Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com. Wersja przeglądarki, której używasz, ma ograniczone wsparcie dla CSS. Aby uzyskać najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie ze zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w Internet Explorerze). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy wyświetlać witrynę bez stylów i JavaScript.
W tym artykule zaprojektowano i zweryfikowano szerokopasmową, przeplataną, dwułopatkową rurę falową o dużej mocy 220 GHz. Po pierwsze, zaproponowano płaską, podwójną wiązkę, naprzemienną, dwułopatkową strukturę wolnofalową. Dzięki zastosowaniu schematu działania w dwóch trybach, wydajność transmisji i przepustowość są prawie dwukrotnie większe niż w trybie pojedynczym. 20 ~ 21 kV, a prąd wynosi 2 × 80 mA. Cele projektowe. Używając części maski i elektrody sterującej w pistolecie z podwójną wiązką, dwie wiązki ołówkowe można skupić wzdłuż ich odpowiednich środków ze współczynnikiem kompresji 7, odległość ogniskowania wynosi około 0,18 mm, a stabilność jest dobra. Zoptymalizowany został również jednolity system ogniskowania magnetycznego. Stabilna odległość transmisji płaskiej podwójnej wiązki elektronów może osiągnąć 45 mm, a ogniskujące pole magnetyczne wynosi 0,6 T, co wystarcza do obejmują cały system wysokiej częstotliwości (HFS). Następnie, aby zweryfikować użyteczność układu elektronowo-optycznego i wydajność struktury wolnofalowej, przeprowadzono również symulacje komórek cząsteczkowych (PIC) na całym HFS. Wyniki pokazują, że układ interakcji wiązki może osiągnąć szczytową moc wyjściową prawie 310 W przy 220 GHz, zoptymalizowane napięcie wiązki wynosi 20,6 kV, prąd wiązki 2 × 80 mA, wzmocnienie 38 dB, a 3-dB szerokość pasma przekracza 35 dB około 70 GHz. Na koniec przeprowadza się precyzyjne wytwarzanie mikrostruktury w celu sprawdzenia wydajności HFS, a wyniki pokazują, że charakterystyka szerokości pasma i transmisji są dobrze zgodne z wynikami symulacji. Dlatego oczekuje się, że schemat zaproponowany w tym artykule opracuje źródła promieniowania o dużej mocy, ultraszerokopasmowe w paśmie terahercowym, z potencjałem do przyszłych zastosowań.
Jako tradycyjne próżniowe urządzenie elektroniczne, lampa z falą biegnącą (TWT) odgrywa niezastąpioną rolę w wielu zastosowaniach, takich jak radary o wysokiej rozdzielczości, systemy komunikacji satelitarnej i eksploracja kosmosu1,2,3. Jednak gdy częstotliwość robocza wchodzi w pasmo terahercowe, tradycyjne TWT ze sprzężoną wnęką i helikalny TWT nie były w stanie zaspokoić potrzeb ludzi ze względu na stosunkowo niską moc wyjściową, wąskie pasmo i trudne procesy produkcyjne. Dlatego wszechstronna poprawa wydajności pasma THz stała się bardzo ważna dotyczył wielu instytucji naukowych. W ostatnich latach nowe struktury wolnofalowe (SWS), takie jak naprzemienne struktury z dwoma ostrzami (SDV) i struktury falowodów sfałdowanych (FW), zyskały duże zainteresowanie ze względu na ich naturalne struktury płaskie, zwłaszcza nowatorskie struktury SDV-SWS o obiecującym potencjale. Struktura ta została zaproponowana przez UC-Davis w 2008 r. całkowicie metalowa konstrukcja obudowy może zapewnić większą pojemność cieplną przy wyższej mocy wyjściowej i wzmocnieniu, a struktura podobna do falowodu może również zapewnić szersze pasmo robocze. Obecnie firma UC Davis po raz pierwszy wykazała w 