Hvala, ker ste obiskali Nature.com. Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS. Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali izklopite način združljivosti v Internet Explorerju). Medtem bomo za zagotovitev nadaljnje podpore spletno mesto prikazali brez slogov in JavaScripta.
V tem članku je zasnovana in preverjena 220 GHz širokopasovna visokozmogljiva prepletena dvojna cev s potujočim valovanjem. Najprej je predlagana planarna dvojna žarkasta struktura z dvojnim žarkom, stopničasto razporejenim dvojnim žarkom in počasnim valovanjem. Z uporabo dvojnega načina delovanja sta prenosna zmogljivost in pasovna širina skoraj dvakrat večji od enomodnega. Drugič, za izpolnitev zahtev po visoki izhodni moči in izboljšanje stabilnosti cevi s potujočim valovanjem je zasnovan dvojni elektronski optični sistem v obliki svinčnika, pogonska napetost je 20–21 kV, tok pa 2 × 80 mA. Cilji načrtovanja. Z uporabo maske in krmilne elektrode v dvojnem žarku je mogoče oba svinčna žarka fokusirati vzdolž njunih središč s kompresijskim razmerjem 7, razdalja ostrenja je približno 0,18 mm, stabilnost pa je dobra. Optimiziran je bil tudi enakomeren magnetni sistem ostrenja. Stabilna prenosna razdalja planarnega dvojnega elektronskega žarka lahko doseže 45 mm, fokusno magnetno polje pa je 0,6 T, kar zadostuje za pokritje celotnega visokofrekvenčnega sistema (HFS). Nato je treba preveriti Za preverjanje uporabnosti elektronsko-optičnega sistema in delovanja počasnovalovne strukture so bile na celotnem HFS izvedene tudi simulacije delcev (PIC). Rezultati kažejo, da lahko sistem interakcije žarkov doseže največjo izhodno moč skoraj 310 W pri 220 GHz, optimizirana napetost žarka je 20,6 kV, tok žarka je 2 × 80 mA, ojačanje je 38 dB, pasovna širina 3 dB pa presega 35 dB pri približno 70 GHz. Nazadnje je bila izvedena visoko natančna izdelava mikrostrukture za preverjanje delovanja HFS, rezultati pa kažejo, da se pasovna širina in prenosne značilnosti dobro ujemajo z rezultati simulacije. Zato se pričakuje, da bo shema, predlagana v tem članku, razvila visokozmogljive, ultra širokopasovne teraherčne vire sevanja s potencialom za prihodnje aplikacije.
Kot tradicionalna vakuumska elektronska naprava ima potovalna valovna cev (TWT) nenadomestljivo vlogo v številnih aplikacijah, kot so radarji visoke ločljivosti, satelitski komunikacijski sistemi in raziskovanje vesolja1,2,3. Vendar pa tradicionalni TWT s sklopljeno votlino in spiralni TWT zaradi relativno nizke izhodne moči, ozke pasovne širine in zahtevnih proizvodnih procesov niso mogli zadovoljiti potreb ljudi. Zato je celovito izboljšanje delovanja THz pasu postalo zelo zaskrbljujoče vprašanje za številne znanstvenoraziskovalne ustanove. V zadnjih letih so nove počasnovalovne strukture (SWS), kot so stopničaste dvojne lopatice (SDV) in strukture zloženih valovodov (FW), deležne velike pozornosti zaradi svojih naravnih ravninskih struktur, zlasti nove SDV-SWS z obetavnim potencialom. To strukturo je leta 2008 predlagala UC-Davis4. Ravno strukturo je mogoče enostavno izdelati z mikro-nano tehnikami obdelave, kot sta računalniško numerično krmiljenje (CNC) in UV-LIGA, struktura ohišja iz vseh kovin pa lahko zagotavlja večjo toplotno kapaciteto z višja izhodna moč in ojačanje, valovodna struktura pa lahko zagotovi tudi širšo delovno pasovno širino. Trenutno je UC Davis leta 2017 prvič dokazal, da lahko SDV-TWT ustvari visokozmogljive izhode, ki