting en dat elke elektronenstraal convergeert naar de x -richting langs zijn eigen symmetriecentrum, wat aangeeft dat de stuurelektrode het ongelijke elektrische veld in evenwicht houdt dat wordt gegenereerd door de focusseerelektrode.
Afbeelding 7 toont de straalomhulling in de x- en y-richting. De resultaten laten zien dat de projectieafstand van de elektronenstraal in de x-richting verschilt van die in de y-richting. De worpafstand in de x-richting is ongeveer 4 mm en de worpafstand in de y-richting is bijna 7 mm. Daarom moet de werkelijke worpafstand tussen 4 en 7 mm worden gekozen. van de dwarsdoorsnede komt het dichtst bij een standaard cirkelvormige elektronenbundel. De afstand tussen de twee elektronenbundels ligt dicht bij de ontworpen 0,31 mm en de straal is ongeveer 0,13 mm, wat voldoet aan de ontwerpvereisten. Figuur 9 toont de simulatieresultaten van de bundelstroom. Het is te zien dat de twee bundelstromen 76mA zijn, wat in goede overeenstemming is met de ontworpen 80mA.
Gezien de fluctuatie van de stuurspanning in praktische toepassingen, is het noodzakelijk om de spanningsgevoeligheid van dit model te bestuderen. In het spanningsbereik van 19,8 ~ 20,6 kV worden de stroom- en bundelstroomomhullingen verkregen, zoals weergegeven in figuur 1 en figuur 1.10 en 11. Uit de resultaten blijkt dat de verandering van aandrijfspanning geen effect heeft op de elektronenbundelomhulling en dat de elektronenbundelstroom alleen verandert van 0,74 naar 0,78 A. Daarom kan worden overwogen dat het in dit document ontworpen elektronenkanon een goede gevoeligheid voor spanning heeft.
Het effect van stuurspanningsfluctuaties op de bundelomhullingen in de x- en y-richting.
Een uniform magnetisch focusseerveld is een algemeen permanent magneetfocussysteem. Vanwege de uniforme magnetische veldverdeling door het bundelkanaal is het zeer geschikt voor assymmetrische elektronenbundels. In deze sectie wordt een uniform magnetisch focussysteem voorgesteld voor het handhaven van de langeafstandstransmissie van dubbele potloodbundels. Door het gegenereerde magnetische veld en de bundelomhulling te analyseren, wordt het ontwerpschema van het focussysteem voorgesteld en wordt het gevoeligheidsprobleem bestudeerd. ).In dit artikel gebruiken we deze equivalentie ook om het magnetische veld van een lateraal verdeelde dubbele potloodstraal te schatten. Gecombineerd met het elektronenkanon dat in dit artikel is ontworpen, is de berekende waarde van het magnetische veld ongeveer 4000 Gs. Volgens Ref.20, 1,5-2 keer de berekende waarde wordt meestal gekozen in praktische ontwerpen.
Figuur 12 toont de structuur van een uniform magnetisch veld focusseerveldsysteem. Het blauwe deel is de permanente magneet gemagnetiseerd in axiale richting. Materiaalkeuze is NdFeB of FeCoNi. De remanentie Br die in het simulatiemodel is ingesteld is 1,3 T en de permeabiliteit is 1,05. Om de stabiele transmissie van de bundel in het hele circuit te verzekeren, is de lengte van de magneet aanvankelijk ingesteld op 70 mm. Bovendien bepaalt de grootte van de magneet in de x-richting of het transversale magnetische veld in het straalkanaal is uniform, wat vereist dat de grootte in de x-richting niet te klein kan zijn. Tegelijkertijd, gezien de kosten en het gewicht van de hele buis, mag de grootte van de magneet niet te groot zijn. Daarom zijn de magneten aanvankelijk ingesteld op 150 mm × 150 mm × 70 mm. Ondertussen, om ervoor te zorgen dat het hele slow-wave circuit in het focussysteem kan worden geplaatst, is de afstand tussen de magneten ingesteld op 20 mm.
In 2015 stelde Purna Chandra Panda21 een poolstuk voor met een nieuw getrapt gat in een uniform magnetisch focussysteem, dat de grootte van de fluxlekkage naar de kathode en het transversale magnetische veld dat wordt gegenereerd bij het poolstukgat verder kan verminderen. In dit artikel voegen we een getrapte structuur toe aan het poolstuk van het focussysteem. De dikte van het poolstuk is aanvankelijk ingesteld op 1,5 mm, de hoogte en breedte van de drie stappen zijn 0,5 mm en de afstand tussen de poolstukgaten is 2 mm, zoals weergegeven in figuur 13.
