ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS แบบจำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้แน่ใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีรูปแบบและ JavaScript
ในเอกสารฉบับนี้ มีการออกแบบและตรวจสอบท่อคลื่นเคลื่อนที่แบบใบมีดสองใบกำลังสูงแบบบรอดแบนด์ความถี่สูง 220GHz ประการแรก เสนอโครงสร้างคลื่นช้าแบบระนาบคู่แบบลำแสงคู่แบบส่ายสองชั้น โดยการใช้รูปแบบการทำงานแบบสองโหมด ประสิทธิภาพการส่งสัญญาณและแบนด์วิธเกือบสองเท่าของโหมดเดี่ยว ประการที่สอง เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของกำลังขับสูงและปรับปรุงเสถียรภาพของท่อคลื่นเคลื่อนที่ ระบบออปติคัลอิเล็กทรอนิกส์รูปดินสอคู่ได้รับการออกแบบ แรงดันไฟฟ้าในการขับขี่คือ 2 0~21 kV และกระแสไฟคือ 2 × 80 มิลลิแอมป์ เป้าหมายในการออกแบบด้วยการใช้ส่วนหน้ากากและอิเล็กโทรดควบคุมในปืนลำแสงคู่ ลำแสงดินสอทั้งสองสามารถโฟกัสไปตามจุดศูนย์กลางที่เกี่ยวข้องด้วยอัตราส่วนการอัด 7 ระยะโฟกัสประมาณ 0.18 มม. และเสถียรภาพดี ระบบโฟกัสแม่เหล็กแบบสม่ำเสมอยังได้รับการปรับให้เหมาะสม ระยะการส่งผ่านที่เสถียรของลำแสงอิเล็กตรอนคู่ระนาบสามารถสูงถึง 45 มม. และสนามแม่เหล็กโฟกัสคือ 0.6 T ซึ่งเพียงพอ ครอบคลุมระบบความถี่สูงทั้งหมด (HFS) จากนั้น เพื่อตรวจสอบความสามารถในการใช้งานของระบบอิเลคตรอน-ออปติคอลและประสิทธิภาพของโครงสร้างคลื่นช้า จึงทำการจำลองเซลล์อนุภาค (PIC) บน HFS ทั้งหมด ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าระบบปฏิสัมพันธ์ของลำแสงสามารถรับกำลังขับสูงสุดเกือบ 310 W ที่ 220 GHz แรงดันลำแสงที่เหมาะสมคือ 20.6 kV กระแสของลำแสงคือ 2 × 80 mA อัตราขยายคือ 38 dB และ แบนด์วิธ 3 เดซิเบลเกิน 35 เดซิเบลประมาณ 70 กิกะเฮิรตซ์ ในที่สุด การผลิตโครงสร้างจุลภาคที่มีความแม่นยำสูงจะดำเนินการเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของ HFS และผลปรากฏว่าแบนด์วิธและลักษณะการส่งสัญญาณมีความสอดคล้องกันดีกับผลการจำลอง ดังนั้น โครงร่างที่เสนอในบทความนี้คาดว่าจะพัฒนาแหล่งกำเนิดรังสีความถี่สูงแบบบรอดแบนด์ความถี่สูงที่มีศักยภาพสำหรับการใช้งานในอนาคต
ในฐานะที่เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศแบบดั้งเดิม หลอดคลื่นเคลื่อนที่ (TWT) มีบทบาทที่ไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในหลายๆ แอปพลิเคชัน เช่น เรดาร์ความละเอียดสูง ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม และการสำรวจอวกาศ1,2,3 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความถี่ในการทำงานเข้าสู่ย่านความถี่เทราเฮิรตซ์ TWT แบบช่องคู่แบบดั้งเดิมและ TWT แบบเฮลิคอลไม่สามารถตอบสนองความต้องการของผู้คนได้เนื่องจากกำลังขับค่อนข้างต่ำ แบนด์วิธแคบ และกระบวนการผลิตที่ยากลำบาก ดังนั้น วิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างครอบคลุม ของย่านความถี่ THz กลายเป็นประเด็นกังวลอย่างมากสำหรับสถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์หลายแห่ง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โครงสร้างคลื่นช้า (SWS) แบบใหม่ เช่น โครงสร้างใบมีดคู่ (SDV) แบบเซ และโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบพับ (FW) ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางเนื่องจากโครงสร้างระนาบตามธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง SDV-SWS แบบใหม่ที่มีศักยภาพที่สดใส โครงสร้างนี้เสนอโดย UC-Davis ในปี 2551 โครงสร้างระนาบสามารถสร้างได้ง่ายด้วยเทคนิคการประมวลผลระดับไมโครนาโน เช่น การควบคุมเชิงตัวเลขด้วยคอมพิวเตอร์ (CNC) และ UV-LIGA โครงสร้างบรรจุภัณฑ์ที่เป็นโลหะล้วนสามารถให้ความจุความร้อนที่มากขึ้นพร้อมกำลังเอาต์พุตและอัตราขยายที่สูงกว่า และโครงสร้างคล้ายท่อนำคลื่นยังสามารถให้แบนด์วิดท์การทำงานที่กว้างขึ้น ปัจจุบัน UC Davis แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกในปี 2560 ว่า SDV-TWT สามารถสร้างเอาต์พุตกำลังสูงเกินกว่า 100 W และสัญญาณแบนด์วิดท์เกือบ 14 GHz ใน G-band5 อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์เหล่านี้ยังมีช่องว่างที่ ไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่เกี่ยวข้องของพลังงานสูงและแบนด์วิธที่กว้างในย่านความถี่เทราเฮิรตซ์ได้ สำหรับ G-band SDV-TWT ของ UC-Davis จะใช้คานอิเล็กตรอนแบบแผ่น แม้ว่ารูปแบบนี้จะช่วยปรับปรุงความสามารถในการรับน้ำหนักในปัจจุบันของลำแสงได้อย่างมาก แต่ก็เป็นเรื่องยากที่จะรักษาระยะการส่งข้อมูลให้นานเนื่องจากความไม่เสถียรของระบบออปติคัลอิเล็กตรอนแบบแผ่น (EOS) และยังมีอุโมงค์ลำแสงโหมดโอเวอร์ซึ่งอาจทำให้ลำแสงควบคุมตัวเองได้เช่นกัน– การกระตุ้นและการสั่น 6,7 เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของกำลังขับสูง แบนด์วิธกว้าง และความเสถียรที่ดีของ THz TWT จึงเสนอ SDV-SWS แบบลำแสงคู่พร้อมการทำงานแบบสองโหมดในเอกสารนี้ กล่าวคือ เพื่อเพิ่มแบนด์วิธในการดำเนินงาน จึงเสนอและแนะนำการทำงานแบบสองโหมดในโครงสร้างนี้ และเพื่อเพิ่มกำลังขับ จึงมีการใช้การกระจายระนาบของลำแสงดินสอคู่ด้วย ลำแสงดินสอเดี่ยวมีขนาดค่อนข้างเล็กเนื่องจากขนาดแนวตั้ง ข้อจำกัด หากความหนาแน่นกระแสสูงเกินไป กระแสของลำแสงจะต้องลดลง ส่งผลให้กำลังขับค่อนข้างต่ำ เพื่อปรับปรุงกระแสของลำแสง ระบบ EOS แบบหลายลำแสงแบบกระจายระนาบจึงถือกำเนิดขึ้น ซึ่งใช้ประโยชน์จากขนาดด้านข้างของ SWS เนื่องจากการขุดอุโมงค์ลำแสงอิสระ ลำแสงหลายลำแสงแบบกระจายระนาบสามารถรับกำลังขับสูงโดยการรักษากระแสลำแสงรวมสูงและกระแสต่อลำแสงน้อย ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการทำอุโมงค์ลำแสงมากเกินไปเมื่อเทียบกับอุปกรณ์แผ่นลำแสง ดังนั้นจึงเป็นประโยชน์ในการรักษาเสถียรภาพของการเดินทาง หลอดคลื่น จากผลงานก่อนหน้านี้ 8,9 บทความนี้เสนอสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ G-band โดยเน้นลำแสงดินสอคู่ EOS ซึ่งสามารถปรับปรุงระยะการส่งผ่านที่เสถียรของลำแสงได้อย่างมาก และเพิ่มพื้นที่ปฏิสัมพันธ์ของลำแสง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงกำลังขับอย่างมาก