presegajo 100 W, in signale pasovne širine skoraj 14 GHz v G-pasu5. Vendar pa imajo ti rezultati še vedno vrzeli, ki ne morejo izpolniti sorodnih zahtev po visoki moči in široki pasovni širini v teraherčnem pasu. Za UC-Davisov G-pasovni SDV-TWT so bili uporabljeni ploščati elektronski žarki. Čeprav lahko ta shema znatno izboljša nosilnost toka žarka, je zaradi nestabilnosti elektronskega optičnega sistema (EOS) ploščatega žarka težko vzdrževati dolgo prenosno razdaljo, poleg tega pa obstaja tudi tunel žarka v premodu, kar lahko povzroči tudi samoregulacijo žarka. – Vzbujanje in nihanje 6,7. Da bi izpolnili zahteve po visoki izhodni moči, široki pasovni širini in dobri stabilnosti THz TWT, je v tem članku predlagan dvožarkovni SDV-SWS z dvojnim načinom delovanja. To pomeni, da je za povečanje delovne pasovne širine v tej strukturi predlagano in uvedeno dvojno način delovanja. Za povečanje izhodne moči se uporablja tudi ravninska porazdelitev dvojnih svinčnikovih snopov. Enojni svinčnikovni radijski sprejemniki so zaradi omejitev navpične velikosti relativno majhni. Če je gostota toka previsoka, je treba zmanjšati tok snopa, kar ima za posledico relativno nizko izhodno moč. Za izboljšanje toka snopa se je pojavil ravninski porazdeljeni večžarkovni EOS, ki izkorišča prečno velikost SWS. Zaradi neodvisnega tuneliranja snopa lahko ravninski porazdeljeni večžarkovni sistem doseže visoko izhodno moč z ohranjanjem visokega skupnega toka snopa in majhnega toka na snop, kar se lahko izogne ​​prekomernemu tuneliranju snopa v primerjavi z napravami s ploščatimi snopi. Zato je koristno ohraniti stabilnost cevi s potujočim valom. Na podlagi prejšnjega dela8,9 ta članek predlaga EOS z dvojnim svinčnikovim žarkom, ki fokusira enakomerno magnetno polje G-pasu, lahko močno izboljša stabilno prenosno razdaljo žarka in dodatno poveča območje interakcije žarka, s čimer se močno izboljša izhodna moč.
Struktura tega članka je naslednja. Najprej je opisana zasnova celice SWS s parametri, analizo disperzijskih karakteristik in rezultati visokofrekvenčne simulacije. Nato sta v tem članku, glede na strukturo enotne celice, zasnovana dvojna svinčnikova žarkasta EOS in sistem interakcije žarkov. Predstavljeni so tudi rezultati simulacije znotrajceličnih delcev, da se preveri uporabnost EOS in delovanje SDV-TWT. Poleg tega članek na kratko predstavlja rezultate izdelave in hladnih preskusov, da se preveri pravilnost celotnega HFS. Na koncu je podan povzetek.
Kot ena najpomembnejših komponent TWT, disperzivne lastnosti počasnovalovne strukture kažejo, ali se hitrost elektronov ujema s fazno hitrostjo SWS, in tako močno vplivajo na interakcijo med žarkom in valom. Za izboljšanje delovanja celotnega TWT je bila zasnovana izboljšana interakcijska struktura. Struktura enotne celice je prikazana na sliki 1. Glede na nestabilnost ploščatega žarka in omejitev moči enojnega peresnega žarka struktura uporablja dvojni peresni žarek za nadaljnje izboljšanje izhodne moči in stabilnosti delovanja. Medtem je bil za povečanje delovne pasovne širine predlagan dvojni način delovanja SWS. Zaradi simetrije strukture SDV lahko rešitev disperzijske enačbe elektromagnetnega polja razdelimo na lihe in sode načine. Hkrati se za doseganje širokopasovne sinhronizacije interakcije žarka uporabljata osnovni lihi način nizkofrekvenčnega pasu in osnovni sodi način visokofrekvenčnega pasu, s čimer se dodatno izboljša delovna pasovna širina.
