Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com. Versiunea browserului pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru o experiență optimă, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați modul de compatibilitate în Internet Explorer). Între timp, pentru a asigura asistență continuă, vom afișa site-ul fără stiluri și JavaScript.
În această lucrare, este proiectat și verificat un tub cu undă călătoare cu două lame intercalate, de mare putere, în bandă largă, de 220 GHz. În primul rând, este propusă o structură planară cu undă lentă, cu două lame eșalonate, cu fascicul dublu. Prin utilizarea unei scheme de funcționare dual-mode, performanța de transmisie și lățimea de bandă sunt aproape duble față de cele ale modului unic. În al doilea rând, pentru a îndeplini cerințele de putere de ieșire mare și a îmbunătăți stabilitatea tubului cu undă călătoare, este proiectat un sistem optic electronic în formă de creion dublu, tensiunea de acționare fiind de 20~21 kV, iar curentul fiind de 2 × 80 mA. Obiective de proiectare. Prin utilizarea piesei de mască și a electrodului de control în tunul cu fascicul dublu, cele două fascicule creion pot fi focalizate de-a lungul centrelor lor respective cu un raport de compresie de 7, distanța de focalizare este de aproximativ 0,18 mm, iar stabilitatea este bună. Sistemul uniform de focalizare magnetică a fost, de asemenea, optimizat. Distanța de transmisie stabilă a fasciculului dublu de electroni planar poate ajunge la 45 mm, iar câmpul magnetic de focalizare este de 0,6 T, ceea ce este suficient pentru a acoperi întregul sistem de înaltă frecvență (HFS). Apoi, pentru a verifica... Simulările celulelor de particule (PIC) au fost efectuate și pe întregul HFS, având în vedere utilizabilitatea sistemului electron-optic și performanța structurii cu undă lentă. Rezultatele arată că sistemul de interacțiune fascicul poate atinge o putere de ieșire de vârf de aproape 310 W la 220 GHz, tensiunea fasciculului optimizată este de 20,6 kV, curentul fasciculului este de 2 × 80 mA, câștigul este de 38 dB, iar lățimea de bandă de 3 dB depășește 35 dB în jurul valorii de 70 GHz. În cele din urmă, se efectuează fabricarea de microstructură de înaltă precizie pentru a verifica performanța HFS, iar rezultatele arată că lățimea de bandă și caracteristicile de transmisie sunt în bună concordanță cu rezultatele simulării. Prin urmare, se așteaptă ca schema propusă în această lucrare să dezvolte surse de radiații de mare putere, în bandă ultra-largă, în bandă terahertz, cu potențial pentru aplicații viitoare.
Ca dispozitiv electronic tradițional în vid, tubul cu undă călătoare (TWT) joacă un rol de neînlocuit în multe aplicații, cum ar fi radarul de înaltă rezoluție, sistemele de comunicații prin satelit și explorarea spațiului1,2,3. Cu toate acestea, pe măsură ce frecvența de funcționare intră în banda terahertz, TWT-ul tradițional cu cavitate cuplată și TWT-ul elicoidal nu au putut satisface nevoile oamenilor din cauza puterii de ieșire relativ reduse, a lățimii de bandă înguste și a proceselor dificile de fabricație. Prin urmare, modul de îmbunătățire completă a performanței benzii THz a devenit o problemă foarte preocupantă pentru multe instituții de cercetare științifică. În ultimii ani, noile structuri cu undă lentă (SWS), cum ar fi structurile cu lamă dublă eșalonată (SDV) și structurile cu ghid de undă pliat (FW), au primit o atenție extinsă datorită structurilor lor plane naturale, în special noile SDV-SWS cu potențial promițător. Această structură a fost propusă de UC-Davis în 20084. Structura planară poate fi fabricată cu ușurință prin tehnici de micro-nanoprocesare, cum ar fi controlul numeric computerizat (CNC) și UV-LIGA, structura pachetului complet metalic putând oferi o capacitate termică mai mare cu o putere mai mare. puterea de ieșire și câștigul, iar structura asemănătoare unui ghid de undă poate oferi, de asemenea, o lățime de bandă de lucru mai mare. În prezent, UC Davis a demonstrat pentru prima dată în 2017 că SDV-TWT poate