โครงสร้างของบทความนี้มีดังต่อไปนี้ ขั้นแรกอธิบายการออกแบบเซลล์ SWS พร้อมพารามิเตอร์ การวิเคราะห์ลักษณะการกระจายตัว และผลการจำลองความถี่สูง จากนั้น ตามโครงสร้างของยูนิตเซลล์ EOS ลำแสงดินสอคู่และระบบปฏิสัมพันธ์ของลำแสงได้รับการออกแบบในบทความนี้ ผลการจำลองอนุภาคภายในเซลล์ยังแสดงเพื่อตรวจสอบความสามารถในการใช้งานของ EOS และประสิทธิภาพของ SDV-TWT นอกจากนี้ เอกสารนำเสนอโดยสังเขปของการผลิตและผลการทดสอบเย็นเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของ HFS ทั้งหมด ขั้นสุดท้ายให้ทำการสรุป
ในฐานะที่เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของ TWT คุณสมบัติการกระจายตัวของโครงสร้างคลื่นช้าบ่งชี้ว่าความเร็วของอิเล็กตรอนตรงกับความเร็วเฟสของ SWS หรือไม่ และด้วยเหตุนี้จึงมีอิทธิพลอย่างมากต่อการทำงานร่วมกันของคลื่นลำแสง เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของ TWT ทั้งหมด โครงสร้างการโต้ตอบที่ได้รับการปรับปรุงได้รับการออกแบบ โครงสร้างของเซลล์หน่วยแสดงในรูปที่ 1 เมื่อพิจารณาถึงความไม่เสถียรของลำแสงแผ่นและข้อจำกัดด้านพลังงานของลำแสงปากกาเดี่ยว โครงสร้างจะใช้ลำแสงปากกาคู่เพื่อปรับปรุงเอาต์พุตให้ดียิ่งขึ้น กำลังและเสถียรภาพในการทำงานในขณะเดียวกัน เพื่อเพิ่มแบนด์วิธในการทำงาน จึงมีการเสนอโหมดคู่สำหรับการทำงานของ SWS เนื่องจากความสมมาตรของโครงสร้าง SDV การแก้ปัญหาของสมการการกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจึงสามารถแบ่งออกเป็นโหมดคี่และโหมดคู่ได้ ในเวลาเดียวกัน โหมดคี่พื้นฐานของแถบความถี่ต่ำและโหมดคู่พื้นฐานของแถบความถี่สูงจะถูกใช้เพื่อรับรู้การซิงโครไนซ์บรอดแบนด์ของการโต้ตอบของลำแสง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงแบนด์วิดท์การทำงานให้ดียิ่งขึ้น
ตามข้อกำหนดด้านพลังงาน ท่อทั้งเส้นได้รับการออกแบบให้มีแรงดันขับ 20 kV และกระแสไฟคู่ 2 × 80 mA เพื่อให้แรงดันไฟตรงกับแบนด์วิธการทำงานของ SDV-SWS มากที่สุด เราจำเป็นต้องคำนวณความยาวของช่วงเวลา p ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันลำแสงและระยะเวลาแสดงในสมการ (1)10:
เมื่อตั้งค่าการเลื่อนเฟสเป็น 2.5π ที่ความถี่ศูนย์กลางที่ 220 GHz สามารถคำนวณคาบ p ได้เท่ากับ 0.46 มม. รูปที่ 2a แสดงคุณสมบัติการกระจายของเซลล์หน่วย SWS บีมไลน์ 20 kV ตรงกับเส้นโค้ง bimodal เป็นอย่างดี แถบความถี่ที่ตรงกันสามารถเข้าถึงประมาณ 70 GHz ใน 210–265.3 GHz (โหมดคี่) และ 265.4–280 GHz (โหมดคู่) ช่วง รูปที่ 2b แสดงค่าเฉลี่ยของอิมพีแดนซ์คัปลิง ซึ่งมากกว่า 0.6 Ω จาก 210 ถึง 290 GHz ซึ่งบ่งชี้ว่าอาจมีการโต้ตอบที่รุนแรงในแบนด์วิดท์การทำงาน
(a) ลักษณะการกระจายของ SDV-SWS สองโหมดที่มีลำแสงอิเล็กตรอน 20 kV (b) อิมพีแดนซ์การโต้ตอบของวงจรคลื่นช้า SDV
อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่ามีช่องว่างของแถบความถี่ระหว่างโหมดคี่และโหมดคู่ และเรามักจะเรียกช่องว่างของแถบนี้ว่าแถบหยุด ดังแสดงในรูปที่ 2a หาก TWT ทำงานใกล้กับแถบความถี่นี้ อาจเกิดความแข็งแรงของการเชื่อมต่อลำแสงที่รุนแรง ซึ่งจะนำไปสู่การสั่นที่ไม่ต้องการ ในการใช้งานจริง เรามักหลีกเลี่ยงการใช้ TWT ใกล้กับแถบหยุด อย่างไรก็ตาม จะเห็นได้ว่าช่องว่างของแถบความถี่ของโครงสร้างคลื่นช้านี้มีค่าเพียง 0.1 GHz เท่านั้น เป็นการยากที่จะระบุว่ามีขนาดเล็กเท่านี้ ช่องว่างแถบทำให้เกิดการสั่น ดังนั้น ความเสถียรของการทำงานรอบแถบหยุดจะถูกตรวจสอบในส่วนการจำลอง PIC ต่อไปนี้เพื่อวิเคราะห์ว่าอาจเกิดการสั่นที่ไม่ต้องการหรือไม่