Glede na zahteve glede moči je celotna cev zasnovana z gonilno napetostjo 20 kV in dvojnim tokom žarka 2 × 80 mA. Da bi napetost čim bolj uskladili z delovno pasovno širino SDV-SWS, moramo izračunati dolžino periode p. Razmerje med napetostjo žarka in periodo je prikazano v enačbi (1)10:
Z nastavitvijo faznega premika na 2,5π pri osrednji frekvenci 220 GHz lahko izračunamo, da je periodo p 0,46 mm. Slika 2a prikazuje disperzijske lastnosti enotne celice SWS. Žaromet 20 kV se zelo dobro ujema z bimodalno krivuljo. Ujemajoči se frekvenčni pasovi lahko dosežejo približno 70 GHz v območjih 210–265,3 GHz (lihi način) in 265,4–280 GHz (sodi način). Slika 2b prikazuje povprečno sklopno impedanco, ki je od 210 do 290 GHz večja od 0,6 Ω, kar kaže na to, da lahko v delovni pasovni širini pride do močnih interakcij.
(a) Disperzijske značilnosti dvojnega načina SDV-SWS z 20 kV elektronskim žarkom. (b) Interakcijska impedanca počasnega valovnega vezja SDV.
Vendar je pomembno omeniti, da obstaja pasovna vrzel med lihim in sodim načinom, ki jo običajno imenujemo pasovni pas zaustavitve, kot je prikazano na sliki 2a. Če TWT deluje blizu tega frekvenčnega pasu, lahko pride do močne sklopitve žarka, kar bo povzročilo neželena nihanja. V praktičnih aplikacijah se običajno izogibamo uporabi TWT blizu pasovnega pasu zaustavitve. Vendar pa je mogoče videti, da je pasovna vrzel te počasnovalovne strukture le 0,1 GHz. Težko je ugotoviti, ali ta majhna pasovna vrzel povzroča nihanja. Zato bo v naslednjem razdelku simulacije PIC raziskana stabilnost delovanja okoli pasovnega pasu zaustavitve, da se analizira, ali lahko pride do neželenih nihanj.
Model celotnega HFS je prikazan na sliki 3. Sestavljen je iz dveh stopenj SDV-SWS, ki sta povezani z Braggovimi reflektorji. Funkcija reflektorja je prekiniti prenos signala med obema stopnjama, zatreti nihanje in odboj nedelujočih modov, kot so modi višjega reda, ki nastanejo med zgornjim in spodnjim rezilom, s čimer se močno izboljša stabilnost celotne cevi. Za povezavo z zunanjim okoljem se za povezavo SWS s standardnim valovodom WR-4 uporablja tudi linearni zoženi spojnik. Koeficient prenosa dvonivojske strukture se meri z reševalcem časovne domene v programski opremi za 3D simulacijo. Glede na dejanski vpliv teraherčnega pasu na material je material vakuumske ovojnice sprva nastavljen na baker, prevodnost pa se zmanjša na 2,25 × 107 S/m12.
Slika 4 prikazuje rezultate prenosa za HFS z in brez linearnih zoženih sklopnikov. Rezultati kažejo, da ima sklopnik majhen vpliv na prenosno zmogljivost celotnega HFS. Povratna izguba (S11 < −10 dB) in vstavitvena izguba (S21 > −5 dB) celotnega sistema v širokopasovnem območju 207~280 GHz kažeta, da ima HFS dobre prenosne lastnosti.