genera ieșiri de mare putere de peste 100 W și semnale de lățime de bandă de aproape 14 GHz în banda G5. Cu toate acestea, aceste rezultate prezintă încă lacune care nu pot îndeplini cerințele aferente de putere mare și lățime de bandă largă în banda terahertz. Pentru SDV-TWT în banda G de la UC-Davis, s-au utilizat fascicule de electroni în foi. Deși această schemă poate îmbunătăți semnificativ capacitatea de transport a curentului fasciculului, este dificil să se mențină o distanță lungă de transmisie din cauza instabilității sistemului optic electronic al fasciculului în foi (EOS), și există un tunel al fasciculului supra-mod, care poate provoca, de asemenea, autoreglarea fasciculului. – Excitație și oscilație 6,7. Pentru a îndeplini cerințele de putere de ieșire mare, lățime de bandă largă și stabilitate bună a TWT THz, în această lucrare se propune un SDV-SWS cu fascicul dual cu funcționare dual-mode. Adică, pentru a crește lățimea de bandă de funcționare, se propune și se introduce funcționarea dual-mode în această structură. Și, pentru a crește puterea de ieșire, se utilizează și o distribuție planară a fasciculelor duble. Radiourile cu fascicul unic sunt relativ mici din cauza constrângerilor de dimensiune verticală. Dacă densitatea de curent este prea mare, curentul fasciculului trebuie redus, rezultând o putere de ieșire relativ mică. Pentru a îmbunătăți curentul fasciculului, a apărut EOS multifascicul distribuit planar, care exploatează dimensiunea laterală a SWS. Datorită tunelării independente a fasciculului, multifasciculul distribuit planar poate obține o putere de ieșire mare prin menținerea unui curent total al fasciculului ridicat și a unui curent mic per fascicul, ceea ce poate evita tunelarea fasciculului supramod în comparație cu dispozitivele cu fascicul în foaie. Prin urmare, este benefic să se mențină stabilitatea tubului cu undă călătoare. Pe baza lucrărilor anterioare8,9, această lucrare propune un câmp magnetic uniform în banda G. focalizare EOS cu fascicul dublu în creion, care poate îmbunătăți considerabil distanța de transmisie stabilă a fasciculului și poate crește în continuare aria de interacțiune a fasciculului, îmbunătățind astfel considerabil puterea de ieșire.
Structura acestei lucrări este următoarea. Mai întâi, este descris designul celulei SWS cu parametri, analiza caracteristicilor de dispersie și rezultatele simulării de înaltă frecvență. Apoi, în conformitate cu structura celulei unitare, în această lucrare sunt proiectate un sistem EOS cu fascicul dublu și un sistem de interacțiune cu fascicul. Sunt prezentate și rezultatele simulării particulelor intracelulare pentru a verifica utilizabilitatea EOS și performanța SDV-TWT. În plus, lucrarea prezintă pe scurt rezultatele fabricației și testelor la rece pentru a verifica corectitudinea întregului sistem HFS. În final, se face un rezumat.
Fiind una dintre cele mai importante componente ale TWT, proprietățile dispersive ale structurii cu undă lentă indică dacă viteza electronului se potrivește cu viteza de fază a SWS și, prin urmare, are o influență mare asupra interacțiunii fascicul-undă. Pentru a îmbunătăți performanța întregului TWT, este proiectată o structură de interacțiune îmbunătățită. Structura celulei unitare este prezentată în Figura 1. Având în vedere instabilitatea fasciculului în foaie și limitarea puterii fasciculului cu un singur stilou, structura adoptă un fascicul cu două stilouri pentru a îmbunătăți și mai mult puterea de ieșire și stabilitatea în funcționare. Între timp, pentru a crește lățimea de bandă de lucru, a fost propus un mod dual pentru funcționarea SWS. Datorită simetriei structurii SDV, soluția ecuației de dispersie a câmpului electromagnetic poate fi împărțită în moduri pare și impare. În același timp, modul fundamental impar al benzii de joasă frecvență și modul fundamental par al benzii de înaltă frecvență sunt utilizate pentru a realiza sincronizarea în bandă largă a interacțiunii fasciculului, îmbunătățind astfel și mai mult lățimea de bandă de lucru.
