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 zaradi zagotavljanja stalne podpore spletno mesto prikazali brez slogov in JavaScripta.
V tem prispevku je zasnovana in preverjena 220 GHz širokopasovna visoko zmogljiva prepletena dvokraka potujoča valovna cev. Prvič, predlagana je ravninska dvojnožarna zamaknjena dvojna lamelna počasna valovna struktura. Z uporabo sheme delovanja z dvojnim načinom sta zmogljivost prenosa in pasovna širina skoraj dvakrat večji od enosmerne. Drugič, da bi izpolnili zahteve visoke izhodne moči in izboljšali stabilnost cevi za potujoče valove, zasnovan je elektronski optični sistem v obliki dvojnega svinčnika, pogonska napetost je 20 ~ 21 kV, tok pa 2 × 80 mA. Cilji načrtovanja. Z uporabo dela maske in krmilne elektrode v pištoli z dvojnim žarkom se lahko žarka svinčnika fokusirata vzdolž svojih središč s kompresijskim razmerjem 7, razdalja ostrenja je približno 0,18 mm in stabilnost je dobra. Optimiziran je bil tudi enoten magnetni sistem za ostrenje .Stabilna prenosna razdalja ravninskega dvojnega elektronskega žarka lahko doseže 45 mm, fokusno magnetno polje pa je 0,6 T, kar zadostuje za pokritje celotnega visokofrekvenčnega sistema (HFS). Nato so bile za preverjanje uporabnosti elektronsko-optičnega sistema in delovanja strukture počasnih valov izvedene tudi simulacije celice delcev (PIC) na celotnem HFS. Rezultati kažejo, da lahko sistem interakcije snopa doseže največjo izhodno moč skoraj 31 0 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 okoli 70 GHz. Končno se izvede izdelava visoko natančne mikrostrukture, da se preveri delovanje HFS, rezultati pa kažejo, da se pasovna širina in karakteristike prenosa dobro ujemajo z rezultati simulacije. Zato se pričakuje, da bo shema, predlagana v tem dokumentu, razvila visoko zmogljive, ultraširokopasovne vire sevanja teraherčnega pasu s potencialom za prihodnje aplikacije.
Kot tradicionalna vakuumska elektronska naprava igra potujoča valovna cev (TWT) nenadomestljivo vlogo v številnih aplikacijah, kot so radar z visoko ločljivostjo, satelitski komunikacijski sistemi in raziskovanje vesolja1,2,3. Ko pa delovna frekvenca vstopi v teraherčni pas, tradicionalni TWT s sklopljeno votlino in vijačni TWT nista mogla zadovoljiti potreb ljudi zaradi relativno nizke izhodne moči, ozke pasovne širine in težke izdelave Zato je postalo vprašanje, kako celovito izboljšati delovanje pasu THz, zelo zaskrbljujoče vprašanje za številne znanstvenoraziskovalne ustanove. V zadnjih letih so nove počasne valovne strukture (SWS), kot so zamaknjene strukture z dvojnimi rezili (SDV) in strukture prepognjenega valovoda (FW), prejele veliko pozornosti zaradi svojih naravnih planarnih struktur, zlasti nove SDV-SWS z obetajočim potencialom. To strukturo je predlagal UC-Davis v 20084. Planarno strukturo je mogoče zlahka izdelati s tehnikami mikro-nano obdelave, kot sta računalniško numerično krmiljenje (CNC) in UV-LIGA, popolnoma kovinska struktura paketa lahko zagotovi večjo toplotno zmogljivost z večjo izhodno močjo in ojačenjem, valovodu podobna struktura pa lahko zagotovi tudi širšo delovno pasovno širino. Trenutno je UC Davis leta 2017 prvič pokazal, da lahko SDV-TWT ustvari močne izhode, ki presegajo 10 Signali pasovne širine 0 W in skoraj 14 GHz v G-pasu5. Vendar ti rezultati še vedno vsebujejo vrzeli, ki ne morejo izpolniti povezanih zahtev visoke moči in široke pasovne širine v teraherčnem pasu. Za SDV-TWT G-pasu UC-Davis so bili uporabljeni elektronski žarki. Čeprav lahko ta shema znatno izboljša tokovno nosilnost žarka, je težko vzdrževati dolgo razdaljo prenosa zaradi nestabilnosti elektronskega optičnega sistema s snopom (EOS) in obstaja tunel snopa prekomernega načina, ki lahko povzroči tudi samoregulacijo žarka.