Figuur 14a toont de axiale magnetische veldverdeling langs de hartlijnen van de twee elektronenbundels. Het is te zien dat de magnetische veldkrachten langs de twee elektronenbundels gelijk zijn. De magnetische veldwaarde is ongeveer 6000 Gs, wat 1,5 keer het theoretische Brillouin-veld is om de transmissie- en focusprestaties te verbeteren. Tegelijkertijd is het magnetische veld aan de kathode bijna 0, wat aangeeft dat het poolstuk een goed effect heeft op het voorkomen van magnetische fluxlekkage. in de z-richting aan de bovenrand van de twee elektronenbundels. Te zien is dat het transversale magnetische veld minder is dan 200 Gs alleen bij het poolstukgat, terwijl in het slow-wave circuit het transversale magnetische veld bijna nul is, wat bewijst dat de invloed van het transversale magnetische veld op de elektronenbundel verwaarloosbaar is. Om magnetische verzadiging van de poolstukken te voorkomen, is het noodzakelijk om de magnetische veldsterkte binnen de poolstukken te bestuderen. Figuur 14c toont de absolute waarde van de magnetische veldverdeling binnen de pool stuk. Het is te zien dat de absolute waarde van de magnetische veldsterkte minder is dan 1,2T, wat aangeeft dat de magnetische verzadiging van het poolstuk niet zal optreden.
Magnetische veldsterkteverdeling voor Br = 1,3 T.(a) Axiale veldverdeling.(b) Laterale veldverdeling By in de z-richting.(c) Absolute waarde van veldverdeling binnen het poolstuk.
Op basis van de CST PS-module is de axiale relatieve positie van het pistool met dubbele straal en het focussysteem geoptimaliseerd. Volgens ref.9 en simulaties, is de optimale locatie waar het anodestuk het poolstuk weg van de magneet overlapt. Er werd echter gevonden dat als de remanentie was ingesteld op 1,3T, de transmissie van de elektronenstraal geen 99% zou kunnen bereiken. Door de remanentie te verhogen tot 1,4 T, zal het focusserende magnetische veld worden verhoogd tot 6500 Gs. goede transmissie, kleine fluctuatie en een transmissieafstand groter dan 45 mm.
Trajecten van dubbele potloodbundels onder een homogeen magnetisch systeem met Br = 1,4 T.(a) xoz-vlak.(b) yoz-vliegtuigen.
Afbeelding 16 toont de dwarsdoorsnede van de straal op verschillende posities weg van de kathode. Te zien is dat de vorm van de straalsectie in het focussysteem goed behouden blijft en dat de doorsnede niet veel verandert. Afbeelding 17 toont de straalomhullingen in respectievelijk de x- en y-richting. Te zien is dat de fluctuatie van de straal in beide richtingen erg klein is. Afbeelding 18 toont de simulatieresultaten van de straalstroom. in het ontwerp van het elektronenkanon.
Doorsnede elektronenbundel (met focussysteem) op verschillende posities weg van de kathode.
Gezien een reeks problemen zoals montagefouten, spanningsfluctuaties en veranderingen in magnetische veldsterkte in praktische verwerkingstoepassingen, is het noodzakelijk om de gevoeligheid van het focussysteem te analyseren. Omdat er een opening is tussen het anodestuk en het poolstuk in daadwerkelijke verwerking, moet deze opening worden ingesteld in de simulatie. De gap-waarde was ingesteld op 0,2 mm en figuur 19a toont de bundelomhulling en bundelstroom in de y-richting. Dit resultaat laat zien dat de verandering in de bundelomhulling niet significant is en dat de bundelstroom nauwelijks verandert. Daarom, het systeem is ongevoelig voor montagefouten. Voor de fluctuatie van de stuurspanning is het foutbereik ingesteld op ±0,5 kV. Afbeelding 19b toont de resultaten van de vergelijking. Het is te zien dat de spanningsverandering weinig effect heeft op de bundelomhulling. Het foutbereik is ingesteld van -0,02 tot +0,03 T voor veranderingen in magnetische veldsterkte. De vergelijkingsresultaten worden getoond in afbeelding 20. Te zien is dat de bundelomhulling nauwelijks verandert, wat betekent dat de gehele EOS ongevoelig is voor veranderingen in de magnetische veldsterkte.
Bundelomhulling en stroomresultaten onder een uniform magnetisch focussysteem. (a) Montagetolerantie is 0,2 mm. (b) De stuurspanningsfluctuatie is ± 0,5 kV.