2017 r., że SDV-TWT może generować sygnały o dużej mocy wyjściowej przekraczającej 100 W i prawie 14 GHz w paśmie G5. Jednak te wyniki nadal mają luki, które nie mogą spełnić powiązanych wymagań dotyczących dużej mocy i szerokiego pasma w paśmie terahercowym. Zastosowano wiązkę elektronów w paśmie G Davisa. Chociaż ten schemat może znacznie poprawić obciążalność wiązki przez prąd, trudno jest utrzymać dużą odległość transmisji ze względu na niestabilność elektronowego układu optycznego wiązki arkusza (EOS), a ponadto istnieje tunel wiązki przeładowanej, co może również powodować samoregulację wiązki.– Wzbudzenie i oscylacja 6,7. Aby spełnić wymagania wysokiej mocy wyjściowej, szerokiego pasma i dobrej stabilności THz TWT, w niniejszym artykule zaproponowano dwuwiązkowy SDV-SWS z pracą w dwóch trybach. Oznacza to, że w celu zwiększenia przepustowości roboczej zaproponowano i wprowadzono w tej strukturze działanie w dwóch trybach. W celu zwiększenia mocy wyjściowej stosuje się również płaski rozkład podwójnych wiązek ołówkowych. Radia z pojedynczą wiązką ołówkową są stosunkowo małe ze względu na ograniczenie rozmiaru w pionie s. Jeśli gęstość prądu jest zbyt wysoka, prąd wiązki musi zostać zmniejszony, co skutkuje stosunkowo niską mocą wyjściową. Aby poprawić prąd wiązki, pojawił się planarny rozproszony wielowiązkowy EOS, który wykorzystuje poprzeczny rozmiar SWS. Dzięki niezależnemu tunelowaniu wiązki, płaski rozproszony wielowiązkowy może osiągnąć wysoką moc wyjściową, utrzymując wysoki całkowity prąd wiązki i mały prąd na wiązkę, co pozwala uniknąć tunelowania wiązki w trybie overmode w porównaniu z urządzeniami z wiązką arkuszową. Dlatego korzystne jest utrzymanie stabilności fali biegnącej tube. Na podstawie wcześniejszych prac8,9, w tym artykule zaproponowano jednolitą wiązkę magnetyczną EOS skupiającą podwójne pole magnetyczne w paśmie G, która może znacznie poprawić stabilną odległość transmisji wiązki i jeszcze bardziej zwiększyć obszar interakcji wiązki, tym samym znacznie poprawiając moc wyjściową.
Struktura tego artykułu jest następująca. Pierwsza, konstrukcja komórek SWS z parametrami, analizą charakterystyki dyspersji i wyników symulacji wysokiej częstotliwości. Następnie, zgodnie ze strukturą komórki elementarnej, podwójne ołówek EOS i system interakcji wiązki są zaprojektowane w niniejszym dokumencie. W wyniku symulacji cząstek w kolorze zimnym są również przedstawione w wynikach Symulacji Cząsteczki z zimnem, a następnie wyniki w porównaniu z Cold. ify poprawność całego HFS. Na pewno wykonaj podsumowanie.
Jako jeden z najważniejszych elementów TWT, właściwości dyspersyjne struktury wolnofalowej wskazują, czy prędkość elektronu odpowiada prędkości fazowej SWS, a tym samym ma duży wpływ na interakcję wiązka-fala. Aby poprawić wydajność całego TWT, zaprojektowano ulepszoną strukturę interakcji. Struktura komórki elementarnej jest pokazana na rysunku 1. Biorąc pod uwagę niestabilność wiązki arkusza i ograniczenie mocy pojedynczej wiązki pióra, struktura przyjmuje podwójną wiązkę pióra, aby jeszcze bardziej poprawić moc wyjściową i stabilność działania.Tymczasem, aby zwiększyć przepustowość roboczą, zaproponowano tryb podwójny do działania SWS. Ze względu na symetrię struktury SDV rozwiązanie równania dyspersji pola elektromagnetycznego można podzielić na tryby nieparzyste i parzyste.
Zgodnie z wymaganiami zasilania, cała rura jest zaprojektowana na napięcie sterujące 20 kV i prąd podwójnej wiązki 2 × 80 mA. Aby jak najbardziej dopasować napięcie do pasma roboczego SDV-SWS, musimy obliczyć długość okresu p. Zależność między napięciem wiązki a okresem przedstawia równanie (1)10:
Ustawiając przesunięcie fazowe na 2,5π przy częstotliwości środkowej 220 GHz, okres p można obliczyć na 0,46 mm. Rysunek 2a pokazuje właściwości dyspersji komórki elementarnej SWS. Linia wiązkowa 20 kV bardzo dobrze pasuje do krzywej bimodalnej. Dopasowane pasma częstotliwości mogą sięgać około 70 GHz w zakresach 210–265,3 GHz (tryb nieparzysty) i 265,4–280 GHz (tryb parzysty) .Rysunek 2b przedstawia średnią impedancję sprzężenia, która jest większa niż 0,6 Ω w zakresie od 210 do 290 GHz, co wskazuje, że w paśmie roboczym mogą wystąpić silne oddziaływania.
( a ) Charakterystyka dyspersji dwumodowego SDV-SWS z linią elektronową 20 kV. ( b ) Impedancja interakcji obwodu wolnofalowego SDV.
Należy jednak zauważyć, że istnieje pasmo wzbronione między trybami nieparzystym i parzystym i zwykle nazywamy to pasmo wzbronione pasmem zaporowym, jak pokazano na rysunku 2a. Jeśli TWT pracuje w pobliżu tego pasma częstotliwości, może wystąpić silna siła sprzężenia wiązki, która doprowadzi do niepożądanych oscylacji. W praktycznych zastosowaniach generalnie unikamy używania TWT w pobliżu pasma zaporowego. powoduje oscylacje. Dlatego stabilność działania wokół pasma zaporowego zostanie zbadana w następnej sekcji symulacji PIC, aby przeanalizować, czy mogą wystąpić niepożądane oscylacje.
Model całego HFS pokazano na rysunku 3. Składa się on z dwóch stopni SDV-SWS, połączonych reflektorami Bragga. Zadaniem reflektora jest odcięcie transmisji sygnału między dwoma stopniami, tłumienie oscylacji i odbicia modów niepracujących, takich jak mod wysokiego rzędu generowany między górnymi i dolnymi łopatkami, co znacznie poprawia stabilność całej tuby. Do połączenia ze środowiskiem zewnętrznym, do połączenia SWS ze standardowym falowodem WR-4 używany jest również liniowy sprzęgacz stożkowy. Współczynnik transmisji struktury dwupoziomowej jest mierzony przez solver w dziedzinie czasu w oprogramowaniu do symulacji 3D. Biorąc pod uwagę rzeczywisty wpływ pasma terahercowego na materiał, materiał obwiedni próżniowej jest początkowo ustawiony na miedź, a przewodność jest zmniejszona do 2,25×107 S/m12.
Rysunek 4 pokazuje wyniki transmisji dla HFS z i bez liniowych sprzęgaczy stożkowych. Wyniki pokazują, że sprzęgacz ma niewielki wpływ na wydajność całego HFS. Straty odbiciowe (S11 < - 10 dB) i straty wtrąceniowe (S21 > - 5 dB) całego systemu w szerokopasmowym paśmie 207~280 GHz pokazują, że HFS ma dobre właściwości transmisyjne.