– Vzbujanje in nihanje 6,7. Da bi izpolnili zahteve visoke izhodne moči, široke pasovne širine in dobre stabilnosti THz TWT, je v tem prispevku predlagan dvožarkovni SDV-SWS z dvonačinskim delovanjem. To pomeni, da je za povečanje delovne pasovne širine predlagano in uvedeno dvonačinsko delovanje v tej strukturi. In za povečanje izhodne moči se uporablja tudi ravninska porazdelitev dvojnih svinčnikovih žarkov. radijski sprejemniki z enim svinčnikom so sorazmerno majhni zaradi omejitev navpične velikosti. Če je gostota toka previsoka, je treba tok žarka zmanjšati, kar ima za posledico relativno nizko izhodno moč. Za izboljšanje toka žarka se je pojavil planarno porazdeljen večžarek EOS, ki izkorišča stransko velikost SWS. Zaradi neodvisnega tuneliranja žarka lahko planarno porazdeljen večžarek doseže visoko izhodno moč z ohranjanjem visokega skupnega toka žarka in majhen tok na žarek, s čimer se je mogoče izogniti prekomernemu tuneliranju žarka v primerjavi z napravami s ploščatim žarkom. Zato je koristno ohraniti stabilnost cevi za potujoče valove. Na podlagi prejšnjega dela 8, 9 ta članek predlaga enotno magnetno polje G-pasu, ki fokusira žarek z dvojnim svinčnikom EOS, kar lahko močno izboljša stabilno razdaljo prenosa žarka in dodatno poveča območje interakcije žarka, s čimer se močno izboljša izhodna moč.
Struktura tega prispevka je naslednja. Najprej je opisana zasnova celice SWS s parametri, analiza disperzijskih karakteristik in rezultati visokofrekvenčne simulacije. Nato sta glede na strukturo enote celice v tem prispevku zasnovana EOS z dvojnim svinčnikom in sistem interakcije snopa. Predstavljeni so tudi rezultati simulacije znotrajceličnih delcev za preverjanje uporabnosti EOS in učinkovitosti SDV-TWT. Poleg tega prispevek na kratko predstavlja rezultate izdelave in hladnega preskusa za preverjanje pravilnosti celotnega HFS.Na koncu naredite povzetek.
Kot ena najpomembnejših komponent TWT disperzivne lastnosti počasnovalne strukture kažejo, ali se hitrost elektronov ujema s fazno hitrostjo SWS in ima tako velik vpliv na interakcijo žarek-val. Za izboljšanje delovanja celotnega TWT je zasnovana izboljšana struktura interakcije. Struktura enotske celice je prikazana na sliki 1. Glede na nestabilnost ploščatega žarka in omejitev moči enojnega peresnega žarka struktura sprejme dvojni žarek peresa za dodatno izboljšanje izhodne moči in stabilnosti delovanja.Medtem je bil za povečanje delovne pasovne širine predlagan dvojni način za delovanje SWS. Zaradi simetrije strukture SDV lahko rešitev disperzijske enačbe elektromagnetnega polja razdelimo na lihe in sode načine. Hkrati se osnovni lihi način nizkofrekvenčnega pasu in temeljni sodi način visokofrekvenčnega pasu uporabljata za realizacijo širokopasovne sinhronizacije interakcije žarka, s čimer se dodatno izboljša delovni pas. širina.
V skladu z zahtevami glede moči je celotna cev zasnovana z pogonsko napetostjo 20 kV in dvojnim žarkovnim tokom 2 × 80 mA. Da bi se napetost čim bolj ujemala z delovno pasovno širino SDV-SWS, moramo izračunati dolžino obdobja p. Razmerje med napetostjo žarka in periodo je prikazano v enačbi (1)10:
Z nastavitvijo faznega premika na 2,5π pri središčni frekvenci 220 GHz lahko periodo p izračunamo na 0,46 mm. Slika 2a prikazuje disperzijske lastnosti enote celice SWS. 20 kV žarkovna linija se zelo dobro ujema z bimodalno krivuljo. Ujemajoči se frekvenčni pasovi lahko dosežejo okoli 70 GHz v 210–265,3 GHz (lihi način) in 265,4–2 80 GHz (sodi način). Slika 2b prikazuje povprečno sklopitveno impedanco, ki je večja od 0,6 Ω od 210 do 290 GHz, kar kaže, da lahko pride do močnih interakcij v delovni pasovni širini.