Conform cerințelor de putere, întregul tub este proiectat cu o tensiune de comandă de 20 kV și un curent de fascicul dublu de 2 × 80 mA. Pentru a potrivi tensiunea cât mai aproape de lățimea de bandă de funcționare a SDV-SWS, trebuie să calculăm lungimea perioadei p. Relația dintre tensiunea fasciculului și perioadă este prezentată în ecuația (1)10:
Prin setarea defazajului la 2,5π la frecvența centrală de 220 GHz, perioada p poate fi calculată la 0,46 mm. Figura 2a prezintă proprietățile de dispersie ale celulei unitare SWS. Linia de fascicul de 20 kV se potrivește foarte bine cu curba bimodală. Benzile de frecvență de potrivire pot ajunge la aproximativ 70 GHz în intervalele 210–265,3 GHz (mod impar) și 265,4–280 GHz (mod par). Figura 2b prezintă impedanța medie de cuplare, care este mai mare de 0,6 Ω de la 210 la 290 GHz, indicând faptul că pot apărea interacțiuni puternice în lățimea de bandă de operare.
(a) Caracteristicile de dispersie ale unui SDV-SWS dual-mode cu o linie de fascicul de electroni de 20 kV. (b) Impedanța de interacțiune a circuitului SDV cu unde lente.
Totuși, este important de menționat că există o bandă interzisă între modurile par și impar, iar de obicei ne referim la această bandă interzisă ca bandă de oprire, așa cum se arată în Figura 2a. Dacă TWT funcționează în apropierea acestei benzi de frecvență, poate apărea o forță mare de cuplare a fasciculului, ceea ce va duce la oscilații nedorite. În aplicațiile practice, evităm în general utilizarea TWT în apropierea benzii de oprire. Cu toate acestea, se poate observa că banda interzisă a acestei structuri cu unde lente este de numai 0,1 GHz. Este dificil de determinat dacă această bandă interzisă mică provoacă oscilații. Prin urmare, stabilitatea funcționării în jurul benzii de oprire va fi investigată în următoarea secțiune de simulare PIC pentru a analiza dacă pot apărea oscilații nedorite.
Modelul întregului HFS este prezentat în Figura 3. Acesta constă din două etape SDV-SWS, conectate prin reflectoare Bragg. Funcția reflectorului este de a întrerupe transmisia semnalului între cele două etape, de a suprima oscilația și reflexia modurilor nefuncționale, cum ar fi modurile de ordin înalt generate între lamelele superioare și inferioare, îmbunătățind astfel considerabil stabilitatea întregului tub. Pentru conectarea la mediul extern, se utilizează și un cuplor conic liniar pentru a conecta SWS la un ghid de undă standard WR-4. Coeficientul de transmisie al structurii pe două niveluri este măsurat de un solver în domeniul timpului în software-ul de simulare 3D. Având în vedere efectul real al benzii de terahertz asupra materialului, materialul anvelopei de vid este inițial setat la cupru, iar conductivitatea este redusă la 2,25 × 107 S/m12.
Figura 4 prezintă rezultatele transmisiei pentru HFS cu și fără cuploare conice liniare. Rezultatele arată că cuplorul are un efect redus asupra performanței de transmisie a întregului HFS. Pierderea de retur (S11 < − 10 dB) și pierderea de inserție (S21 > − 5 dB) ale întregului sistem în banda largă de 207~280 GHz arată că HFS are caracteristici bune de transmisie.
