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Neste artigo, um tubo de ondas progressivas de lâmina dupla intercalado de alta potência e banda larga de 220 GHz é projetado e verificado. Primeiro, é proposta uma estrutura planar de onda lenta de lâmina dupla escalonada de feixe duplo. Usando um esquema de operação de modo duplo, o desempenho de transmissão e a largura de banda são quase o dobro do modo único. 21 kV e a corrente é 2 × 80 mA. Objetivos do projeto. Usando a parte da máscara e o eletrodo de controle na arma de feixe duplo, os dois feixes de lápis podem ser focados ao longo de seus respectivos centros com uma taxa de compressão de 7, a distância de foco é de cerca de 0,18 mm e a estabilidade é boa. O sistema de foco magnético uniforme também foi otimizado. (HFS). Em seguida, para verificar a usabilidade do sistema eletrônico-óptico e o desempenho da estrutura de onda lenta, também foram realizadas simulações de célula de partícula (PIC) em todo o HFS. Os resultados mostram que o sistema de interação de feixe pode atingir uma potência de saída de pico de quase 310 W a 220 GHz, a tensão de feixe otimizada é de 20,6 kV, a corrente de feixe é de 2 × 80 mA, o ganho é de 38 dB e a largura de banda de 3 dB excede 35 dB cerca de 70 GHz. Finalmente, a fabricação de microestrutura de alta precisão é realizada para verificar o desempenho do HFS, e os resultados mostram que as características de largura de banda e transmissão estão de acordo com os resultados da simulação.
Como um dispositivo eletrônico a vácuo tradicional, o tubo de onda viajante (TWT) desempenha um papel insubstituível em muitas aplicações, como radar de alta resolução, sistemas de comunicação por satélite e exploração espacial1,2,3. No entanto, à medida que a frequência operacional entra na banda terahertz, o TWT tradicional de cavidade acoplada e o TWT helicoidal não conseguiram atender às necessidades das pessoas devido à potência de saída relativamente baixa, largura de banda estreita e processos de fabricação difíceis. Portanto, como melhorar de forma abrangente o desempenho da banda THz tornou-se uma questão muito preocupante para muitas instituições de pesquisa científica.Nos últimos anos, novas estruturas de ondas lentas (SWSs), como estruturas escalonadas de lâmina dupla (SDV) e estruturas de guia de ondas dobradas (FW), receberam grande atenção devido às suas estruturas planares naturais, especialmente os novos SDV-SWSs com potencial promissor.Essa estrutura foi proposta pela UC-Davis em 20084. a estrutura do pacote pode fornecer maior capacidade térmica com maior potência e ganho de saída, e a estrutura do tipo guia de onda também pode fornecer uma largura de banda de trabalho mais ampla. Atualmente, a UC Davis demonstrou pela primeira vez em 2017 que o SDV-TWT pode gerar saídas de alta potência superiores a 100 W e sinais de largura de banda de quase 14 GHz na banda G5. No entanto, esses resultados ainda têm lacunas que não podem atender aos requisitos relacionados de alta potência e largura de banda larga na banda terahertz. Banda G SDV-TWT, feixes de elétrons de folha foram usados. Embora este esquema possa melhorar significativamente a capacidade de transporte de corrente do feixe, é difícil manter uma longa distância de transmissão devido à instabilidade do sistema óptico de elétrons de feixe de folha (EOS), e há um túnel de feixe de modo excessivo, que também pode fazer com que o feixe se auto-regule.- Excitação e oscilação 6,7. Para atender aos requisitos de alta potência de saída, largura de banda larga e boa estabilidade de THz TWT, um SDV-SWS de feixe duplo com operação em modo duplo é proposto neste documento. Ou seja, para aumentar a largura de banda operacional, a operação em modo duplo é proposta e introduzida nesta estrutura. E, para aumentar a potência de saída, também é usada uma distribuição planar de feixes de lápis duplos. Rádios de feixe de lápis único são relativamente pequenos devido a restrições de tamanho vertical. Se a densidade de corrente for muito alta, a corrente do feixe deve ser reduzida, resultando em uma potência de saída relativamente baixa. Para melhorar a corrente do feixe, surgiu o EOS multifeixe distribuído planar, que explora o tamanho lateral do SWS. Devido ao tunelamento independente do feixe, o feixe múltiplo distribuído planar pode atingir alta potência de saída mantendo uma corrente total de feixe alta e uma pequena corrente por feixe, o que pode evitar o tunelamento de feixe overmode em comparação com os dispositivos de feixe de folha. Portanto, é benéfico manter a estabilidade do tubo de ondas progressivas. Com base de trabalhos anteriores8,9, este artigo propõe um campo magnético uniforme de banda G com foco em feixe de lápis duplo EOS, que pode melhorar muito a distância de transmissão estável do feixe e aumentar ainda mais a área de interação do feixe, melhorando bastante a potência de saída.