(a) Disperzijske značilnosti dvonačinskega SDV-SWS z 20 kV elektronskim snopom. (b) Interakcijska impedanca počasnega vezja SDV.
Vendar je pomembno opozoriti, da obstaja pasovna vrzel med lihim in sodim načinom in to pasovno vrzel običajno imenujemo zavorni pas, kot je prikazano na sliki 2a. Če TWT deluje v bližini tega frekvenčnega pasu, lahko pride do močne sklopne moči žarka, kar bo povzročilo neželena nihanja. V praktičnih aplikacijah se na splošno izogibamo uporabi TWT blizu zavornega pasu. Vendar je mogoče videti, da je pasovna vrzel te počasne valovne strukture samo 0,1 GHz. Težko je ugotoviti, ali ta majhna pasovna vrzel povzroča nihanje. Zato bo stabilnost delovanja okoli zavornega pasu raziskana v naslednjem razdelku simulacije PIC, da se analizira, ali lahko pride do neželenih nihanj.
Model celotnega HFS je prikazan na sliki 3. Sestavljen je iz dveh stopenj SDV-SWS, povezanih z Braggovimi reflektorji. Funkcija reflektorja je, da prekine prenos signala med obema stopnjama, zaduši nihanje in odboj nedelujočih načinov, kot so načini visokega reda, ustvarjeni med zgornjim in spodnjim rezilom, s čimer se močno izboljša stabilnost celotne cevi. Za povezavo z zunanjim okoljem je linearna stožčasta spojka uporablja se tudi za povezavo SWS s standardnim valovodom WR-4. Transmisijski koeficient dvonivojske strukture se meri z reševalnikom časovne domene v programski opremi za 3D simulacijo. Glede na dejanski učinek teraherčnega pasu na material je material vakuumske ovojnice na začetku nastavljen na baker, prevodnost pa je zmanjšana na 2,25 × 107 S/m12.
Slika 4 prikazuje rezultate prenosa za HFS z linearnimi stožčastimi spojniki in brez njih. Rezultati kažejo, da spojnik malo vpliva na zmogljivost prenosa celotnega HFS. Povratna izguba (S11 < − 10 dB) in vstavljena izguba (S21 > − 5 dB) celotnega sistema v širokopasovnem omrežju 207 ~ 280 GHz kažeta, da ima HFS dobre lastnosti prenosa.
Ker napajanje vakuumskih elektronskih naprav neposredno določa, ali lahko naprava ustvari dovolj izhodne moči.Compided z analizo HF-jev v oddelku II, mora biti EOS z dvojnim žarkom zasnovan tako, da zagotavlja zadostno moč. V tem delu, ki temelji na predhodnem delu v W-Band8,9, je prikazana v SWS. Elektrod.2 je pogonska napetost Ua elektronskih žarkov na začetku nastavljena na 20 kV, tokova I obeh elektronskih žarkov sta oba 80 mA, premer žarka dw elektronskih žarkov pa je 0,13 mm. Hkrati je za zagotovitev, da je mogoče doseči gostoto toka elektronskega žarka in katode, kompresijsko razmerje elektronskega žarka nastavljeno na 7, tako da je tok gostota elektronskega snopa je 603 A/cm2, gostota toka katode pa je 86 A/cm2, kar je mogoče doseči z uporabo novih katodnih materialov. V skladu s teorijo načrtovanja 14, 15, 16, 17 je tipično Pierceovo elektronsko pištolo mogoče enolično prepoznati.
Slika 5 prikazuje vodoravni in navpični shematski diagram pištole. Vidimo lahko, da je profil elektronske pištole v x-smeri skoraj identičen profilu tipične pločevine, medtem ko sta v y-smeri dva elektronska žarka delno ločena z masko. Položaja obeh katod sta pri x = – 0,155 mm, y = 0 mm in x = 0,15. 5 mm, y = 0 mm, v tem zaporedju. Glede na konstrukcijske zahteve glede kompresijskega razmerja in velikosti vbrizgavanja elektronov sta dimenziji obeh katodnih površin določeni na 0,91 mm × 0,13 mm.