Kot vir napajanja vakuumskih elektronskih naprav elektronski top neposredno določa, ali lahko naprava ustvari dovolj izhodne moči. V kombinaciji z analizo HFS v poglavju II je treba zasnovati dvožarkovni EOS, ki zagotavlja zadostno moč. V tem delu je na podlagi prejšnjega dela v W-pasu 8, 9 zasnovan dvojni svinčnikov elektronski top z uporabo planarnega masknega dela in krmilnih elektrod. Najprej je v skladu z zahtevami zasnove SWS v poglavju ... Kot je prikazano na sliki ... 2 je pogonska napetost Ua elektronskih žarkov na začetku nastavljena na 20 kV, tokova I obeh elektronskih žarkov sta 80 mA, premer žarka dw elektronskih žarkov pa je 0,13 mm. Hkrati je za zagotovitev doseganja gostote toka elektronskega žarka in katode kompresijsko razmerje elektronskega žarka nastavljeno na 7, tako da je gostota toka elektronskega žarka 603 A/cm2, gostota toka katode pa 86 A/cm2, kar je mogoče doseči z uporabo novih katodnih materialov. V skladu s teorijo načrtovanja 14, 15, 16, 17 je mogoče tipično Pierceovo elektronsko puško enolično identificirati.
Slika 5 prikazuje horizontalni in vertikalni shematski diagram topa. Vidimo lahko, da je profil elektronskega topa v smeri x skoraj enak profilu tipičnega ploščatega elektronskega topa, medtem ko sta v smeri y dva elektronska žarka delno ločena z masko. Položaja obeh katod sta pri x = –0,155 mm, y = 0 mm in x = 0,155 mm, y = 0 mm. Glede na konstrukcijske zahteve glede kompresijskega razmerja in velikosti vbrizga elektronov so dimenzije obeh katodnih površin določene na 0,91 mm × 0,13 mm.
Da bi bilo fokusirano električno polje, ki ga sprejme vsak elektronski žarek v smeri x, simetrično glede na njegovo središče, ta članek na elektronski top namesti krmilno elektrodo. Z nastavitvijo napetosti fokusirne elektrode in krmilne elektrode na -20 kV ter napetosti anode na 0 V lahko dobimo porazdelitev trajektorije dvojnega žarka, kot je prikazano na sliki 6. Vidimo lahko, da imajo emitirani elektroni dobro stisljivost v smeri y in da vsak elektronski žarek konvergira proti smeri x vzdolž svojega središča simetrije, kar kaže, da krmilna elektroda uravnava neenakomerno električno polje, ki ga ustvarja fokusirna elektroda.
Slika 7 prikazuje ovojnico žarka v smeri x in y. Rezultati kažejo, da se projekcijska razdalja elektronskega žarka v smeri x razlikuje od tiste v smeri y. Razdalja metenja v smeri x je približno 4 mm, razdalja metenja v smeri y pa je blizu 7 mm. Zato je treba dejansko razdaljo metenja izbrati med 4 in 7 mm. Slika 8 prikazuje prečni prerez elektronskega žarka na razdalji 4,6 mm od površine katode. Vidimo lahko, da je oblika prečnega prereza najbližja standardnemu krožnemu elektronskemu žarku. Razdalja med obema elektronskima žarkoma je blizu načrtovanih 0,31 mm, polmer pa je približno 0,13 mm, kar ustreza projektnim zahtevam. Slika 9 prikazuje rezultate simulacije toka žarka. Vidimo lahko, da sta tokova obeh žarkov 76 mA, kar se dobro ujema z načrtovanimi 80 mA.
Glede na nihanje pogonske napetosti v praktičnih aplikacijah je treba preučiti napetostno občutljivost tega modela. V napetostnem območju 19,8 ~ 20,6 kV sta dobljena ovojnica toka in toka žarka, kot je prikazano na sliki 1 ter sliki 1.10 in 11. Iz rezultatov je razvidno, da sprememba pogonske napetosti nima vpliva na ovojnico elektronskega žarka, tok elektronskega žarka pa se spreminja le od 0,74 do 0,78 A. Zato lahko sklepamo, da ima elektronski top, zasnovan v tem članku, dobro občutljivost na napetost.
Vpliv nihanj pogonske napetosti na ovojnico žarka v smeri x in y.