A estrutura deste artigo é a seguinte. Primeiro, o projeto da célula SWS com parâmetros, análise de características de dispersão e resultados de simulação de alta frequência são descritos. Em seguida, de acordo com a estrutura da célula unitária, um feixe duplo EOS e um sistema de interação de feixe são projetados neste artigo. Os resultados da simulação de partículas intracelulares também são apresentados para verificar a usabilidade do EOS e o desempenho do SDV-TWT. Além disso, o artigo apresenta brevemente os resultados da fabricação e do teste a frio para verificar a exatidão de todo o HFS. Por fim, faça um resumo.
Como um dos componentes mais importantes do TWT, as propriedades dispersivas da estrutura de onda lenta indicam se a velocidade do elétron corresponde à velocidade de fase do SWS e, portanto, tem uma grande influência na interação feixe-onda. Para melhorar o desempenho de todo o TWT, uma estrutura de interação aprimorada foi projetada.Enquanto isso, a fim de aumentar a largura de banda de trabalho, um modo duplo foi proposto para operar SWS. Devido à simetria da estrutura SDV, a solução da equação de dispersão do campo eletromagnético pode ser dividida em modos ímpares e pares.Ao mesmo tempo, o modo ímpar fundamental da banda de baixa frequência e o modo fundamental par da banda de alta frequência são usados ​​para realizar a sincronização de banda larga da interação do feixe, melhorando assim ainda mais a largura de banda de trabalho.
De acordo com os requisitos de energia, todo o tubo é projetado com uma tensão de condução de 20 kV e uma corrente de feixe duplo de 2 × 80 mA. Para combinar a tensão o mais próximo possível da largura de banda operacional do SDV-SWS, precisamos calcular a duração do período p. A relação entre a tensão do feixe e o período é mostrada na equação (1)10:
Ao definir a mudança de fase para 2,5π na frequência central de 220 GHz, o período p pode ser calculado em 0,46 mm. A Figura 2a mostra as propriedades de dispersão da célula unitária SWS. A linha de luz de 20 kV corresponde muito bem à curva bimodal. As bandas de frequência correspondentes podem atingir cerca de 70 GHz na faixa de 210–265,3 GHz (modo ímpar) e 265,4–280 GHz (modo par) s. A Figura 2b mostra a impedância de acoplamento média, que é maior que 0,6 Ω de 210 a 290 GHz, indicando que fortes interações podem ocorrer na largura de banda operacional.
(a) Características de dispersão de um SDV-SWS de modo duplo com uma linha de luz de elétrons de 20 kV. (b) Impedância de interação do circuito de onda lenta SDV.
No entanto, é importante observar que existe um intervalo de banda entre os modos ímpar e par, e geralmente nos referimos a esse intervalo de banda como a banda de parada, conforme mostrado na Figura 2a. Se o TWT for operado próximo a essa faixa de frequência, pode ocorrer forte força de acoplamento do feixe, o que levará a oscilações indesejadas.Em aplicações práticas, geralmente evitamos usar TWT perto da banda de interrupção. No entanto, pode-se ver que o intervalo de banda dessa estrutura de onda lenta é de apenas 0,1 GHz. oscilações. Portanto, a estabilidade da operação em torno da banda de parada será investigada na próxima seção de simulação PIC para analisar se oscilações indesejadas podem ocorrer.