แบบจำลองของ HFS ทั้งหมดแสดงในรูปที่ 3 ประกอบด้วย SDV-SWS สองขั้นซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยตัวสะท้อนแสง Bragg หน้าที่ของตัวสะท้อนแสงคือตัดการส่งสัญญาณระหว่างสองขั้น ระงับการสั่นและการสะท้อนของโหมดที่ไม่ทำงาน เช่น โหมดคำสั่งสูงที่สร้างขึ้นระหว่างใบมีดบนและล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความเสถียรของท่อทั้งหมดอย่างมาก สำหรับการเชื่อมต่อกับสภาพแวดล้อมภายนอก ตัวเชื่อมต่อเทเปอร์เชิงเส้นยังใช้เพื่อเชื่อมต่อ SWS กับ wavegu มาตรฐาน WR-4 ide ค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านของโครงสร้างสองระดับวัดโดยตัวแก้โดเมนเวลาในซอฟต์แวร์จำลอง 3 มิติ เมื่อพิจารณาถึงผลกระทบที่แท้จริงของแถบความถี่เทราเฮิรตซ์บนวัสดุ วัสดุของซองสุญญากาศจะถูกตั้งค่าเป็นทองแดงในขั้นต้น และค่าการนำไฟฟ้าจะลดลงเหลือ 2.25×107 S/m12
รูปที่ 4 แสดงผลการส่งข้อมูลสำหรับ HFS ​​ที่มีและไม่มีลิเนียร์เทเปอร์คอนดักเตอร์ ผลลัพธ์แสดงว่าตัวเชื่อมต่อมีผลเพียงเล็กน้อยต่อประสิทธิภาพการส่งสัญญาณของ HFS ทั้งหมด การสูญเสียกลับ (S11 < − 10 dB) และการสูญเสียการแทรก (S21 > − 5 dB) ของทั้งระบบในบรอดแบนด์ 207~280 GHz แสดงว่า HFS มีลักษณะการส่งที่ดี
ในฐานะแหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศ ปืนอิเล็กตรอนจะกำหนดโดยตรงว่าอุปกรณ์สามารถสร้างพลังงานเอาท์พุตเพียงพอหรือไม่ เมื่อรวมกับการวิเคราะห์ HFS ในส่วนที่ II แล้ว EOS ลำแสงคู่จำเป็นต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้มีพลังงานเพียงพอ ในส่วนนี้ ตามงานก่อนหน้าใน W-band8,9 ปืนอิเล็กตรอนแบบดินสอคู่ได้รับการออกแบบโดยใช้ส่วนหน้ากากระนาบและอิเล็กโทรดควบคุม ประการแรก ตามข้อกำหนดการออกแบบของ SWS ในส่วนที่แสดงไว้ในรูปที่2 , แรงดันขับ Ua ของลำแสงอิเล็กตรอนเริ่มต้นที่ 20 kV กระแส I ของลำแสงอิเล็กตรอนทั้งสองมีค่าเท่ากับ 80 mA และเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสง dw ของลำแสงอิเล็กตรอนคือ 0.13 มม. ในเวลาเดียวกัน เพื่อให้แน่ใจว่าความหนาแน่นกระแสของลำแสงอิเล็กตรอนและแคโทดสามารถทำได้ อัตราส่วนการอัดของลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกตั้งค่าเป็น 7 ดังนั้นความหนาแน่นกระแสของลำแสงอิเล็กตรอนคือ 603 A/cm2 และกระแส ความหนาแน่นของแคโทดคือ 86 A/cm2 ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้วัสดุแคโทดใหม่ ตามทฤษฎีการออกแบบ 14, 15, 16, 17 ปืนอิเล็กตรอนเพียร์ซทั่วไปสามารถระบุได้โดยไม่ซ้ำกัน
รูปที่ 5 แสดงแผนผังแนวนอนและแนวตั้งของปืนตามลำดับ จะเห็นได้ว่าโปรไฟล์ของปืนอิเล็กตรอนในทิศทาง x เกือบจะเหมือนกับของปืนอิเล็กตรอนแบบแผ่นทั่วๆ ไป ในขณะที่ในทิศทาง y ลำแสงอิเล็กตรอนทั้งสองจะถูกแยกบางส่วนด้วยหน้ากาก ตำแหน่งของแคโทดทั้งสองอยู่ที่ x = – 0.155 มม., y = 0 มม. และ x = 0.155 มม., y = 0 มม. ตามลำดับแอคคอร์ด ตามข้อกำหนดการออกแบบอัตราส่วนการอัดและขนาดการฉีดอิเล็กตรอน ขนาดของพื้นผิวแคโทดทั้งสองถูกกำหนดให้เป็น 0.91 มม. × 0.13 มม.