Da bi bilo fokusirano električno polje, ki ga prejme vsak elektronski žarek v smeri x, simetrično glede na svoje središče, ta članek uporabi kontrolno elektrodo za elektronsko pištolo. Z nastavitvijo napetosti fokusne elektrode in kontrolne elektrode na –20 kV in napetosti anode na 0 V, lahko dobimo porazdelitev trajektorije pištole z dvojnim žarkom, kot je prikazano na sliki 6. Vidimo lahko, da oddani elektroni imajo dobro stisljivost v y-smeri in vsak elektronski žarek konvergira proti x-smeri vzdolž lastnega simetrijskega središča, kar kaže, da krmilna elektroda uravnoteži neenakomerno električno polje, ki ga ustvari fokusna elektroda.
Slika 7 prikazuje ovojnico žarka v smereh x in y. Rezultati kažejo, da je projekcijska razdalja elektronskega žarka v smeri x drugačna od tiste v smeri y. Razdalja razdalje v smeri x je približno 4 mm, razdalja razdalje v smeri y pa blizu 7 mm. Zato je treba dejansko razdaljo razdalje izbrati med 4 in 7 mm. Slika 8 prikazuje prečni prerez žarka elektronov pri 4,6 mm od površine katode. Vidimo lahko, da je oblika preseka najbližja standardnemu krožnemu elektronskemu žarku. Razdalja med dvema elektronskima žarkoma je blizu načrtovanih 0,31 mm, polmer pa je približno 0,13 mm, kar ustreza konstrukcijskim zahtevam. Slika 9 prikazuje rezultate simulacije toka žarka. Vidimo lahko, da sta dva toka žarka 76 mA, kar se dobro ujema z načrtovanimi 80 m A.
Glede na nihanje pogonske napetosti v praktičnih aplikacijah je treba preučiti napetostno občutljivost tega modela. V območju napetosti 19,8 ~ 20,6 kV se dobijo ovojnice toka in žarkovnega toka, kot je prikazano na sliki 1 ter sliki 1.10 in 11. Iz rezultatov je razvidno, da sprememba pogonske napetosti ne vpliva na ovojnico elektronskega žarka, tok elektronskega žarka pa se spreminja samo od 0,74 do 0,78 A. Zato se lahko šteje, da ima elektronska puška, zasnovana v tem dokumentu, dobro občutljivost na napetost.
Vpliv nihanj pogonske napetosti na ovojnice žarka v smeri x in y.
Enotno magnetno fokusno polje je običajen sistem za fokusiranje trajnega magneta. Zaradi enakomerne porazdelitve magnetnega polja po celotnem kanalu žarka je zelo primeren za osnosimetrične elektronske žarke. V tem razdelku je predlagan enoten magnetni fokusni sistem za vzdrževanje prenosa žarkov z dvojnim svinčnikom na dolge razdalje. Z analizo ustvarjenega magnetnega polja in ovojnice žarka je predlagana shema načrtovanja sistema za fokusiranje in preučen problem občutljivosti. V skladu s teorijo stabilnega prenosa enojnega žarka svinčnika18,19 je mogoče Brillouinovo vrednost magnetnega polja izračunati z enačbo (2). V tem prispevku uporabljamo to enakovrednost tudi za oceno magnetnega polja bočno porazdeljenega dvojnega žarka svinčnika. V kombinaciji z elektronsko pištolo, zasnovano v tem dokumentu, je izračunana vrednost magnetnega polja približno 4000 Gs. Glede na Ref.20, 1,5- do 2-kratna izračunana vrednost je običajno izbrana v praktičnih načrtih.
Slika 12 prikazuje strukturo enotnega sistema polja za fokusiranje magnetnega polja. Modri ​​del je trajni magnet, magnetiziran v aksialni smeri. Izbira materiala je NdFeB ali FeCoNi. Remanenca Br, nastavljena v simulacijskem modelu, je 1,3 T in prepustnost 1,05. Da bi zagotovili stabilen prenos žarka v celotnem vezju, je dolžina magneta na začetku nastavljena na 70 mm. Poleg tega je velikost magneta v Smer x določa, ali je prečno magnetno polje v kanalu žarka enakomerno, kar zahteva, da velikost v smeri x ne sme biti premajhna. Hkrati glede na ceno in težo celotne cevi velikost magneta ne sme biti prevelika. Zato so magneti na začetku nastavljeni na 150 mm × 150 mm × 70 mm. Medtem, da zagotovimo, da je celotno vezje počasnih valov mogoče postaviti v sistem za fokusiranje, je razdalja med magnetoma s je nastavljen na 20 mm.