Bundelomhulling onder een uniform magnetisch focussysteem met axiale magnetische veldsterktefluctuaties variërend van 0,63 tot 0,68 T.
Om ervoor te zorgen dat het focussysteem dat in dit artikel is ontworpen overeenkomt met HFS, is het noodzakelijk om het focussysteem en HFS te combineren voor onderzoek. Afbeelding 21 toont een vergelijking van bundelomhulsels met en zonder geladen HFS. De resultaten laten zien dat de bundelomhulling verandert niet veel wanneer de gehele HFS wordt geladen. Daarom is het focussysteem geschikt voor de reizende golfbuis HFS van het bovenstaande ontwerp.
Om de juistheid van de in sectie III voorgestelde EOS te verifiëren en de prestaties van de 220 GHz SDV-TWT te onderzoeken, wordt een 3D-PIC-simulatie van bundel-golfinteractie uitgevoerd. Vanwege beperkingen in de simulatiesoftware konden we niet de volledige EOS aan HFS toevoegen. gevoeligheid en goede stabiliteit van EOS, kan de aandrijfspanning goed worden geoptimaliseerd om het beste uitgangsvermogen in de PIC-simulatie te bereiken. De simulatieresultaten laten zien dat het verzadigde uitgangsvermogen en de versterking kunnen worden verkregen bij een aandrijfspanning van 20,6 kV, een bundelstroom van 2 × 80 mA (603 A/cm2) en een ingangsvermogen van 0,05 W.
Om het beste uitgangssignaal te verkrijgen, moet ook het aantal cycli worden geoptimaliseerd. Het beste uitgangsvermogen wordt verkregen wanneer het aantal van twee trappen 42 + 48 cycli is, zoals weergegeven in afbeelding 22a. Een ingangssignaal van 0,05 W wordt versterkt tot 314 W met een versterking van 38 dB. Het uitgangsvermogensspectrum verkregen door Fast Fourier Transform (FFT) is puur, met een piek op 220 GHz. WS, waarbij de meeste elektronen energie verliezen. Dit resultaat geeft aan dat de SDV-SWS de kinetische energie van elektronen kan omzetten in RF-signalen, waardoor signaalversterking wordt gerealiseerd.
SDV-SWS-uitgangssignaal op 220 GHz. (a) Uitgangsvermogen met inbegrepen spectrum. (b) Energieverdeling van elektronen met de elektronenstraal aan het einde van de SWS-inzet.
Afbeelding 23 toont de bandbreedte en versterking van het uitgangsvermogen van een dual-mode dual-beam SDV-TWT. De uitvoerprestaties kunnen verder worden verbeterd door frequenties van 200 naar 275 GHz te vegen en de aandrijfspanning te optimaliseren. Dit resultaat laat zien dat de bandbreedte van 3 dB 205 tot 275 GHz kan dekken, wat betekent dat dual-mode werking de operationele bandbreedte aanzienlijk kan verbreden.
Volgens figuur 2a weten we echter dat er een stopband is tussen de oneven en even modi, wat kan leiden tot ongewenste oscillaties. Daarom moet de werkstabiliteit rond de stops worden bestudeerd. Figuren 24a-c zijn de 20 ns-simulatieresultaten bij respectievelijk 265,3 GHz, 265,35 GHz en 265,4 GHz. Het is te zien dat hoewel de simulatieresultaten enkele fluctuaties vertonen, het uitgangsvermogen relatief stabiel is. respectievelijk weergegeven in figuur 24, is het spectrum zuiver. Deze resultaten geven aan dat er geen zelfoscillatie is in de buurt van de stopband.
Fabricage en meting zijn nodig om de juistheid van de gehele HFS te verifiëren. In dit deel wordt de HFS vervaardigd met behulp van computer numerieke besturingstechnologie (CNC) met een gereedschapsdiameter van 0,1 mm en een bewerkingsnauwkeurigheid van 10 μm. Het materiaal voor de hoogfrequente structuur wordt geleverd door zuurstofvrij koper met hoge geleidbaarheid (OFHC). Afbeelding 25a toont de gefabriceerde structuur. De gehele structuur heeft een lengte van 66,00 mm, een breedte van 20,0 0 mm en een hoogte van 8,66 mm. Acht gaatjes zijn verdeeld over de structuur. Figuur 25b toont de structuur door scanning-elektronenmicroscopie (SEM). De bladen van deze structuur zijn gelijkmatig geproduceerd en hebben een goede oppervlakteruwheid. Na nauwkeurige meting is de totale bewerkingsfout minder dan 5% en de oppervlakteruwheid ongeveer 0,4 μm. De bewerkingsstructuur voldoet aan de ontwerp- en precisie-eisen.