O modelo de todo o HFS é mostrado na Figura 3.Consiste em dois estágios de SDV-SWS, conectados por refletores de Bragg.A função do refletor é cortar a transmissão do sinal entre os dois estágios, suprimir a oscilação e reflexão de modos não funcionais, como modos de alta ordem gerados entre as lâminas superior e inferior, melhorando assim muito a estabilidade de todo o tubo.Para conexão com o ambiente externo, um acoplador cônico linear também é usado para conectar o SWS a um guia de ondas padrão WR-4.O coeficiente de transmissão da estrutura de dois níveis é medido por um solucionador de domínio de tempo no software de simulação 3D. Considerando o efeito real da banda terahertz no material, o material do envelope de vácuo é inicialmente definido como cobre e a condutividade é reduzida para 2,25 × 107 S/m12.
A Figura 4 mostra os resultados de transmissão para HFS com e sem acopladores cônicos lineares. Os resultados mostram que o acoplador tem pouco efeito no desempenho de transmissão de todo o HFS. A perda de retorno (S11 < − 10 dB) e a perda de inserção (S21 > − 5 dB) de todo o sistema na banda larga de 207 ~ 280 GHz mostram que o HFS tem boas características de transmissão.
Como fonte de alimentação de dispositivos eletrônicos a vácuo, o canhão de elétrons determina diretamente se o dispositivo pode gerar potência de saída suficiente. Combinado com a análise de HFS na Seção II, um EOS de feixe duplo precisa ser projetado para fornecer energia suficiente.2, a tensão de condução Ua dos feixes de elétrons é inicialmente ajustada para 20 kV, as correntes I dos dois feixes de elétrons são ambas de 80 mA e o diâmetro do feixe dw dos feixes de elétrons é de 0,13 mm. do cátodo é 86 A/cm2, o que pode ser alcançado por Isso é obtido usando novos materiais de cátodo. De acordo com a teoria de design 14, 15, 16, 17, um canhão de elétrons típico da Pierce pode ser identificado exclusivamente.
A Figura 5 mostra os diagramas esquemáticos horizontal e vertical do canhão, respectivamente. Pode-se ver que o perfil do canhão de elétrons na direção x é quase idêntico ao de um canhão de elétrons tipo folha típico, enquanto na direção y os dois feixes de elétrons são parcialmente separados pela máscara. requisitos de taxa de compressão e tamanho de injeção de elétrons, as dimensões das duas superfícies do cátodo são determinadas como 0,91 mm × 0,13 mm.
A fim de tornar o campo elétrico focalizado recebido por cada feixe de elétrons na direção x simétrico em relação ao seu próprio centro, este artigo aplica um eletrodo de controle ao canhão de elétrons. Ao definir a tensão do eletrodo de foco e do eletrodo de controle para -20 kV e a tensão do ânodo para 0 V, podemos obter a distribuição da trajetória do canhão de feixe duplo, conforme mostrado na Fig. 6. Pode-se ver que os elétrons emitidos têm boa compressibilidade na direção y e cada feixe de elétrons converge para o direção x ao longo de seu próprio centro de simetria, o que indica que o eletrodo de controle equilibra o campo elétrico desigual gerado pelo eletrodo de foco.
A Figura 7 mostra o envelope do feixe nas direções x e y. Os resultados mostram que a distância de projeção do feixe de elétrons na direção x é diferente daquela na direção y. A distância de projeção na direção x é de cerca de 4 mm e a distância de projeção na direção y é próxima de 7 mm. Portanto, a distância real de projeção deve ser escolhida entre 4 e 7 mm. A Figura 8 mostra a seção transversal do feixe de elétrons a 4,6 mm da superfície do cátodo. Podemos ver que a forma da seção transversal é o mais próximo de um feixe de elétrons circular padrão. A distância entre os dois feixes de elétrons é próxima dos 0,31 mm projetados e o raio é de cerca de 0,13 mm, o que atende aos requisitos do projeto. A Figura 9 mostra os resultados da simulação da corrente do feixe. Pode-se ver que as duas correntes do feixe são 76 mA, o que está de acordo com os 80 mA projetados.