Jako źródło zasilania elektronicznych urządzeń próżniowych, działo elektronowe bezpośrednio określa, czy urządzenie może generować wystarczającą moc wyjściową. W połączeniu z analizą HFS w sekcji II, należy zaprojektować dwuwiązkowy EOS, aby zapewnić wystarczającą moc. W tej części, w oparciu o wcześniejsze prace w paśmie W8,9, zaprojektowano podwójne działo elektronowe z ołówkiem przy użyciu płaskiej części maski i elektrod kontrolnych. Po pierwsze, zgodnie z wymaganiami projektowymi SWS w sekcji. Jak pokazano na RYS.2, napięcie sterujące Ua wiązek elektronów jest początkowo ustawione na 20 kV, prądy I obu wiązek elektronów wynoszą 80 mA, a średnica wiązki dw wiązek elektronów wynosi 0,13 mm. gęstość katody wynosi 86 A/cm2, co można osiągnąć przez Osiąga się to przy użyciu nowych materiałów katody. Zgodnie z teorią projektowania 14, 15, 16, 17, typowe działo elektronowe Pierce'a można jednoznacznie zidentyfikować.
Rysunek 5 przedstawia odpowiednio poziomy i pionowy schemat działa. Można zauważyć, że profil działa elektronowego w kierunku x jest prawie identyczny z profilem typowego działka elektronowego przypominającego arkusz, podczas gdy w kierunku y dwie wiązki elektronów są częściowo oddzielone maską. Pozycje dwóch katod wynoszą odpowiednio x = – 0,155 mm, y = 0 mm i x = 0,155 mm, y = 0 mm. wymagania dotyczące stopnia sprężania i wielkości wstrzykiwania elektronów, wymiary dwóch powierzchni katodowych określono na 0,91 mm × 0,13 mm.
Aby zogniskowane pole elektryczne otrzymywane przez każdą wiązkę elektronów w kierunku x było symetryczne względem jej własnego środka, w artykule zastosowano elektrodę sterującą do wyrzutni elektronowej. Ustawiając napięcie elektrody skupiającej i elektrody sterującej na −20 kV, a napięcie anody na 0 V, możemy uzyskać rozkład trajektorii wyrzutni dwuwiązkowej, jak pokazano na ryc. 6. Można zauważyć, że emitowane elektrony mają dobrą ściśliwość w kierunku y, a każda wiązka elektronów jest zbieżna w kierunku x wzdłuż własnego środka symetrii, co wskazuje, że elektroda kontrolna równoważy nierówne pole elektryczne generowane przez elektrodę skupiającą.
Rysunek 7 pokazuje obwiednię wiązki w kierunkach x i y. Wyniki pokazują, że odległość rzutu wiązki elektronów w kierunku x jest inna niż w kierunku y. Odległość rzutu w kierunku x wynosi około 4 mm, a odległość rzutu w kierunku y jest bliska 7 mm. Dlatego rzeczywista odległość rzutu powinna być wybrana między 4 a 7 mm. Rysunek 8 pokazuje przekrój poprzeczny wiązki elektronów w odległości 4,6 mm od powierzchni katody. Widzimy że kształt przekroju jest najbliższy standardowej okrągłej wiązce elektronów. Odległość między dwiema wiązkami elektronów jest zbliżona do projektowanych 0,31 mm, a promień wynosi około 0,13 mm, co spełnia wymagania projektowe. Rysunek 9 przedstawia wyniki symulacji prądu wiązki.
Biorąc pod uwagę fluktuacje napięcia sterującego w praktycznych zastosowaniach, konieczne jest zbadanie wrażliwości napięciowej tego modelu. W zakresie napięć 19,8 ~ 20,6 kV uzyskuje się obwiednie prądu i prądu wiązki, jak pokazano na rys. należy uznać, że zaprojektowane w tej pracy działo elektronowe ma dobrą czułość na napięcie.
Wpływ wahań napięcia sterującego na obwiednie wiązki w kierunku x i y.