Afbeelding 26 toont de vergelijking tussen werkelijke testresultaten en simulaties van transmissieprestaties. Poort 1 en poort 2 in afbeelding 26a komen overeen met respectievelijk de invoer- en uitvoerpoorten van de HFS en zijn equivalent aan poort 1 en poort 4 in afbeelding 3. De werkelijke meetresultaten van S11 zijn iets beter dan de simulatieresultaten. Tegelijkertijd zijn de gemeten resultaten van de S21 iets slechter. De reden kan zijn dat de materiaalgeleidbaarheid die in de simulatie is ingesteld te hoog is en de oppervlakteruwheid na daadwerkelijke bewerking slecht is. Over het algemeen komen de gemeten resultaten goed overeen met de simulatieresultaten en voldoet de transmissiebandbreedte aan de vereiste van 70 GHz, wat de haalbaarheid en juistheid van de voorgestelde dual-mode SDV-TWT verifieert. Daarom kan het ultrabreedband dual-beam SDV-TWT-ontwerp dat in dit document wordt voorgesteld, worden gebruikt voor latere fabricage en toepassingen.
In dit document wordt een gedetailleerd ontwerp van een vlakke distributie 220 GHz dual-beam SDV-TWT gepresenteerd. De combinatie van dual-mode werking en dual-beam excitatie verhoogt de operationele bandbreedte en het uitgangsvermogen verder. De fabricage en koude test worden ook uitgevoerd om de juistheid van de gehele HFS te verifiëren.De daadwerkelijke meetresultaten komen goed overeen met de simulatieresultaten. Voor de ontworpen EOS met twee bundels zijn een maskergedeelte en stuurelektroden samen gebruikt om een ​​bundel met twee pennen te produceren. Onder het ontworpen uniforme focusserende magnetische veld kan de elektronenbundel stabiel worden verzonden over lange afstanden met een goede vorm. In de toekomst zal de productie en het testen van EOS worden uitgevoerd en zal ook de thermische test van de gehele TWT worden uitgevoerd. Dit SDV-TWT-ontwerpschema dat in dit document wordt voorgesteld, combineert volledig de huidige volwassen vliegtuigverwerkingstechnologie, en toont een groot potentieel in prestatie-indicatoren en verwerking en assemblage. Daarom gelooft dit artikel dat de vlakke structuur hoogstwaarschijnlijk de ontwikkelingstrend zal worden van elektronische vacuümapparaten in de terahertz-band.
De meeste onbewerkte gegevens en analytische modellen in deze studie zijn opgenomen in dit artikel. Verdere relevante informatie kan op redelijk verzoek worden verkregen bij de overeenkomstige auteur.
Gamzina, D. et al. CNC-bewerking op nanoschaal van sub-terahertz-vacuümelektronica.IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. en Paoloni, C. UV-LIGA-microfabricage van sub-terahertz golfgeleiders met behulp van meerlagige SU-8 fotoresist.J.Micromechanica.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 THz-technologie roadmap.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 Sterke opsluiting van plasmonische golfvoortplanting via ultra-breedband gespreide dubbele roostergolfgeleiders.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Prestaties van een Nano CNC-gefreesde 220 GHz Travelling Wave Tube Amplifier.IEEE Trans.electronic devices.64, 590-592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Onderzoek naar de instabiliteit van diocotrons van elektronenbundels met een oneindig brede plaat met behulp van macroscopische modeltheorie van koude vloeistoffen. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV over de mogelijkheid om de bandbreedte te vergroten door de vlakke lay-out van de bundel in een multibeam klystron. In 12th IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, India, 5747003, 317-318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al.Ontwerp van elektronenkanonnen met drie bundels met smalle bundelsplitsingsvlakverdeling in W-band verspringende dubbelbladige reizende golfbuis [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 gedistribueerd driestraals elektronenoptisch systeem met smalle bundelscheiding voor W-band fundamentele modus TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Onderzoek naar interleaved dubbelbladige reizende golfbuis met millimetergolfplaatbalken 20-22 (PhD, Beihang University, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studie naar de stabiliteit van de bundelgolfinteractie van een G-band interleaved reizende golfbuis met twee bladen. 2018 43rd International Conference on Infrared Millimeter and Terahertz Waves, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).