Ca sursă de alimentare a dispozitivelor electronice în vid, tunul de electroni determină direct dacă dispozitivul poate genera suficientă putere de ieșire. Combinat cu analiza HFS din Secțiunea II, un EOS cu fascicul dublu trebuie proiectat pentru a oferi suficientă putere. În această parte, pe baza lucrărilor anterioare în banda W8,9, este proiectat un tun de electroni cu creion dublu folosind o piesă de mască planară și electrozi de control. În primul rând, conform cerințelor de proiectare ale SWS din Secțiunea... Așa cum se arată în FIG. 2, tensiunea de excitație Ua a fasciculelor de electroni este inițial setată la 20 kV, curenții I ai celor două fascicule de electroni sunt ambele de 80 mA, iar diametrul fasciculului dw al fasciculelor de electroni este de 0,13 mm. În același timp, pentru a se asigura că densitatea de curent a fasciculului de electroni și a catodului poate fi atinsă, raportul de compresie al fasciculului de electroni este setat la 7, astfel încât densitatea de curent a fasciculului de electroni este de 603 A/cm2, iar densitatea de curent a catodului este de 86 A/cm2, ceea ce poate fi realizat prin utilizarea de noi materiale catodice. Conform teoriei de proiectare 14, 15, 16, 17, un tun de electroni Pierce tipic poate fi identificat în mod unic.
Figura 5 prezintă diagramele schematice orizontale și verticale ale tunului. Se poate observa că profilul tunului de electroni în direcția x este aproape identic cu cel al unui tun de electroni tipic, de tip foaie, în timp ce în direcția y cele două fascicule de electroni sunt parțial separate de mască. Pozițiile celor doi catozi sunt la x = – 0,155 mm, y = 0 mm și x = 0,155 mm, y = 0 mm, respectiv. Conform cerințelor de proiectare privind raportul de compresie și dimensiunea injecției de electroni, dimensiunile celor două suprafețe catodice sunt determinate a fi 0,91 mm × 0,13 mm.
Pentru a face câmpul electric focalizat recepționat de fiecare fascicul de electroni în direcția x simetric față de propriul centru, această lucrare aplică un electrod de control la tunul de electroni. Prin setarea tensiunii electrodului de focalizare și a electrodului de control la -20 kV și a tensiunii anodului la 0 V, putem obține distribuția traiectoriei tunului cu fascicul dublu, așa cum se arată în Fig. 6. Se poate observa că electronii emiși au o bună compresibilitate în direcția y, iar fiecare fascicul de electroni converge spre direcția x de-a lungul propriului centru de simetrie, ceea ce indică faptul că electrodul de control echilibrează câmpul electric inegal generat de electrodul de focalizare.
Figura 7 prezintă anvelopa fasciculului în direcțiile x și y. Rezultatele arată că distanța de proiecție a fasciculului de electroni în direcția x este diferită de cea în direcția y. Distanța de proiecție în direcția x este de aproximativ 4 mm, iar distanța de proiecție în direcția y este apropiată de 7 mm. Prin urmare, distanța reală de proiecție ar trebui aleasă între 4 și 7 mm. Figura 8 prezintă secțiunea transversală a fasciculului de electroni la 4,6 mm de suprafața catodului. Putem observa că forma secțiunii transversale este cea mai apropiată de un fascicul de electroni circular standard. Distanța dintre cele două fascicule de electroni este apropiată de valoarea proiectată de 0,31 mm, iar raza este de aproximativ 0,13 mm, ceea ce îndeplinește cerințele de proiectare. Figura 9 prezintă rezultatele simulării curentului fasciculului. Se poate observa că cei doi curenți ai fasciculului sunt de 76 mA, ceea ce este în bună concordanță cu valoarea proiectată de 80 mA.
Având în vedere fluctuația tensiunii de comandă în aplicațiile practice, este necesar să se studieze sensibilitatea la tensiune a acestui model. În intervalul de tensiune de 19,8 ~ 20,6 kV, se obțin anvelopele de curent și de curent al fasciculului, așa cum se arată în Figura 1 și Figura 1.10 și 11. Din rezultate, se poate observa că modificarea tensiunii de comandă nu are niciun efect asupra anvelopei fasciculului de electroni, iar curentul fasciculului de electroni se modifică doar de la 0,74 la 0,78 A. Prin urmare, se poate considera că tunul de electroni proiectat în această lucrare are o bună sensibilitate la tensiune.
Efectul fluctuațiilor de tensiune de acționare asupra anvelopelor fasciculului pe direcțiile x și y.