Considerando a flutuação da tensão de condução em aplicações práticas, é necessário estudar a sensibilidade de tensão deste modelo.Na faixa de tensão de 19,8 ~ 20,6 kV, os envelopes de corrente e corrente do feixe são obtidos, conforme mostrado na Figura 1 e Figura 1.10 e 11. A partir dos resultados, pode-se ver que a mudança da tensão de condução não tem efeito no envelope do feixe de elétrons, e a corrente do feixe de elétrons muda apenas de 0,74 para 0,78 A.Portanto, pode-se considerar que o O canhão de elétrons projetado neste artigo tem uma boa sensibilidade à voltagem.
O efeito das flutuações de tensão de acionamento nos envelopes do feixe nas direções x e y.
Um campo de focagem magnética uniforme é um sistema de focagem de ímã permanente comum. Devido à distribuição uniforme do campo magnético em todo o canal do feixe, é muito adequado para feixes de elétrons axissimétricos. equação (2).Neste artigo, também usamos esta equivalência para estimar o campo magnético de um feixe de lápis duplo distribuído lateralmente.Combinado com o canhão de elétrons projetado neste artigo, o valor do campo magnético calculado é de cerca de 4000 Gs.De acordo com a Ref.20, 1,5-2 vezes o valor calculado é geralmente escolhido em projetos práticos.
A Figura 12 mostra a estrutura de um sistema de campo de foco de campo magnético uniforme.A parte azul é o ímã permanente magnetizado na direção axial.A seleção do material é NdFeB ou FeCoNi.A remanência Br definida no modelo de simulação é 1,3 T e a permeabilidade é 1,05.Para garantir a transmissão estável do feixe em todo o circuito, o comprimento do ímã é inicialmente definido para 70 mm.Além disso, o tamanho do ímã na direção x determina se o campo magnético transversal no canal do feixe é uniforme, o que requer que o tamanho na direção x não possa ser muito pequeno.Ao mesmo tempo, considerando o custo e o peso de todo o tubo, o tamanho do ímã não deve ser muito grande.Portanto, os ímãs são inicialmente ajustados para 150 mm × 150 mm × 70 mm.Enquanto isso, para garantir que todo o circuito de ondas lentas possa ser colocado no sistema de focagem, a distância entre os ímãs é ajustada para 20 mm.
Em 2015, Purna Chandra Panda21 propôs uma peça polar com um novo orifício escalonado em um sistema de focagem magnética uniforme, que pode reduzir ainda mais a magnitude do vazamento de fluxo para o cátodo e o campo magnético transversal gerado no orifício da peça polar. mostrado na Figura 13.
A Figura 14a mostra a distribuição do campo magnético axial ao longo das linhas centrais dos dois feixes de elétrons. Pode-se ver que as forças do campo magnético ao longo dos dois feixes de elétrons são iguais. O valor do campo magnético é de cerca de 6000 Gs, que é 1,5 vezes o campo teórico de Brillouin para aumentar o desempenho de transmissão e foco. Ao mesmo tempo, o campo magnético no cátodo é quase 0, indicando que a peça polar tem um bom efeito na prevenção do vazamento de fluxo magnético. Na direção z na borda superior dos dois feixes de elétrons. Pode-se ver que o campo magnético transversal é inferior a 200 Gs apenas no orifício da peça polar, enquanto no circuito de onda lenta, o campo magnético transversal é quase zero, o que prova que a influência do campo magnético transversal no feixe de elétrons é desprezível. Para evitar a saturação magnética das peças polares, é necessário estudar a intensidade do campo magnético dentro das peças polares. Pode-se observar que o valor absoluto da intensidade do campo magnético é inferior a 1,2T, indicando que não ocorrerá a saturação magnética da peça polar.
Distribuição da intensidade do campo magnético para Br = 1,3 T.(a) Distribuição do campo axial.(b) Distribuição do campo lateral By na direção z.(c) Valor absoluto da distribuição do campo dentro da peça polar.