Jednorodne pole magnetyczne ogniskowania jest powszechnym systemem ogniskowania magnesów trwałych. Ze względu na równomierny rozkład pola magnetycznego w całym kanale wiązki, bardzo dobrze nadaje się do osiowosymetrycznych wiązek elektronów. W tej części zaproponowano jednolity system ogniskowania magnetycznego do utrzymania transmisji podwójnych wiązek ołówkowych na duże odległości. Analizując wygenerowane pole magnetyczne i obwiednię wiązki, zaproponowano schemat projektu systemu ogniskowania i zbadano problem czułości. Zgodnie z teorią stabilnej transmisji pojedynczej wiązki ołówkowej18,19, wartość pola magnetycznego Brillouina można można obliczyć za pomocą równania (2). W tym artykule używamy również tej równoważności do oszacowania pola magnetycznego poprzecznie rozłożonej podwójnej wiązki ołówkowej. W połączeniu z działem elektronowym zaprojektowanym w tym artykule obliczona wartość pola magnetycznego wynosi około 4000 Gs. Zgodnie z Ref.20, 1,5-2 razy obliczona wartość jest zwykle wybierana w praktycznych projektach.
Rysunek 12 przedstawia strukturę jednorodnego układu pola skupiającego pole magnetyczne. Część niebieska to magnes trwały namagnesowany w kierunku osiowym. Wybór materiału to NdFeB lub FeCoNi. Remanencja Br ustawiona w modelu symulacyjnym wynosi 1,3 T, a przepuszczalność 1,05. Aby zapewnić stabilną transmisję wiązki w całym obwodzie, długość magnesu jest wstępnie ustawiona na 70 mm. Dodatkowo rozmiar magnesu w kierunku x określa, czy poprzeczny pole magnetyczne w kanale wiązki jest jednorodne, co wymaga, aby rozmiar w kierunku x nie był zbyt mały. Jednocześnie, biorąc pod uwagę koszt i wagę całej tuby, rozmiar magnesu nie powinien być zbyt duży. Dlatego magnesy są wstępnie ustawione na 150 mm × 150 mm × 70 mm. Tymczasem, aby cały obwód wolnofalowy mógł zostać umieszczony w układzie ogniskowania, odległość między magnesami jest ustawiona na 20 mm.
W 2015 roku Purna Chandra Panda21 zaproponowała nabiegunnik z nowym schodkowym otworem w jednolitym magnetycznym systemie ogniskowania, który może jeszcze bardziej zmniejszyć wielkość wycieku strumienia do katody i poprzeczne pole magnetyczne generowane w otworze nabiegunnika. pokazano na rysunku 13.
Rysunek 14a przedstawia osiowy rozkład pola magnetycznego wzdłuż linii środkowych dwóch wiązek elektronów. Można zauważyć, że siły pola magnetycznego wzdłuż dwóch wiązek elektronów są równe. Wartość pola magnetycznego wynosi około 6000 Gs, co stanowi 1,5-krotność teoretycznego pola Brillouina w celu zwiększenia wydajności transmisji i ogniskowania. Jednocześnie pole magnetyczne na katodzie wynosi prawie 0, co wskazuje, że nabiegunnik ma dobry wpływ na zapobieganie wyciekom strumienia magnetycznego. rozkład pola magnetycznego By w kierunku z na górnej krawędzi obu wiązek elektronów. Widać, że poprzeczne pole magnetyczne jest mniejsze niż 200 Gs tylko w otworze nabiegunnika, podczas gdy w obwodzie wolnofalowym poprzeczne pole magnetyczne jest bliskie zeru, co dowodzi, że wpływ poprzecznego pola magnetycznego na wiązkę elektronów jest pomijalny. Aby zapobiec nasyceniu magnetycznemu nabiegunników, konieczne jest zbadanie natężenia pola magnetycznego wewnątrz nabiegunników. wewnątrz nabiegunnika. Można zauważyć, że bezwzględna wartość natężenia pola magnetycznego jest mniejsza niż 1,2 T, co wskazuje, że nasycenie magnetyczne nabiegunnika nie nastąpi.