Un câmp magnetic uniform de focalizare este un sistem comun de focalizare cu magneți permanenți. Datorită distribuției uniforme a câmpului magnetic în întregul canal al fasciculului, este foarte potrivit pentru fascicule de electroni axisimetrice. În această secțiune, se propune un sistem uniform de focalizare magnetică pentru menținerea transmisiei pe distanțe lungi a fasciculelor duble în creion. Prin analiza câmpului magnetic generat și a anvelopei fasciculului, se propune schema de proiectare a sistemului de focalizare și se studiază problema sensibilității. Conform teoriei transmisiei stabile a unui singur fascicul în creion18,19, valoarea câmpului magnetic Brillouin poate fi calculată prin ecuația (2). În această lucrare, folosim și această echivalență pentru a estima câmpul magnetic al unui fascicul dublu în creion distribuit lateral. Combinată cu tunul de electroni proiectat în această lucrare, valoarea calculată a câmpului magnetic este de aproximativ 4000 Gs. Conform Ref. 20, în proiectele practice se alege de obicei o valoare de 1,5-2 ori mai mare decât valoarea calculată.
Figura 12 prezintă structura unui sistem de focalizare cu câmp magnetic uniform. Partea albastră reprezintă magnetul permanent magnetizat în direcția axială. Materialul selectat este NdFeB sau FeCoNi. Remanența Br setată în modelul de simulare este de 1,3 T, iar permeabilitatea este de 1,05. Pentru a asigura o transmisie stabilă a fasciculului în întregul circuit, lungimea magnetului este inițial setată la 70 mm. În plus, dimensiunea magnetului în direcția x determină dacă câmpul magnetic transversal în canalul fasciculului este uniform, ceea ce impune ca dimensiunea în direcția x să nu poată fi prea mică. În același timp, având în vedere costul și greutatea întregului tub, dimensiunea magnetului nu trebuie să fie prea mare. Prin urmare, magneții sunt inițial setați la 150 mm × 150 mm × 70 mm. Între timp, pentru a se asigura că întregul circuit cu undă lentă poate fi plasat în sistemul de focalizare, distanța dintre magneți este setată la 20 mm.
În 2015, Purna Chandra Panda21 a propus o piesă polară cu o nouă gaură în trepte într-un sistem de focalizare magnetică uniformă, care poate reduce și mai mult magnitudinea scurgerii de flux către catod și câmpul magnetic transversal generat la gaura piesei polare. În această lucrare, adăugăm o structură în trepte la piesa polară a sistemului de focalizare. Grosimea piesei polare este inițial setată la 1,5 mm, înălțimea și lățimea celor trei trepte sunt de 0,5 mm, iar distanța dintre găurile piesei polare este de 2 mm, așa cum se arată în Figura 13.
Figura 14a prezintă distribuția câmpului magnetic axial de-a lungul liniilor centrale ale celor două fascicule de electroni. Se poate observa că forțele câmpului magnetic de-a lungul celor două fascicule de electroni sunt egale. Valoarea câmpului magnetic este de aproximativ 6000 Gs, ceea ce este de 1,5 ori mai mare decât câmpul Brillouin teoretic, pentru a crește performanța de transmisie și focalizare. În același timp, câmpul magnetic la catod este aproape 0, indicând faptul că piesa polară are un efect bun asupra prevenirii scurgerilor de flux magnetic. Figura 14b prezintă distribuția câmpului magnetic transversal By în direcția z la marginea superioară a celor două fascicule de electroni. Se poate observa că câmpul magnetic transversal este mai mic de 200 Gs doar la orificiul piesei polare, în timp ce în circuitul cu undă lentă, câmpul magnetic transversal este aproape zero, ceea ce dovedește că influența câmpului magnetic transversal asupra fasciculului de electroni este neglijabilă. Pentru a preveni saturația magnetică a pieselor polare, este necesar să se studieze intensitatea câmpului magnetic din interiorul pieselor polare. Figura 14c prezintă valoarea absolută a distribuției câmpului magnetic din interiorul piesei polare. Se poate observa că valoarea absolută a intensității câmpului magnetic este mai puțin de 1,2 T, ceea ce indică faptul că saturația magnetică a piesei polare nu va avea loc.
Distribuția intensității câmpului magnetic pentru Br = 1,3 T. (a) Distribuția axială a câmpului. (b) Distribuția laterală a câmpului By în direcția z. (c) Valoarea absolută a distribuției câmpului în interiorul piesei polare.
Pe baza modulului CST PS, poziția relativă axială a tunului cu fascicul dual și a sistemului de focalizare este optimizată. Conform Ref. 9 și simulărilor, locația optimă este acolo unde piesa anodică se suprapune peste piesa polară, departe de magnet. Cu toate acestea, s-a constatat că, dacă remanența a fost setată la 1,3 T, transmitanța fasciculului de electroni nu a putut ajunge la 99%. Prin creșterea remanenței la 1,4 T, câmpul magnetic de focalizare va fi crescut la 6500 Gs. Traiectoriile fasciculului pe planurile xoz și yoz sunt prezentate în Figura 15. Se poate observa că fasciculul are o transmisie bună, fluctuații mici și o distanță de transmisie mai mare de 45 mm.
Traiectoriile unor fascicule duble în creion sub un sistem magnetic omogen cu Br = 1,4 T. (a) planul xoz. (b) aeronavă yoz.
Figura 16 prezintă secțiunea transversală a fasciculului în diferite poziții departe de catod. Se poate observa că forma secțiunii fasciculului în sistemul de focalizare este bine menținută, iar diametrul secțiunii nu se modifică prea mult. Figura 17 prezintă înfășurătoarele fasciculului în direcțiile x și respectiv y. Se poate observa că fluctuația fasciculului în ambele direcții este foarte mică. Figura 18 prezintă rezultatele simulării curentului fasciculului. Rezultatele arată că curentul este de aproximativ 2 × 80 mA, ceea ce este în concordanță cu valoarea calculată în proiectarea tunului de electroni.
Secțiune transversală a fasciculului de electroni (cu sistem de focalizare) la diferite poziții față de catod.
Având în vedere o serie de probleme precum erorile de asamblare, fluctuațiile de tensiune și modificările intensității câmpului magnetic în aplicațiile practice de procesare, este necesar să se analizeze sensibilitatea sistemului de focalizare. Deoarece există un spațiu între piesa anodică și piesa polară în procesarea reală, acest spațiu trebuie setat în simulare. Valoarea spațiului a fost setată la 0,2 mm, iar Figura 19a prezintă anvelopa fasciculului și curentul fasciculului în direcția y. Acest rezultat arată că modificarea anvelopei fasciculului nu este semnificativă, iar curentul fasciculului se modifică foarte puțin. Prin urmare, sistemul este insensibil la erorile de asamblare. Pentru fluctuația tensiunii de acționare, intervalul de eroare este setat la ±0,5 kV. Figura 19b prezintă rezultatele comparației. Se poate observa că modificarea tensiunii are un efect redus asupra anvelopei fasciculului. Intervalul de eroare este setat de la -0,02 la +0,03 T pentru modificările intensității câmpului magnetic. Rezultatele comparației sunt prezentate în Figura 20. Se poate observa că anvelopa fasciculului se modifică foarte puțin, ceea ce înseamnă că întregul EOS este insensibil la modificările intensității câmpului magnetic.
Anvelopa fasciculului și rezultatele curentului sub un sistem de focalizare magnetică uniformă. (a) Toleranța de asamblare este de 0,2 mm. (b) Fluctuația tensiunii de comandă este de ±0,5 kV.
Anvelopa fasciculului sub un sistem de focalizare magnetică uniformă cu fluctuații axiale ale intensității câmpului magnetic cuprinse între 0,63 și 0,68 T.
Pentru a se asigura că sistemul de focalizare proiectat în această lucrare se poate potrivi cu HFS, este necesară combinarea sistemului de focalizare și a HFS pentru cercetare. Figura 21 prezintă o comparație a anvelopelor fasciculului cu și fără HFS încărcat. Rezultatele arată că anvelopa fasciculului nu se modifică prea mult atunci când întregul HFS este încărcat. Prin urmare, sistemul de focalizare este potrivit pentru HFS cu tub cu undă călătoare din designul de mai sus.