Enakomerno magnetno fokusno polje je pogost sistem za fokusiranje s trajnimi magneti. Zaradi enakomerne porazdelitve magnetnega polja po celotnem kanalu žarka je zelo primeren za osno simetrične elektronske žarke. V tem razdelku je predlagan enakomeren magnetni fokusni sistem za vzdrževanje prenosa dvojnih svinčničnih žarkov na dolge razdalje. Z analizo ustvarjenega magnetnega polja in ovojnice žarka je predlagana shema zasnove fokusnega sistema in preučen je problem občutljivosti. V skladu s teorijo stabilnega prenosa enojnega svinčničnega žarka18,19 lahko vrednost Brillouinovega magnetnega polja izračunamo z enačbo (2). V tem članku to ekvivalenco uporabljamo tudi za oceno magnetnega polja bočno porazdeljenega dvojnega svinčničnega žarka. V kombinaciji z elektronsko puško, zasnovano v tem članku, je izračunana vrednost magnetnega polja približno 4000 Gs. V skladu z ref. 20 se v praktičnih zasnovah običajno izbere 1,5-2-kratnik izračunane vrednosti.
Slika 12 prikazuje strukturo sistema za fokusiranje z enakomernim magnetnim poljem. Modri ​​del predstavlja trajni magnet, magnetiziran v aksialni smeri. Izbira materiala je NdFeB ali FeCoNi. Remanenca Br, nastavljena v simulacijskem modelu, je 1,3 T, permeabilnost pa 1,05. Da bi zagotovili stabilen prenos žarka v celotnem vezju, je dolžina magneta sprva nastavljena na 70 mm. Poleg tega velikost magneta v smeri x določa, ali je prečno magnetno polje v kanalu žarka enakomerno, kar zahteva, da velikost v smeri x ne sme biti premajhna. Hkrati pa glede na stroške in težo celotne cevi velikost magneta ne sme biti prevelika. Zato so magneti sprva nastavljeni na 150 mm × 150 mm × 70 mm. Medtem je za zagotovitev, da se lahko celotno vezje počasnega valovanja namesti v sistem za fokusiranje, razdalja med magneti nastavljena na 20 mm.
Leta 2015 je Purna Chandra Panda21 predlagal pol z novo stopničasto luknjo v enotnem magnetnem fokusnem sistemu, ki lahko dodatno zmanjša velikost uhajanja magnetnega toka na katodo in prečno magnetno polje, ki nastane na luknji pola. V tem članku dodajamo stopničasto strukturo polu fokusnega sistema. Debelina pola je na začetku nastavljena na 1,5 mm, višina in širina treh stopnic sta 0,5 mm, razdalja med luknjami pola pa je 2 mm, kot je prikazano na sliki 13.
Slika 14a prikazuje aksialno porazdelitev magnetnega polja vzdolž središčnih črt obeh elektronskih žarkov. Vidimo lahko, da so sile magnetnega polja vzdolž obeh elektronskih žarkov enake. Vrednost magnetnega polja je približno 6000 Gs, kar je 1,5-kratnik teoretičnega Brillouinovega polja za povečanje prenosa in učinkovitosti fokusiranja. Hkrati je magnetno polje na katodi skoraj 0, kar kaže, da ima pol dober učinek na preprečevanje uhajanja magnetnega pretoka. Slika 14b prikazuje prečno porazdelitev magnetnega polja By v smeri z na zgornjem robu obeh elektronskih žarkov. Vidimo lahko, da je prečno magnetno polje manjše od 200 Gs le pri odprtini pola, medtem ko je v počasnovalovnem vezju prečno magnetno polje skoraj nič, kar dokazuje, da je vpliv prečnega magnetnega polja na elektronski žarek zanemarljiv. Da bi preprečili magnetno nasičenost polov, je treba preučiti jakost magnetnega polja znotraj polov. Slika 14c prikazuje absolutno vrednost porazdelitve magnetnega polja znotraj pola. Vidimo lahko, da je absolutna vrednost jakosti magnetnega polja manj kot 1,2 T, kar pomeni, da do magnetne nasičenosti pola ne bo prišlo.
Porazdelitev jakosti magnetnega polja za Br = 1,3 T. (a) Aksialna porazdelitev polja. (b) Prečna porazdelitev polja By v smeri z. (c) Absolutna vrednost porazdelitve polja znotraj pola.