Rozkład natężenia pola magnetycznego dla Br = 1,3 T.(a) Rozkład pola osiowego.(b) Rozkład pola poprzecznego By w kierunku z.(c) Bezwzględna wartość rozkładu pola w nabiegunniku.
W oparciu o moduł CST PS zoptymalizowano osiowe względne położenie pistoletu dwuwiązkowego i systemu ogniskowania. Zgodnie z ref.9 i symulacje, optymalna lokalizacja to miejsce, w którym anoda zachodzi na biegun z dala od magnesu. Stwierdzono jednak, że jeśli remanencja została ustawiona na 1,3 T, transmitancja wiązki elektronów nie może osiągnąć 99%. Zwiększając remanencję do 1,4 T, skupiające pole magnetyczne wzrośnie do 6500 Gs. Trajektorie wiązki na płaszczyznach xoz i yoz pokazano na rysunku 15. Można zauważyć, że wiązka dobra transmisja, małe fluktuacje i odległość transmisji większa niż 45mm.
Trajektorie podwójnych wiązek ołówkowych w jednorodnym układzie magnetycznym o Br = 1,4 T.(a) płaszczyzna xoz.(b) samolot yoz.
Rysunek 16 przedstawia przekrój poprzeczny wiązki w różnych położeniach od katody. Można zauważyć, że kształt przekroju wiązki w układzie ogniskowania jest dobrze zachowany, a średnica przekroju niewiele się zmienia. Rysunek 17 przedstawia obwiednie wiązki odpowiednio w kierunkach x i y. Można zauważyć, że fluktuacja wiązki w obu kierunkach jest bardzo mała. Rysunek 18 przedstawia wyniki symulacji prądu wiązki. obliczoną wartość w projekcie wyrzutni elektronowej.
Przekrój poprzeczny wiązki elektronów (z układem ogniskowania) w różnych położeniach od katody.
Biorąc pod uwagę szereg problemów, takich jak błędy montażowe, fluktuacje napięcia i zmiany siły pola magnetycznego w praktycznych zastosowaniach przetwarzania, konieczne jest przeanalizowanie wrażliwości systemu ostrości. Zdecydowanie istnieje luka między kawałkiem anody a biegunem w rzeczywistym przetwarzaniu, należy ustawić zmianę w kierunku, w której wynika, że ​​wyniki zmiany. Koperta nie jest znacząca, a prąd wiązki prawie się nie zmienia. Dlatego system jest niewrażliwy na błędy montażowe. W przypadku fluktuacji napięcia napędowego zakres błędów jest ustawiony na ± 0,5 kv Można zauważyć, że obwiedni wiązki prawie się nie zmienia, co oznacza, że ​​cały EOS jest niewrażliwy na zmiany siły pola magnetycznego.
Obwiednia wiązki i wyniki prądu przy jednolitym systemie ogniskowania magnetycznego. (a) Tolerancja montażu wynosi 0,2 mm. (b) Wahania napięcia sterującego wynoszą ± 0,5 kV.
Obwiednia wiązki pod jednolitym magnetycznym systemem ogniskowania z osiowymi wahaniami natężenia pola magnetycznego w zakresie od 0,63 do 0,68 T.
Aby upewnić się, że system ogniskowania zaprojektowany w tym artykule może pasować do HFS, konieczne jest połączenie systemu ogniskowania i HFS do badań. Rysunek 21 pokazuje porównanie obwiedni wiązki z i bez załadowanego HFS. Wyniki pokazują, że obwiednia wiązki nie zmienia się znacznie, gdy załadowany jest cały HFS. Dlatego system ogniskowania jest odpowiedni dla lampy HFS z falą bieżącą o powyższej konstrukcji.