Leta 2015 je Purna Chandra Panda21 predlagal pol z novo stopničasto luknjo v enotnem magnetnem sistemu za fokusiranje, ki lahko dodatno zmanjša obseg uhajanja fluksa na katodo in prečno magnetno polje, ki nastane na luknji za pol. treh stopenj je 0,5 mm, razdalja med luknjami pola je 2 mm, kot je prikazano na sliki 13.
Slika 14a prikazuje porazdelitev aksialnega magnetnega polja vzdolž srednjic obeh elektronskih žarkov. Vidimo lahko, da sta sili magnetnega polja vzdolž obeh elektronskih žarkov enaki. Vrednost magnetnega polja je približno 6000 Gs, kar je 1,5-krat več od teoretičnega Brillouinovega polja za povečanje zmogljivosti prenosa in fokusiranja. Hkrati je magnetno polje na katodi skoraj 0, kar kaže, da ima pol kos dober učinek na preprečevanje uhajanja magnetnega pretoka. Slika 14b prikazuje porazdelitev transverzalnega magnetnega polja By v smeri z na zgornjem robu dveh elektronskih žarkov. Vidimo lahko, da je transverzalno magnetno polje manjše od 200 Gs le pri luknji pola, medtem ko je v počasnem valovnem vezju transverzalno magnetno polje skoraj nič, kar dokazuje, da je vpliv transverzalnega magnetnega polja na elektronski žarek zanemarljiv Da bi preprečili magnetno nasičenje polov, je treba preučiti jakost magnetnega polja znotraj polov. Slika 14c prikazuje absolutno vrednost porazdelitve magnetnega polja znotraj polov. Vidimo lahko, da je absolutna vrednost jakosti magnetnega polja manjša od 1,2 T, kar kaže, da do magnetne nasičenosti polov ne bo prišlo.
Porazdelitev jakosti magnetnega polja za Br = 1,3 T. (a) Aksialna porazdelitev polja. (b) Bočna porazdelitev polja By v smeri z. (c) Absolutna vrednost porazdelitve polja znotraj pola.
Na osnovi modula CST PS je optimiziran aksialni relativni položaj pištole z dvojnim žarkom in sistema za ostrenje. V skladu z ref.9 in simulacijah je optimalna lokacija tam, kjer kos anode prekriva pol kos stran od magneta. Vendar je bilo ugotovljeno, da če je bila remanenca nastavljena na 1,3 T, prepustnost elektronskega žarka ne bi mogla doseči 99 %. S povečanjem remanence na 1,4 T se bo fokusno magnetno polje povečalo na 6500 Gs. Trajektori žarka na ravninah xoz in yoz so prikazani na sliki 15. Vidimo lahko, da ima žarek dober prenos, majhno nihanje in razdaljo prenosa večjo od 45 mm.
Trajektorije žarkov dvojnega svinčnika pod homogenim magnetnim sistemom z Br = 1,4 T. (a) ravnina xoz. (b) letalo yoz.
Slika 16 prikazuje prečni prerez žarka na različnih položajih stran od katode. Vidimo lahko, da je oblika odseka žarka v sistemu za fokusiranje dobro ohranjena, premer odseka pa se ne spreminja veliko. Slika 17 prikazuje ovojnice žarka v smereh x oziroma y. Vidimo lahko, da je nihanje žarka v obe smeri zelo majhno. Slika 18 prikazuje rezultate simulacije žarka Rezultati kažejo, da je tok približno 2 × 80 mA, kar je skladno z izračunano vrednostjo v zasnovi elektronske pištole.
Prerez elektronskega žarka (s sistemom za fokusiranje) na različnih mestih stran od katode.