Na podlagi modula CST PS je optimiziran aksialni relativni položaj dvojnega žarka in sistema za fokusiranje. Glede na Ref. 9 in simulacije je optimalna lokacija tista, kjer se anodni del prekriva s polnim delom stran od magneta. Vendar pa je bilo ugotovljeno, da če je bila remanenca nastavljena na 1,3 T, prepustnost elektronskega žarka ne bi mogla doseči 99 %. Z zvišanjem remanence na 1,4 T se bo fokusno magnetno polje povečalo na 6500 Gs. Trajektorije žarka na ravninah xoz in yoz so prikazane na sliki 15. Vidimo lahko, da ima žarek dober prenos, majhna nihanja in prenosno razdaljo večjo od 45 mm.
Trajektorije dvojnih svinčnikovih žarkov pod homogenim magnetnim sistemom z Br = 1,4 T. (a) ravnina x oz. (b) letalo y oz.
Slika 16 prikazuje prečni prerez žarka na različnih položajih stran od katode. Vidimo lahko, da je oblika prereza žarka v sistemu za fokusiranje dobro vzdrževana in da se premer prereza ne spreminja bistveno. Slika 17 prikazuje ovojnico žarka v smeri x in y. Vidimo lahko, da je nihanje žarka v obeh smereh zelo majhno. Slika 18 prikazuje rezultate simulacije toka žarka. Rezultati kažejo, da je tok približno 2 × 80 mA, kar je skladno z izračunano vrednostjo v zasnovi elektronskega topa.
Presek elektronskega žarka (s sistemom za fokusiranje) na različnih položajih stran od katode.
Glede na vrsto težav, kot so napake pri sestavljanju, nihanja napetosti in spremembe jakosti magnetnega polja v praktičnih aplikacijah obdelave, je treba analizirati občutljivost sistema za fokusiranje. Ker je med anodnim delom in polom v dejanski obdelavi reža, je treba to režo nastaviti v simulaciji. Vrednost reže je bila nastavljena na 0,2 mm, slika 19a pa prikazuje ovojnico žarka in tok žarka v smeri y. Ta rezultat kaže, da sprememba ovojnice žarka ni pomembna in se tok žarka skoraj ne spreminja. Zato je sistem neobčutljiv na napake pri sestavljanju. Za nihanje pogonske napetosti je območje napake nastavljeno na ±0,5 kV. Slika 19b prikazuje rezultate primerjave. Vidimo lahko, da sprememba napetosti malo vpliva na ovojnico žarka. Območje napake je nastavljeno od -0,02 do +0,03 T za spremembe jakosti magnetnega polja. Rezultati primerjave so prikazani na sliki 20. Vidimo lahko, da se ovojnica žarka skoraj ne spreminja, kar pomeni, da je celoten EOS neobčutljiv na spremembe jakosti magnetnega polja.
Rezultati ovojnice žarka in toka pri enakomernem magnetnem fokusnem sistemu. (a) Toleranca montaže je 0,2 mm. (b) Nihanje pogonske napetosti je ±0,5 kV.
Ovojnica žarka pod enakomernim magnetnim fokusnim sistemom z aksialnimi nihanji jakosti magnetnega polja od 0,63 do 0,68 T.
Da bi zagotovili, da se sistem za fokusiranje, zasnovan v tem članku, ujema s HFS, je treba za raziskavo združiti sistem za fokusiranje in HFS. Slika 21 prikazuje primerjavo ovojnic žarka z obremenjenim HFS in brez njega. Rezultati kažejo, da se ovojnica žarka ne spremeni bistveno, ko je obremenjen celoten HFS. Zato je sistem za fokusiranje primeren za HFS s potujočo valovno cevjo zgoraj navedene zasnove.