Aby zweryfikować poprawność EOS zaproponowanego w rozdziale III i zbadać wydajność SDV-TWT 220 GHz, przeprowadzana jest symulacja 3D-PIC interakcji wiązki z falą. Ze względu na ograniczenia oprogramowania symulacyjnego nie byliśmy w stanie dodać całego EOS do HFS. Dlatego działo elektronowe zostało zastąpione równoważną powierzchnią emitującą o średnicy 0,13 mm i odległości między dwiema powierzchniami 0,31 mm, czyli takimi samymi parametrami, jak zaprojektowane powyżej działo elektronowe. Dzięki nieczułości i dobrej stabilności EOS napięcie sterujące można odpowiednio zoptymalizować, aby uzyskać najlepszą moc wyjściową w symulacji PIC. Wyniki symulacji pokazują, że nasyconą moc wyjściową i wzmocnienie można uzyskać przy napięciu sterującym 20,6 kV, prądzie wiązki 2 × 80 mA (603 A/cm2) i mocy wejściowej 0,05 W.
Aby uzyskać najlepszy sygnał wyjściowy, należy również zoptymalizować liczbę cykli. Najlepszą moc wyjściową uzyskuje się, gdy liczba dwóch etapów wynosi 42 + 48 cykli, jak pokazano na rysunku 22a. Sygnał wejściowy o mocy 0,05 W jest wzmacniany do 314 W ze wzmocnieniem 38 dB. Widmo mocy wyjściowej uzyskane za pomocą szybkiej transformaty Fouriera (FFT) jest czyste, osiągając szczyt przy 220 GHz. Rysunek 22b przedstawia osiowy rozkład energii elektronów w SWS, przy czym większość elektronów traci energię. Wynik ten wskazuje, że SDV-SWS może przekształcać energię kinetyczną elektronów w sygnały RF, realizując w ten sposób wzmocnienie sygnału.
Sygnał wyjściowy SDV-SWS przy 220 GHz.(a) Moc wyjściowa z uwzględnieniem widma.(b) Rozkład energii elektronów z wiązką elektronów na końcu wstawki SWS.
Rysunek 23 przedstawia pasmo mocy wyjściowej i wzmocnienie dwumodowego SDV-TWT z podwójną wiązką. Wydajność wyjściową można jeszcze poprawić, przesuwając częstotliwości z 200 do 275 GHz i optymalizując napięcie napędu. Wynik ten pokazuje, że pasmo 3 dB może obejmować 205 do 275 GHz, co oznacza, że ​​praca w dwóch trybach może znacznie poszerzyć pasmo operacyjne.
Jednak zgodnie z rys. 2a wiemy, że istnieje pasmo zatrzymania między modami nieparzystymi i parzystymi, co może prowadzić do niepożądanych oscylacji. Dlatego należy zbadać stabilność pracy wokół przystanków. Rysunki 24a-c przedstawiają wyniki symulacji 20 ns przy odpowiednio 265,3 GHz, 265,35 GHz i 265,4 GHz. Można zauważyć, że chociaż wyniki symulacji mają pewne wahania, moc wyjściowa jest stosunkowo stabilna. jak pokazano odpowiednio na rysunku 24, widmo jest czyste. Wyniki te wskazują, że nie ma samooscylacji w pobliżu pasma zaporowego.
Wykonanie i pomiary są niezbędne do zweryfikowania poprawności całego HFS. W tej części HFS jest wytwarzany przy użyciu technologii komputerowego sterowania numerycznego (CNC) przy użyciu narzędzia o średnicy 0,1 mm i dokładności obróbki 10 μm. Materiałem na strukturę wysokiej częstotliwości jest miedź beztlenowa o wysokim przewodnictwie (OFHC). 0 mm i wysokości 8,66 mm. Osiem otworów na szpilki jest rozmieszczonych wokół struktury. Rysunek 25b przedstawia strukturę za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Ostrza tej struktury są równomiernie wytwarzane i mają dobrą chropowatość powierzchni. Po dokładnym pomiarze całkowity błąd obróbki jest mniejszy niż 5%, a chropowatość powierzchni wynosi około 0,4 μm. Struktura obróbki spełnia wymagania dotyczące projektu i precyzji.