Com base no módulo CST PS, a posição relativa axial da pistola de feixe duplo e o sistema de focagem são otimizados. De acordo com a Ref.9 e simulações, a localização ideal é onde a peça do ânodo se sobrepõe à peça do pólo longe do ímã. No entanto, descobriu-se que se a remanência fosse definida como 1,3 T, a transmitância do feixe de elétrons não poderia atingir 99%. Ao aumentar a remanência para 1,4 T, o campo magnético de focagem será aumentado para 6500 Gs. tem boa transmissão, pequena flutuação e uma distância de transmissão superior a 45 mm.
Trajetórias de feixes duplos em forma de lápis sob um sistema magnético homogêneo com Br = 1,4 T.(a) plano xoz.(b) aeronave yoz.
A Figura 16 mostra a seção transversal do feixe em diferentes posições longe do cátodo. Pode-se ver que a forma da seção do feixe no sistema de focagem é bem mantida e o diâmetro da seção não muda muito. A Figura 17 mostra os envelopes do feixe nas direções x e y, respectivamente. Pode-se ver que a flutuação do feixe em ambas as direções é muito pequena. A Figura 18 mostra os resultados da simulação da corrente do feixe. valor no projeto do canhão de elétrons.
Seção transversal do feixe de elétrons (com sistema de foco) em diferentes posições longe do cátodo.
Considerando uma série de problemas, como erros de montagem, flutuações de tensão e mudanças na intensidade do campo magnético em aplicações práticas de processamento, é necessário analisar a sensibilidade do sistema de focagem. Como há uma lacuna entre a peça do ânodo e a peça polar no processamento real, essa lacuna precisa ser definida na simulação. O valor da lacuna foi definido como 0,2 mm e a Figura 19a mostra o envelope do feixe e a corrente do feixe na direção y. Esse resultado mostra que a mudança no envelope do feixe não é significativa e a corrente do feixe quase não muda. Portanto, o sistema está em sensível a erros de montagem. Para a flutuação da tensão de condução, a faixa de erro é definida como ± 0,5 kV. A Figura 19b mostra os resultados da comparação. Pode-se ver que a mudança de tensão tem pouco efeito no envelope do feixe. A faixa de erro é definida de -0,02 a +0,03 T para mudanças na intensidade do campo magnético. Os resultados da comparação são mostrados na Figura 20. Pode-se ver que o envelope do feixe dificilmente muda, o que significa que todo o EOS é insensível a mudanças na intensidade do campo magnético.
O envelope do feixe e os resultados da corrente sob um sistema de focagem magnética uniforme. (a) A tolerância de montagem é de 0,2 mm. (b) A flutuação da tensão de acionamento é de ± 0,5 kV.
Envelope de feixe sob um sistema de focagem magnética uniforme com flutuações de força de campo magnético axial variando de 0,63 a 0,68 T.
Para garantir que o sistema de focagem projetado neste documento possa corresponder ao HFS, é necessário combinar o sistema de focagem e o HFS para pesquisa. A Figura 21 mostra uma comparação de envelopes de feixe com e sem HFS carregado.
Para verificar a exatidão do EOS proposto na Seção III e investigar o desempenho do SDV-TWT de 220 GHz, é realizada uma simulação 3D-PIC da interação feixe-onda. Vity e boa estabilidade do EOS, a tensão de condução pode ser adequadamente otimizada para alcançar a melhor potência de saída na simulação PIC. Os resultados da simulação mostram que a potência de saída saturada e o ganho podem ser obtidos em uma tensão de condução de 20,6 kV, uma corrente de feixe de 2 × 80 mA (603 A/cm2) e uma potência de entrada de 0,05 W.
Para obter o melhor sinal de saída, o número de ciclos também precisa ser otimizado. A melhor potência de saída é obtida quando o número de dois estágios é 42 + 48 ciclos, conforme mostrado na Figura 22a. Um sinal de entrada de 0,05 W é amplificado para 314 W com um ganho de 38 dB. o SWS, com a maioria dos elétrons perdendo energia. Esse resultado indica que o SDV-SWS pode converter a energia cinética dos elétrons em sinais de RF, realizando assim a amplificação do sinal.