Za preverjanje pravilnosti EOS, predlaganega v poglavju III, in raziskavo delovanja 220 GHz SDV-TWT je bila izvedena 3D-PIC simulacija interakcije žarka in vala. Zaradi omejitev programske opreme za simulacijo nismo mogli dodati celotnega EOS v HFS. Zato je bil elektronski top zamenjan z enakovredno sevalno površino s premerom 0,13 mm in razdaljo med obema površinama 0,31 mm, kar so enaki parametri kot pri zgoraj zasnovanem elektronskem topu. Zaradi neobčutljivosti in dobre stabilnosti EOS je mogoče pogonsko napetost ustrezno optimizirati za doseganje najboljše izhodne moči v simulaciji PIC. Rezultati simulacije kažejo, da je mogoče nasičeno izhodno moč in ojačanje doseči pri pogonski napetosti 20,6 kV, toku žarka 2 × 80 mA (603 A/cm2) in vhodni moči 0,05 W.
Da bi dosegli najboljši izhodni signal, je treba optimizirati tudi število ciklov. Najboljšo izhodno moč dosežemo, ko je število dveh stopenj 42 + 48 ciklov, kot je prikazano na sliki 22a. Vhodni signal 0,05 W se ojača na 314 W z ojačanjem 38 dB. Spekter izhodne moči, pridobljen s hitro Fourierjevo transformacijo (FFT), je čist, z vrhom pri 220 GHz. Slika 22b prikazuje aksialno porazdelitev energije elektronov v SWS, pri čemer večina elektronov izgublja energijo. Ta rezultat kaže, da lahko SDV-SWS pretvori kinetično energijo elektronov v RF signale in s tem doseže ojačanje signala.
Izhodni signal SDV-SWS pri 220 GHz. (a) Izhodna moč z vključenim spektrom. (b) Porazdelitev energije elektronov z elektronskim žarkom na koncu vložka SWS.
Slika 23 prikazuje pasovno širino izhodne moči in ojačanje dvomodnega dvožarkovnega SDV-TWT. Izhodno zmogljivost je mogoče dodatno izboljšati s spreminjanjem frekvenc od 200 do 275 GHz in optimizacijo pogonske napetosti. Ta rezultat kaže, da lahko pasovna širina 3 dB pokrije od 205 do 275 GHz, kar pomeni, da lahko dvomodno delovanje močno razširi delovno pasovno širino.
Vendar pa glede na sliko 2a vemo, da obstaja pas zaustavitve med lihim in sodim načinom, kar lahko povzroči neželena nihanja. Zato je treba preučiti stabilnost delovanja okoli pasov zaustavitve. Slike 24a-c prikazujejo rezultate 20 ns simulacije pri 265,3 GHz, 265,35 GHz oziroma 265,4 GHz. Vidimo lahko, da je izhodna moč kljub nekaterim nihanjem v rezultatih simulacije relativno stabilna. Spekter je prikazan tudi na sliki 24, spekter je čist. Ti rezultati kažejo, da v bližini pasu zaustavitve ni lastnega nihanja.
Izdelava in meritve so potrebne za preverjanje pravilnosti celotnega visokofrekvenčnega sistema za obdelavo (HFS). V tem delu je HFS izdelan z uporabo tehnologije računalniškega numeričnega krmiljenja (CNC) s premerom orodja 0,1 mm in natančnostjo obdelave 10 μm. Material za visokofrekvenčno strukturo je visokoprevodni baker brez kisika (OFHC). Slika 25a prikazuje izdelano strukturo. Celotna struktura ima dolžino 66,00 mm, širino 20,00 mm in višino 8,66 mm. Osem lukenj za zatiče je razporejenih po strukturi. Slika 25b prikazuje strukturo z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM). Rezila te strukture so enakomerno izdelana in imajo dobro hrapavost površine. Po natančni meritvi je skupna napaka obdelave manjša od 5 %, hrapavost površine pa je približno 0,4 μm. Obdelana struktura izpolnjuje zahteve glede zasnove in natančnosti.