เพื่อทำให้สนามไฟฟ้าโฟกัสที่ได้รับจากลำอิเล็กตรอนแต่ละตัวในทิศทาง x สมมาตรรอบศูนย์กลางของมันเอง บทความนี้ใช้อิเล็กโทรดควบคุมกับปืนอิเล็กตรอน โดยการตั้งค่าแรงดันของอิเล็กโทรดโฟกัสและอิเล็กโทรดควบคุมเป็น −20 kV และแรงดันของขั้วบวกเป็น 0 V เราจะได้การกระจายวิถีของปืนลำแสงคู่ดังแสดงในรูปที่ 6 จะเห็นได้ว่าอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมามีความสามารถในการบีบอัดที่ดีในทิศทาง y และลำแสงอิเล็กตรอนแต่ละตัว เคลื่อนเข้าหาทิศทาง x ตามจุดศูนย์กลางสมมาตรของมันเอง ซึ่งบ่งชี้ว่าอิเล็กโทรดควบคุมจะปรับสมดุลสนามไฟฟ้าที่ไม่เท่ากันซึ่งเกิดจากอิเล็กโทรดโฟกัส
รูปที่ 7 แสดงการห่อหุ้มลำแสงในทิศทาง x และ y ผลปรากฏว่าระยะฉายของลำอิเล็กตรอนในทิศทาง x แตกต่างจากในทิศทาง y ระยะฉายในทิศทาง x อยู่ที่ประมาณ 4 มม. และระยะฉายในทิศทาง y ใกล้เคียงกับ 7 มม. ดังนั้น ระยะฉายจริงควรเลือกระหว่าง 4 ถึง 7 มม. รูปที่ 8 แสดงหน้าตัดของลำแสงอิเล็กตรอนที่ 4.6 มม. จากพื้นผิวแคโทด เราสามารถ ดูว่ารูปร่างของส่วนตัดขวางนั้นใกล้เคียงกับลำแสงอิเล็กตรอนแบบวงกลมมาตรฐานมากที่สุด ระยะห่างระหว่างลำแสงอิเล็กตรอนทั้งสองใกล้เคียงกับที่ออกแบบไว้คือ 0.31 มม. และรัศมีประมาณ 0.13 มม. ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบ รูปที่ 9 แสดงผลการจำลองของกระแสของลำแสง จะเห็นได้ว่ากระแสของลำแสงทั้งสองมีค่าเท่ากับ 76mA ซึ่งเข้ากันได้ดีกับ 80mA ที่ออกแบบไว้
เมื่อพิจารณาถึงความผันผวนของแรงดันขับในการใช้งานจริง จำเป็นต้องศึกษาความไวของแรงดันไฟฟ้าของแบบจำลองนี้ ในช่วงแรงดันไฟฟ้า 19.8 ~ 20.6 kV จะได้กระแสและกระแสบีมซองดังแสดงในรูปที่ 1 และรูปที่ 1.10 และ 11 จากผลการทดลอง จะเห็นได้ว่าการเปลี่ยนแปลงของแรงดันขับไม่มีผลกับซองจดหมายของลำแสงอิเล็กตรอน และกระแสลำแสงอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจาก 0.74 เป็น 0.78 A เท่านั้น ดังนั้น ถือได้ว่าปืนอิเล็กตรอนที่ออกแบบในบทความนี้มีความไวต่อแรงดันไฟฟ้าดี
ผลกระทบของความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าในทิศทาง x และ y ของลำแสง
สนามโฟกัสแม่เหล็กสม่ำเสมอเป็นระบบโฟกัสแม่เหล็กถาวรทั่วไป เนื่องจากการกระจายสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอตลอดช่องลำแสง จึงเหมาะสำหรับลำแสงอิเล็กตรอนแบบแกนสมมาตร ในส่วนนี้ ขอเสนอระบบโฟกัสแม่เหล็กสม่ำเสมอเพื่อรักษาการส่งลำแสงดินสอคู่ในระยะไกล โดยการวิเคราะห์สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นและเปลือกลำแสง แผนการออกแบบของระบบโฟกัสจะถูกเสนอ และศึกษาปัญหาความไว ตามทฤษฎีการส่งผ่านที่เสถียรของลำแสงดินสอเดียว18,19 ค่าสนามแม่เหล็ก Brillouin สามารถคำนวณได้โดย สมการ (2) ในบทความนี้ เรายังใช้ความสมมูลนี้ในการประมาณค่าสนามแม่เหล็กของลำแสงดินสอคู่ที่กระจายออกด้านข้าง เมื่อรวมกับปืนอิเล็กตรอนที่ออกแบบในบทความนี้ ค่าสนามแม่เหล็กที่คำนวณได้จะอยู่ที่ประมาณ 4000 Gs ตามข้อมูลอ้างอิงโดยปกติจะเลือก 20, 1.5-2 เท่าของค่าที่คำนวณได้ในการออกแบบที่ใช้งานได้จริง
รูปที่ 12 แสดงโครงสร้างของระบบสนามที่เน้นสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ ส่วนสีน้ำเงินคือแม่เหล็กถาวรที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในทิศทางแกน การเลือกวัสดุคือ NdFeB หรือ FeCoNi ค่า Remanence Br ที่ตั้งค่าในแบบจำลองการจำลองคือ 1.3 T และความสามารถในการซึมผ่านคือ 1.05 เพื่อให้แน่ใจว่ามีการส่งผ่านลำแสงอย่างเสถียรในวงจรทั้งหมด ความยาวของแม่เหล็กจะเริ่มต้นที่ 70 มม. นอกจากนี้ ขนาดของแม่เหล็กในทิศทาง x จะกำหนดว่าแม่เหล็กตามขวาง ฟิลด์ในช่องลำแสงมีความสม่ำเสมอ ซึ่งกำหนดให้ขนาดในทิศทาง x ต้องไม่เล็กเกินไป ในขณะเดียวกัน เมื่อพิจารณาถึงต้นทุนและน้ำหนักของท่อทั้งหมด ขนาดของแม่เหล็กไม่ควรใหญ่เกินไป ดังนั้น แม่เหล็กจึงถูกตั้งค่าเริ่มต้นไว้ที่ 150 มม. × 150 มม. × 70 มม. ในขณะเดียวกัน เพื่อให้แน่ใจว่าสามารถวางวงจรคลื่นช้าทั้งหมดในระบบโฟกัสได้ ระยะห่างระหว่างแม่เหล็กจึงถูกกำหนดไว้ที่ 20 มม.