Pentru a verifica corectitudinea EOS propusă în Secțiunea III și pentru a investiga performanța SDV-TWT de 220 GHz, s-a efectuat o simulare 3D-PIC a interacțiunii fascicul-undă. Din cauza limitărilor software-ului de simulare, nu am putut adăuga întregul EOS la HFS. Prin urmare, tunul de electroni a fost înlocuit cu o suprafață emițătoare echivalentă cu un diametru de 0,13 mm și o distanță între cele două suprafețe de 0,31 mm, aceiași parametri ca și tunul de electroni proiectat mai sus. Datorită insensibilității și a bunei stabilități a EOS, tensiunea de comandă poate fi optimizată corespunzător pentru a obține cea mai bună putere de ieșire în simularea PIC. Rezultatele simulării arată că puterea de ieșire saturată și câștigul pot fi obținute la o tensiune de comandă de 20,6 kV, un curent de fascicul de 2 × 80 mA (603 A/cm2) și o putere de intrare de 0,05 W.
Pentru a obține cel mai bun semnal de ieșire, trebuie optimizat și numărul de cicluri. Cea mai bună putere de ieșire se obține atunci când numărul de două etape este de 42 + 48 de cicluri, așa cum se arată în Figura 22a. Un semnal de intrare de 0,05 W este amplificat la 314 W cu un câștig de 38 dB. Spectrul de putere de ieșire obținut prin Transformata Fourier Rapidă (FFT) este pur, atingând un vârf de 220 GHz. Figura 22b prezintă distribuția poziției axiale a energiei electronilor în SWS, majoritatea electronilor pierzând energie. Acest rezultat indică faptul că SDV-SWS poate converti energia cinetică a electronilor în semnale RF, realizând astfel amplificarea semnalului.
Semnal de ieșire SDV-SWS la 220 GHz. (a) Putere de ieșire cu spectru inclus. (b) Distribuția energiei electronilor cu fasciculul de electroni la capătul inserției SWS.
Figura 23 prezintă lățimea de bandă a puterii de ieșire și câștigul unui SDV-TWT cu fascicul dual-mode. Performanța de ieșire poate fi îmbunătățită în continuare prin baleierea frecvențelor de la 200 la 275 GHz și optimizarea tensiunii de acționare. Acest rezultat arată că lățimea de bandă de 3 dB poate acoperi 205 până la 275 GHz, ceea ce înseamnă că funcționarea în mod dual poate lărgi considerabil lățimea de bandă de operare.
Totuși, conform Fig. 2a, știm că există o bandă de oprire între modurile par și impar, ceea ce poate duce la oscilații nedorite. Prin urmare, trebuie studiată stabilitatea lucrului în jurul opririlor. Figurile 24a-c prezintă rezultatele simulării de 20 ns la 265,3 GHz, 265,35 GHz și, respectiv, 265,4 GHz. Se poate observa că, deși rezultatele simulării prezintă unele fluctuații, puterea de ieșire este relativ stabilă. Spectrul este prezentat și în Figura 24, respectiv, spectrul fiind pur. Aceste rezultate indică faptul că nu există auto-oscilație în apropierea benzii de oprire.
Fabricarea și măsurarea sunt necesare pentru a verifica corectitudinea întregului sistem de înaltă frecvență (HFS). În această parte, HFS este fabricat folosind tehnologia de control numeric computerizat (CNC) cu un diametru al sculei de 0,1 mm și o precizie de prelucrare de 10 μm. Materialul pentru structura de înaltă frecvență este cupru de înaltă conductivitate fără oxigen (OFHC). Figura 25a prezintă structura fabricată. Întreaga structură are o lungime de 66,00 mm, o lățime de 20,00 mm și o înălțime de 8,66 mm. Opt găuri pentru știft sunt distribuite în jurul structurii. Figura 25b prezintă structura prin microscopie electronică cu scanare (SEM). Lamele acestei structuri sunt produse uniform și au o rugozitate bună a suprafeței. După măsurarea precisă, eroarea generală de prelucrare este mai mică de 5%, iar rugozitatea suprafeței este de aproximativ 0,4 μm. Structura de prelucrare îndeplinește cerințele de proiectare și precizie.