Ob upoštevanju vrste težav, kot so napake pri sestavljanju, nihanja napetosti in spremembe jakosti magnetnega polja pri praktičnih aplikacijah obdelave, je treba analizirati občutljivost sistema za fokusiranje. Ker med dejanskim procesom obstaja vrzel med kosom anode in polom, je treba to vrzel nastaviti v simulaciji. Vrednost vrzeli je bila nastavljena na 0,2 mm, slika 19a pa prikazuje ovojnico žarka in tok žarka v smeri y. Ta rezultat kaže, da sprememba v ovojnici žarka ni bistvena in da se tok žarka skoraj ne spremeni. Zato je sistem neobčutljiv na napake pri montaži. Za nihanje pogonske napetosti je območje napake nastavljeno na ±0,5 kV. Slika 19b prikazuje rezultate primerjave. Vidimo, da sprememba napetosti malo vpliva na ovojnico žarka. Območje napake je nastavljeno od -0,02 do +0,03 T za spremembe Rezultati primerjave so prikazani na sliki 20. Vidimo, da se žarkovna ovojnica skoraj ne spreminja, kar pomeni, da je celoten EOS neobčutljiv na spremembe jakosti magnetnega polja.
Ovojnica žarka in tok nastaneta pri enotnem sistemu magnetnega fokusiranja. (a) Toleranca sestavljanja je 0,2 mm. (b) Nihanje pogonske napetosti je ±0,5 kV.
Ovoj žarka pod enotnim sistemom magnetnega fokusiranja z nihanji aksialne jakosti magnetnega polja v razponu od 0,63 do 0,68 T.
Da bi zagotovili, da se sistem za fokusiranje, zasnovan v tem dokumentu, lahko ujema s HFS, je treba združiti sistem za fokusiranje in HFS za raziskave. Slika 21 prikazuje primerjavo ovojnic žarka z naloženim HFS in brez njega. Rezultati kažejo, da se ovojnica žarka ne spremeni veliko, ko je naložen celoten HFS. Zato je sistem za fokusiranje primeren za cev za potujoče valove HFS zgornje zasnove.
Za preverjanje pravilnosti EOS, predlaganega v razdelku III, in raziskovanje delovanja 220 GHz SDV-TWT, je bila izvedena 3D-PIC simulacija interakcije snop-val. Zaradi omejitev simulacijske programske opreme nismo mogli dodati celotnega EOS v HFS. Zato je bila elektronska puška nadomeščena z enakovredno oddajno površino s premerom 0,13 mm in razdaljo med obema površinama 0 0,31 mm, enaki parametri kot zgoraj zasnovana elektronska puška. Zaradi neobčutljivosti in dobre stabilnosti EOS je pogonsko napetost mogoče pravilno optimizirati, da se doseže najboljša izhodna moč v simulaciji PIC. Rezultati simulacije kažejo, da je nasičeno izhodno moč in ojačanje mogoče doseči pri pogonski napetosti 20,6 kV, žarkovnem toku 2 × 80 mA (603 A/cm2) in vhodni moči 0,0 5 W.
Za pridobitev najboljšega izhodnega signala je treba optimizirati tudi število ciklov. Najboljšo izhodno moč dosežemo, če je število dveh stopenj 42 + 48 ciklov, kot je prikazano na sliki 22a. Vhodni signal z močjo 0,05 W se ojača na 314 W z ojačanjem 38 dB. Spekter izhodne moči, dobljen s hitro Fourierjevo transformacijo (FFT), je čist in doseže vrh pri 220 GHz. e 22b prikazuje aksialno pozicijsko porazdelitev energije elektronov v SWS, pri čemer večina elektronov izgubi energijo. Ta rezultat kaže, da lahko SDV-SWS pretvori kinetično energijo elektronov v RF signale in tako realizira 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 ojačenje dvonačinovnega dvožarkovnega SDV-TWT. Izhodno zmogljivost je mogoče dodatno izboljšati s preklopom 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 delovanje v dvojnem načinu močno razširi delovno pasovno širino.
Vendar glede na sliko 2a vemo, da obstaja pas za zaustavitev med lihim in sodim načinom, kar lahko povzroči neželena nihanja. Zato je treba preučiti delovno stabilnost okoli postankov. Slike 24a-c so rezultati simulacije 20 ns pri 265,3 GHz, 265,35 GHz oziroma 265,4 GHz. Vidimo lahko, da imajo rezultati simulacije nekaj nihanja, je izhodna moč razmeroma stabilna. Spekter je prikazan tudi na sliki 24, spekter je čist. Ti rezultati kažejo, da v bližini zavornega pasu ni lastnega nihanja.