ในปี 2015 Purna Chandra Panda21 ได้เสนอชิ้นส่วนขั้วที่มีรูขั้นบันไดแบบใหม่ในระบบโฟกัสแม่เหล็กแบบสม่ำเสมอ ซึ่งสามารถลดขนาดการรั่วไหลของฟลักซ์ไปยังแคโทดและสนามแม่เหล็กตามขวางที่สร้างขึ้นที่รูขั้วขั้ว ในบทความนี้ เราได้เพิ่มโครงสร้างขั้นบันไดให้กับชิ้นส่วนขั้วของระบบโฟกัส ความหนาของชิ้นส่วนขั้วถูกตั้งค่าเริ่มต้นไว้ที่ 1.5 มม. ความสูงและความกว้างของสามขั้นคือ 0.5 มม. และระยะห่างระหว่างรูของขั้วคือ 2 มม. ดังแสดงในรูปที่ 13
รูปที่ 14a แสดงการกระจายสนามแม่เหล็กตามแนวแกนตามแนวกึ่งกลางของลำแสงอิเล็กตรอนทั้งสอง จะเห็นได้ว่าแรงสนามแม่เหล็กตามลำแสงอิเล็กตรอนทั้งสองมีค่าเท่ากัน ค่าสนามแม่เหล็กประมาณ 6,000 Gs ซึ่งเป็น 1.5 เท่าของสนาม Brillouin ตามทฤษฎี เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการส่งและโฟกัส ในขณะเดียวกัน สนามแม่เหล็กที่แคโทดมีค่าเกือบ 0 แสดงว่าชิ้นส่วนขั้วมีผลดีในการป้องกันการรั่วไหลของสนามแม่เหล็ก รูปที่ 14b แสดง การกระจายสนามแม่เหล็กตามขวาง โดยในทิศทาง z ที่ขอบบนของลำอิเล็กตรอนทั้งสอง จะเห็นได้ว่าสนามแม่เหล็กตามขวางมีค่าน้อยกว่า 200 Gs ที่รูขั้วเท่านั้น ในขณะที่ในวงจรคลื่นช้า สนามแม่เหล็กตามขวางมีค่าเกือบเป็นศูนย์ ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าอิทธิพลของสนามแม่เหล็กตามขวางบนลำอิเล็กตรอนนั้นน้อยมาก เพื่อป้องกันความอิ่มตัวของแม่เหล็กของชิ้นขั้ว จำเป็นต้องศึกษาความแรงของสนามแม่เหล็กภายในชิ้นขั้ว รูปที่ 14c แสดงค่าสัมบูรณ์ ของการกระจายสนามแม่เหล็กภายในชิ้นขั้ว จะเห็นได้ว่าค่าสัมบูรณ์ของความแรงของสนามแม่เหล็กน้อยกว่า 1.2T แสดงว่าจะไม่เกิดความอิ่มตัวของแม่เหล็กของชิ้นขั้ว
การกระจายความแรงของสนามแม่เหล็กสำหรับ Br = 1.3 T.(a) การกระจายสนามในแนวแกน(b) การกระจายสนามด้านข้างในทิศทาง z(c) ค่าสัมบูรณ์ของการกระจายสนามภายในชิ้นส่วนขั้ว
ตามโมดูล CST PS ตำแหน่งสัมพัทธ์ตามแนวแกนของปืนลำแสงคู่และระบบโฟกัสได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุด อ้างอิงจาก Ref.9 และการจำลอง ตำแหน่งที่เหมาะสมคือตำแหน่งที่ชิ้นส่วนแอโนดซ้อนทับชิ้นขั้วห่างจากแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม พบว่าหากตั้งค่ารีแมเนนซ์เป็น 1.3T การส่งผ่านของลำอิเล็กตรอนจะไม่ถึง 99% โดยการเพิ่มการรีแมนซ์เป็น 1.4 T สนามแม่เหล็กโฟกัสจะเพิ่มขึ้นเป็น 6500 Gs วิถีของลำแสงบนระนาบ xoz และ yoz แสดงไว้ในรูปที่ 15 จะเห็นได้ว่า ลำแสงมีการส่งผ่านที่ดี ความผันผวนน้อย และระยะการส่งสัญญาณมากกว่า 45 มม.