Slika 26 prikazuje primerjavo med dejanskimi rezultati testov in simulacijami prenosne zmogljivosti. Vrata 1 in vrata 2 na sliki 26a ustrezajo vhodnim in izhodnim vratom HFS in so enakovredna vratom 1 in vratom 4 na sliki 3. Dejanski rezultati meritev S11 so nekoliko boljši od rezultatov simulacije. Hkrati so izmerjeni rezultati S21 nekoliko slabši. Razlog je lahko v tem, da je prevodnost materiala, nastavljena v simulaciji, previsoka in je hrapavost površine po dejanski obdelavi slaba. Na splošno se izmerjeni rezultati dobro ujemajo z rezultati simulacije, pasovna širina prenosa pa izpolnjuje zahtevo 70 GHz, kar potrjuje izvedljivost in pravilnost predlaganega dvomodnega SDV-TWT. Zato se lahko v kombinaciji z dejanskim postopkom izdelave in rezultati testov ultra širokopasovna dvosnopna SDV-TWT, predlagana v tem članku, uporabi za nadaljnjo izdelavo in aplikacije.
V tem članku je predstavljena podrobna zasnova planarnega porazdelitvenega dvožarkovnega SDV-TWT s frekvenco 220 GHz. Kombinacija dvojnega načina delovanja in dvojnega žarkovnega vzbujanja dodatno poveča delovno pasovno širino in izhodno moč. Izvedena sta tudi izdelava in hladni preizkus za preverjanje pravilnosti celotnega HFS. Dejanski rezultati meritev se dobro ujemajo z rezultati simulacije. Za zasnovan dvožarkovni EOS sta bili skupaj uporabljeni maska ​​in krmilne elektrode za izdelavo dvosvinčnega žarka. Pod zasnovanim enakomernim fokusirajočim magnetnim poljem se lahko elektronski žarek stabilno prenaša na dolge razdalje z dobro obliko. V prihodnosti bo izvedena proizvodnja in testiranje EOS ter toplotni preizkus celotnega TWT. Ta shema zasnove SDV-TWT, predlagana v tem članku, v celoti združuje trenutno zrelo tehnologijo obdelave ravnin in kaže velik potencial pri kazalnikih delovanja ter obdelavi in ​​montaži. Zato ta članek meni, da bo planarna struktura najverjetneje postala razvojni trend vakuumskih elektronskih naprav v teraherčnem pasu.
Večina surovih podatkov in analitičnih modelov v tej študiji je vključenih v ta članek. Nadaljnje ustrezne informacije lahko dobite pri ustreznem avtorju na razumno zahtevo.
Gamzina, D. et al. Nanoskalna CNC obdelava subteraherčne vakuumske elektronike. IEEE Trans.elektronske naprave. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. in Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikacija subteraherčnih valovodov z uporabo večplastnega fotorezista SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al., Načrt razvoja terahercijske tehnologije 2017. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR in Luhmann, NC Močna omejitev širjenja plazmonskih valov prek ultraširokopasovnih stopničasto razporejenih dvojno rešetkastih valovodov.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Zmogljivost nano CNC obdelanega 220 GHz potujočega cevnega ojačevalnika. IEEE Trans. Elektronske naprave. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. in Ruan, CJ. Raziskovanje diokotronske nestabilnosti neskončno širokih listnih elektronskih žarkov z uporabo teorije makroskopskega modela hladne tekočine. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV o možnosti povečanja pasovne širine z ravninsko postavitvijo žarka v večžarkovnem klistronu. V 12. mednarodni konferenci IEEE o vakuumski elektroniki, Bangalore, Indija, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Zasnova elektronskih topov s tremi žarki in ozko porazdelitvijo ravnine delitve žarka v stopničasto razporejeni dvokraki cevi s potujočim valovanjem v W-pasu [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB in Ruan, CJ Planarni porazdeljeni trižarkovni elektronski optični sistem z ozkim ločevanjem žarkov za TWT v W-pasu s temeljnim načinom. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Raziskava prepletene dvokrake cevi s potujočim valovanjem z milimetrskimi valovnimi ploščatimi nosilci 20-22 (doktorat, Univerza Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. in He, Y. Študija o stabilnosti interakcije žarka in valov v G-pasovni prepleteni dvokraki cevi s potujočim valovanjem. 2018 43. mednarodna konferenca o infrardečih milimetrskih in teraherčnih valovih, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).