Rysunek 26 pokazuje porównanie między rzeczywistymi wynikami testów i symulacjami wydajności przekładni. Port 1 i Port 2 na rysunku 26a odpowiadają odpowiednio portom wejściowym i wyjściowym HFS i są równoważne portom 1 i Port 4 na rysunku 3. Rzeczywiste wyniki pomiarów S11 są nieco lepsze niż wyniki symulacji. Ogólnie rzecz biorąc, zmierzone wyniki są zgodne z wynikami symulacji, a szerokość pasma transmisji spełnia wymaganie 70 GHz, co weryfikuje wykonalność i poprawność proponowanego dwumodowego SDV-TWT. Dlatego w połączeniu z rzeczywistym procesem produkcyjnym i wynikami testów zaproponowany w tym artykule ultraszerokopasmowy dwuwiązkowy projekt SDV-TWT może być wykorzystany do późniejszej produkcji i zastosowań.
W artykule przedstawiono szczegółowy projekt dwuwiązkowego SDV-TWT z dwuwiązkową dystrybucją planarną 220 GHz. Połączenie pracy w dwóch trybach i wzbudzenia dwuwiązkowego dodatkowo zwiększa szerokość pasma roboczego i moc wyjściową. Przeprowadzane są również testy fabryczne i zimne, aby zweryfikować poprawność całego HFS.Rzeczywiste wyniki pomiarów są zgodne z wynikami symulacji. W przypadku zaprojektowanego dwuwiązkowego EOS sekcja maski i elektrody kontrolne zostały użyte razem do wytworzenia wiązki dwuołówkowej. W zaprojektowanym jednorodnym skupiającym polu magnetycznym wiązka elektronów może być stabilnie przesyłana na duże odległości z dobrym kształtem. W przyszłości zostanie przeprowadzona produkcja i testowanie EOS, a także zostanie przeprowadzony test termiczny całego TWT. , i wykazuje duży potencjał wskaźników wydajności oraz przetwarzania i montażu. Dlatego w niniejszym artykule uważa się, że planarna struktura najprawdopodobniej stanie się trendem rozwojowym próżniowych urządzeń elektronicznych w paśmie terahercowym.
Większość surowych danych i modeli analitycznych w tym badaniu została zawarta w tym artykule. Dalsze istotne informacje można uzyskać od odpowiedniego autora na uzasadnioną prośbę.
Gamzina, D. et al. Nanoskalowa obróbka CNC sub-terahercowej elektroniki próżniowej. IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. i Paoloni, C. Mikrofabrykacja UV-LIGA falowodów sub-terahercowych przy użyciu wielowarstwowej fotomaski SU-8.J.Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS i in. 2017 Mapa drogowa technologii 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 Silne ograniczenie propagacji fali plazmonicznej przez ultraszerokopasmowe falowody z podwójną siatką.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al.Performance of a Nano CNC Machined 220-GHz Traveling Wave Tube Amplifier.IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Badanie niestabilności diokotronowej nieskończenie szerokich wiązek elektronów arkuszowych przy użyciu teorii modelu makroskopowego zimnego płynu. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV na temat możliwości zwiększenia przepustowości przez płaski układ wiązki w klistronie wielowiązkowym. W 12. IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, Indie, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ i wsp. Projektowanie trójwiązkowych dział elektronowych z rozkładem płaszczyzny podziału wąskiej wiązki w rozłożonej dwułopatkowej rurze fali bieżącej w paśmie 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 Planar rozproszony trójwiązkowy elektronowy układ optyczny z wąską separacją wiązek dla trybu podstawowego pasma W TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Badania nad przeplatanymi podwójnymi ostrzami z falą biegnącą z wiązkami blachy fal milimetrowych 20-22 (doktorat, Uniwersytet Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Badanie stabilności interakcji między wiązkami fali przeplatanej dwułopatkowej tuby falowej w paśmie G. 2018 43rd International Conference on Infrared Millimeter and Terahertz Waves, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 18).