วิถีการเคลื่อนที่ของลำแสงดินสอคู่ภายใต้ระบบแม่เหล็กที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยมี Br = 1.4 T.(a) ระนาบ xoz.(b) ระนาบ yoz
รูปที่ 16 แสดงภาพตัดขวางของลำแสงที่ตำแหน่งต่างๆ ห่างจากแคโทด จะเห็นได้ว่ารูปร่างของส่วนลำแสงในระบบโฟกัสนั้นได้รับการดูแลรักษาอย่างดี และเส้นผ่านศูนย์กลางของส่วนไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก รูปที่ 17 แสดงการห่อหุ้มลำแสงในทิศทาง x และ y ตามลำดับ จะเห็นได้ว่าความผันผวนของลำแสงในทั้งสองทิศทางนั้นน้อยมาก รูปที่ 18 แสดงผลการจำลองของกระแสของลำแสง ผลลัพธ์แสดงว่ากระแสไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณ 2 × 80 mA ซึ่งสอดคล้องกับค่าที่คำนวณได้ในการออกแบบปืนอิเล็กตรอน
ภาพตัดขวางของลำแสงอิเล็กตรอน (พร้อมระบบโฟกัส) ที่ตำแหน่งต่างๆ ห่างจากแคโทด
เมื่อพิจารณาถึงปัญหาต่างๆ เช่น ข้อผิดพลาดในการประกอบ ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้า และการเปลี่ยนแปลงของความแรงของสนามแม่เหล็กในการประมวลผลที่ใช้งานจริง จึงจำเป็นต้องวิเคราะห์ความไวของระบบโฟกัส เนื่องจากมีช่องว่างระหว่างชิ้นส่วนแอโนดและชิ้นส่วนขั้วในการประมวลผลจริง ช่องว่างนี้จำเป็นต้องตั้งค่าในการจำลอง ค่าช่องว่างถูกตั้งค่าเป็น 0.2 มม. และรูปที่ 19a แสดงซองลำแสงและกระแสลำแสงในทิศทาง y ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงในซองลำแสงไม่มีนัยสำคัญและกระแสของลำแสงแทบไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้น ระบบจะไม่ไวต่อข้อผิดพลาดในการประกอบ สำหรับความผันผวนของแรงดันไฟขับ ช่วงข้อผิดพลาดถูกตั้งค่าเป็น ±0.5 kV รูปที่ 19b แสดงผลการเปรียบเทียบ จะเห็นได้ว่าการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้ามีผลเพียงเล็กน้อยต่อซองบีม ช่วงข้อผิดพลาดถูกกำหนดตั้งแต่ -0.02 ถึง +0.03 T สำหรับการเปลี่ยนแปลงของความแรงของสนามแม่เหล็ก ผลการเปรียบเทียบแสดงในรูปที่ 20 จะเห็นได้ว่าซองบีมแทบไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งหมายความว่า EOS ทั้งหมดไม่มีความไว ต่อการเปลี่ยนแปลงความแรงของสนามแม่เหล็ก
ซองบีมและผลลัพธ์ปัจจุบันภายใต้ระบบโฟกัสแม่เหล็กแบบสม่ำเสมอ (a) ความคลาดเคลื่อนของการประกอบคือ 0.2 มม. (b) ความผันผวนของแรงดันไฟขับคือ ±0.5 kV
ซองลำแสงภายใต้ระบบโฟกัสแม่เหล็กสม่ำเสมอพร้อมความผันผวนของความแรงของสนามแม่เหล็กตามแนวแกนตั้งแต่ 0.63 ถึง 0.68 T
เพื่อให้แน่ใจว่าระบบโฟกัสที่ออกแบบในบทความนี้สามารถจับคู่กับ HFS ​​ได้ จึงจำเป็นต้องรวมระบบโฟกัสและ HFS เข้าด้วยกันเพื่อการวิจัย ภาพที่ 21 แสดงการเปรียบเทียบของบีมซองที่มีและไม่มี HFS ที่โหลดไว้ ผลลัพธ์แสดงว่าบีมซองไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อโหลด HFS ทั้งหมด ดังนั้น ระบบโฟกัสจึงเหมาะสำหรับ HFS ​​ท่อคลื่นเคลื่อนที่ของการออกแบบข้างต้น
เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของ EOS ที่เสนอในส่วนที่ III และตรวจสอบประสิทธิภาพของ SDV-TWT 220 GHz จึงได้ทำการจำลอง 3D-PIC ของการโต้ตอบของคลื่นลำแสง เนื่องจากข้อจำกัดของซอฟต์แวร์จำลอง เราจึงไม่สามารถเพิ่ม EOS ทั้งหมดไปยัง HFS ได้ ดังนั้น ปืนอิเล็กตรอนจึงถูกแทนที่ด้วยพื้นผิวเปล่งแสงที่เท่ากันซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.13 มม. และระยะห่างระหว่างพื้นผิวทั้งสอง 0.31 มม. ซึ่งเป็นค่าพารามิเตอร์เดียวกับปืนอิเล็กตรอนที่ออกแบบไว้ข้างต้น เนื่องจาก ความไวแสงและความเสถียรที่ดีของ EOS สามารถปรับแรงดันไฟฟ้าขับให้เหมาะสมเพื่อให้ได้กำลังเอาต์พุตที่ดีที่สุดในการจำลอง PIC ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่ากำลังขับอิ่มตัวและอัตราขยายสามารถรับได้ที่แรงดันขับ 20.6 kV กระแสลำแสง 2 × 80 mA (603 A/cm2) และกำลังไฟฟ้าเข้า 0.05 W