Izdelava in meritve so potrebne za preverjanje pravilnosti celotnega HFS. V tem delu je HFS izdelan s tehnologijo računalniškega numeričnega krmiljenja (CNC) s premerom orodja 0,1 mm in natančnostjo obdelave 10 μm. Material za visokofrekvenčno strukturo je brezkisikov baker z visoko prevodnostjo (OFHC). Slika 25a prikazuje izdelano strukturo. Celotna struktura ima dolžino 66. 00 mm, širine 20,00 mm in višine 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 površinsko hrapavost. Po natančnih meritvah je skupna napaka obdelave manjša od 5 %, površinska hrapavost pa približno 0,4 μm. Obdelovalna struktura izpolnjuje zahteve glede oblikovanja in natančnosti.
Slika 26 prikazuje primerjavo med dejanskimi rezultati preskusa in simulacijami zmogljivosti prenosa. Vrata 1 in vrata 2 na sliki 26a ustrezajo vhodnim oziroma izhodnim vratom HFS in so enakovredna vratom 1 in vrati 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 površinska hrapavost po dejanski obdelavi je 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 dvojnega načina SDV-TWT. Zato se lahko v kombinaciji z dejanskim postopkom izdelave in rezultati testiranja uporabi ultraširokopasovna zasnova dvojnega žarka SDV-TWT, predlagana v tem dokumentu za kasnejšo izdelavo in uporabo.
V tem prispevku je predstavljena podrobna zasnova dvožarkovnega SDV-TWT z ravninsko distribucijo 220 GHz. Kombinacija dvonačinskega delovanja in vzbujanja z dvojnim žarkom dodatno poveča delovno pasovno širino in izhodno moč. Za preverjanje pravilnosti celotnega HFS se izvajata tudi izdelava in hladni preskus.Dejanski rezultati meritev se dobro ujemajo z rezultati simulacije. Za zasnovani dvožarkovni EOS so masko in kontrolne elektrode uporabili skupaj za izdelavo žarka z dvema svinčnikoma. Pod zasnovanim enakomernim fokusnim magnetnim poljem se lahko elektronski žarek stabilno prenaša na velike razdalje z dobro obliko. V prihodnosti se bo izvedla proizvodnja in testiranje EOS, prav tako bo izveden toplotni preskus celotnega TWT. Ta shema načrtovanja SDV-TWT, predlagana v tem papir v celoti združuje trenutno zrelo tehnologijo ravninske obdelave in kaže velik potencial pri kazalnikih učinkovitosti ter obdelavi in ​​sestavljanju. Zato ta dokument verjame, da bo planarna struktura najverjetneje postala razvojni trend vakuumskih elektronskih naprav v pasu terahercev.
Večina neobdelanih podatkov in analitičnih modelov v tej študiji je bila vključena v ta dokument. Nadaljnje pomembne informacije lahko dobite pri ustreznem avtorju na razumno zahtevo.
Gamzina, D. et al. CNC obdelava podteraherčne vakuumske elektronike na nanometrskem merilu. IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. in Paoloni, C. UV-LIGA mikroizdelava subteraherčnih valovodov z uporabo večplastnega fotoupora SU-8.J.Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 THz tehnološki načrt.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 Močna omejitev širjenja plazmoničnih valov prek ultraširokopasovnih zamaknjenih valovodov z dvojno rešetko.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Učinkovitost nano CNC strojno obdelanega 220-GHz potujočega valovnega ojačevalnika. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Raziskovanje diokotronske nestabilnosti neskončno širokih ploščatih elektronskih žarkov z uporabo teorije modela makroskopske hladne tekočine. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV o priložnosti za povečanje pasovne širine s planarno postavitvijo žarka v klistronu z več žarki. Na 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 trižarkovnih elektronskih topov z ozko porazdelitvijo ravnine cepitve žarka v W-pasu zamaknjene dvokrake potujoče valovne cevi [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 Planarni porazdeljeni trižarkovni elektronski optični sistem z ozkim ločevanjem žarkov za temeljni način W-pasu TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Raziskave o prepleteni dvokrilni potujoči valovni cevi z milimetrskimi žarki 20-22 (doktorat, Univerza Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Študija o stabilnosti medsebojnega delovanja med snopom in valom prepletene elektronke s potujočimi valovi z dvojnimi rezili G-pasu. 2018 43. mednarodna konferenca o infrardečih milimetrskih in teraherčnih valovih, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.851 0263 (2018).