Sinal de saída SDV-SWS em 220 GHz.(a) Potência de saída com espectro incluído.(b) Distribuição de energia de elétrons com o feixe de elétrons no final da inserção SWS.
A Figura 23 mostra a largura de banda de potência de saída e o ganho de um SDV-TWT de feixe duplo de modo duplo. O desempenho da saída pode ser melhorado ainda mais com frequências de varredura de 200 a 275 GHz e otimização da tensão do inversor. Esse resultado mostra que a largura de banda de 3 dB pode abranger 205 a 275 GHz, o que significa que a operação em modo duplo pode ampliar bastante a largura de banda operacional.
No entanto, de acordo com a Fig. 2a, sabemos que existe uma banda de parada entre os modos ímpar e par, o que pode levar a oscilações indesejadas. Portanto, a estabilidade do trabalho em torno das paradas precisa ser estudada. As Figuras 24a-c são os resultados da simulação de 20 ns em 265,3 GHz, 265,35 GHz e 265,4 GHz, respectivamente. Pode-se ver que, embora os resultados da simulação tenham algumas flutuações, a potência de saída é relativamente estável. O espectro também é mostrado na Figura 24, respectivamente, o espectro é puro. Esses resultados indicam que não há auto-oscilação perto da banda de parada.
Fabricação e medição são necessárias para verificar a exatidão de todo o HFS. Nesta parte, o HFS é fabricado usando tecnologia de controle numérico computadorizado (CNC) com um diâmetro de ferramenta de 0,1 mm e uma precisão de usinagem de 10 μm. O material para a estrutura de alta frequência é fornecido por cobre de alta condutividade (OFHC) isento de oxigênio. A Figura 25a mostra a estrutura fabricada. uma altura de 8,66 mm. Oito furos de pino são distribuídos ao redor da estrutura. A Figura 25b mostra a estrutura por microscopia eletrônica de varredura (SEM). As lâminas desta estrutura são produzidas uniformemente e têm boa rugosidade de superfície. Após medição precisa, o erro geral de usinagem é inferior a 5% e a rugosidade da superfície é de cerca de 0,4 μm. A estrutura de usinagem atende aos requisitos de projeto e precisão.
A Figura 26 mostra a comparação entre os resultados reais do teste e as simulações do desempenho da transmissão. A Porta 1 e a Porta 2 na Figura 26a correspondem às portas de entrada e saída do HFS, respectivamente, e são equivalentes à Porta 1 e à Porta 4 na Figura 3. Os resultados reais da medição do S11 são ligeiramente melhores do que os resultados da simulação. No geral, os resultados medidos estão de acordo com os resultados da simulação e a largura de banda de transmissão atende ao requisito de 70 GHz, o que verifica a viabilidade e a correção do SDV-TWT de modo duplo proposto. Portanto, combinado com o processo de fabricação real e os resultados do teste, o projeto SDV-TWT de feixe duplo de banda ultralarga proposto neste artigo pode ser usado para fabricação e aplicações subsequentes.
Neste artigo, é apresentado um projeto detalhado de um SDV-TWT de feixe duplo de distribuição planar de 220 GHz. A combinação de operação de modo duplo e excitação de feixe duplo aumenta ainda mais a largura de banda operacional e a potência de saída. A fabricação e o teste a frio também são realizados para verificar a exatidão de todo o HFS.Os resultados reais da medição estão de acordo com os resultados da simulação. Para o EOS de dois feixes projetado, uma seção de máscara e eletrodos de controle foram usados ​​juntos para produzir um feixe de dois lápis. Sob o campo magnético de foco uniforme projetado, o feixe de elétrons pode ser transmitido de forma estável por longas distâncias com boa forma. mostra grande potencial em indicadores de desempenho e processamento e montagem. Portanto, este trabalho acredita que a estrutura planar é mais provável de se tornar a tendência de desenvolvimento de dispositivos eletrônicos a vácuo na banda terahertz.
A maioria dos dados brutos e modelos analíticos neste estudo foram incluídos neste artigo. Mais informações relevantes podem ser obtidas do autor correspondente mediante solicitação razoável.
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