Figura 26 prezintă comparația dintre rezultatele testelor reale și simulările performanței de transmisie. Portul 1 și Portul 2 din Figura 26a corespund porturilor de intrare și ieșire ale HFS, respectiv, și sunt echivalente cu Portul 1 și Portul 4 din Figura 3. Rezultatele măsurătorilor reale ale S11 sunt puțin mai bune decât rezultatele simulării. În același timp, rezultatele măsurate ale S21 sunt puțin mai slabe. Motivul poate fi acela că conductivitatea materialului setată în simulare este prea mare, iar rugozitatea suprafeței după prelucrarea efectivă este slabă. Per total, rezultatele măsurate sunt în bună concordanță cu rezultatele simulării, iar lățimea de bandă de transmisie îndeplinește cerința de 70 GHz, ceea ce verifică fezabilitatea și corectitudinea SDV-TWT dual-mode propus. Prin urmare, combinat cu procesul de fabricație real și rezultatele testelor, designul SDV-TWT dual-band cu bandă ultra-largă propus în această lucrare poate fi utilizat pentru fabricarea și aplicațiile ulterioare.
În această lucrare, este prezentat un design detaliat al unui SDV-TWT cu distribuție planară de 220 GHz cu fascicul dual. Combinația dintre funcționarea în mod dual și excitația cu fascicul dual crește și mai mult lățimea de bandă de funcționare și puterea de ieșire. Fabricația și testul la rece sunt, de asemenea, efectuate pentru a verifica corectitudinea întregului HFS. Rezultatele efective ale măsurătorilor sunt în bună concordanță cu rezultatele simulării. Pentru EOS cu două fascicule proiectat, o secțiune de mască și electrozi de control au fost utilizați împreună pentru a produce un fascicul cu două creioane. Sub câmpul magnetic uniform de focalizare proiectat, fasciculul de electroni poate fi transmis stabil pe distanțe lungi cu o formă bună. În viitor, se va efectua producția și testarea EOS, precum și testul termic al întregului TWT. Această schemă de proiectare SDV-TWT propusă în această lucrare combină pe deplin tehnologia actuală matură de procesare plană și prezintă un mare potențial în indicatorii de performanță, procesare și asamblare. Prin urmare, această lucrare consideră că structura planară este cel mai probabil să devină tendința de dezvoltare a dispozitivelor electronice în vid în banda terahertz.
Majoritatea datelor brute și a modelelor analitice din acest studiu au fost incluse în această lucrare. Informații relevante suplimentare pot fi obținute de la autorul corespondent, la cerere rezonabilă.
Gamzina, D. și colab. Prelucrare CNC la nanoscală a electronicii în vid sub-terahertz. IEEE Trans.electronic Devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. și Paoloni, C. Microfabricarea UV-LIGA a ghidurilor de undă sub-terahertz folosind fotorezist multistrat SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS și colab. 2017 Foaie de parcurs tehnologică THz. J. Physics. D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR și Luhmann, NC Confinare puternică a propagării undelor plasmonice prin ghiduri de undă cu rețea dublă eșalonată în bandă ultra-largă.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. și colab. Performanța unui amplificator cu tub cu undă călătoare de 220 GHz, prelucrat nano-CNC. IEEE Trans.electronic Devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. și Ruan, CJ Investigarea instabilității diocotronice a fasciculelor de electroni cu foi infinit de late folosind teoria modelului macroscopic cu fluide reci. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV, despre oportunitatea de a crește lățimea de bandă prin dispunerea planară a fasciculului într-un clistron cu fascicul multiplu. În cea de-a 12-a Conferință Internațională IEEE privind Electronica în Vid, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ și colab. Proiectarea tunurilor electronice cu trei fascicule cu distribuție îngustă a planului de divizare a fasciculului într-un tub cu undă călătoare cu două lame eșalonate în banda W [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB și Ruan, CJ Sistem optic electronic cu trei fascicule distribuite planar cu separare îngustă a fasciculelor pentru TWT în modul fundamental în banda W. IEEE Trans.electronic Devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Cercetare asupra tubului cu undă călătoare cu două palete intercalate cu fascicule cu lamele cu unde milimetrice 20-22 (doctorat, Universitatea Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. și He, Y. Studiu privind stabilitatea interacțiunii fascicul-undă a unui tub cu undă călătoare cu două lame intercalate în bandă G. A 43-a Conferință Internațională din 2018 privind Undele Milimetrice și Terahertz în Infraroșu, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).