เพื่อให้ได้สัญญาณเอาต์พุตที่ดีที่สุด จำนวนรอบต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเช่นกัน กำลังขับที่ดีที่สุดจะได้มาเมื่อจำนวนของสองสเตจคือ 42 + 48 รอบ ดังแสดงในรูปที่ 22a สัญญาณอินพุต 0.05 W ขยายเป็น 314 W โดยมีอัตราขยาย 38 dB สเปกตรัมกำลังเอาต์พุตที่ได้จาก Fast Fourier Transform (FFT) บริสุทธิ์ โดยมีค่าสูงสุดที่ 220 GHz รูปที่ 22b แสดงแกน การกระจายตำแหน่งของพลังงานอิเล็กตรอนใน SWS โดยอิเล็กตรอนส่วนใหญ่สูญเสียพลังงาน ผลลัพธ์นี้บ่งชี้ว่า SDV-SWS สามารถแปลงพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนเป็นสัญญาณ RF ซึ่งจะทำให้ขยายสัญญาณได้จริง
สัญญาณเอาต์พุต SDV-SWS ที่ 220 GHz (a) กำลังเอาต์พุตพร้อมสเปกตรัมรวม (b) การกระจายพลังงานของอิเล็กตรอนด้วยลำแสงอิเล็กตรอนที่ส่วนท้ายของ SWS ที่ใส่เข้าไป
รูปที่ 23 แสดงแบนด์วิธกำลังเอาต์พุตและเกนของ SDV-TWT สองโหมดลำแสงคู่ ประสิทธิภาพเอาต์พุตสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้โดยการกวาดความถี่จาก 200 ถึง 275 GHz และปรับแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ให้เหมาะสม ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นว่าแบนด์วิธ 3-dB สามารถครอบคลุม 205 ถึง 275 GHz ซึ่งหมายความว่าการทำงานแบบสองโหมดสามารถขยายแบนด์วิธการทำงานได้อย่างมาก
อย่างไรก็ตาม จากรูปที่ 2a เราทราบว่ามีแถบหยุดระหว่างโหมดคี่และโหมดคู่ ซึ่งอาจนำไปสู่การสั่นที่ไม่ต้องการได้ ดังนั้น จำเป็นต้องศึกษาความเสถียรในการทำงานรอบ ๆ สต็อป รูปที่ 24a-c เป็นผลการจำลอง 20 ns ที่ 265.3 GHz, 265.35 GHz และ 265.4 GHz ตามลำดับ จะเห็นได้ว่าแม้ผลการจำลองจะมีความผันผวนบ้าง แต่กำลังเอาต์พุตค่อนข้างแน่นอน เสถียร สเปกตรัมยังแสดงในรูปที่ 24 ตามลำดับ สเปกตรัมบริสุทธิ์ ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าไม่มีการแกว่งตัวเองใกล้กับสต็อปแบนด์
การผลิตและการวัดเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของ HFS ทั้งหมด ในส่วนนี้ HFS ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีการควบคุมเชิงตัวเลขด้วยคอมพิวเตอร์ (CNC) โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเครื่องมือ 0.1 มม. และความแม่นยำในการตัดเฉือนที่ 10 μm วัสดุสำหรับโครงสร้างความถี่สูงนั้นมาจากทองแดงที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูง (OFHC) ที่ปราศจากออกซิเจน รูปที่ 25a แสดงโครงสร้างที่สร้างขึ้น โครงสร้างทั้งหมดมีความยาว 66.00 มม. ความกว้าง 66.00 มม. 20.00 มม. และสูง 8.66 มม. มีรูเข็มแปดรูกระจายอยู่รอบๆ โครงสร้าง รูปที่ 25b แสดงโครงสร้างด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ใบมีดของโครงสร้างนี้ผลิตขึ้นอย่างสม่ำเสมอและมีความหยาบผิวที่ดี หลังจากการตรวจวัดอย่างแม่นยำ ข้อผิดพลาดในการตัดเฉือนโดยรวมจะน้อยกว่า 5% และความหยาบของพื้นผิวจะอยู่ที่ประมาณ 0.4μm โครงสร้างการตัดเฉือนเป็นไปตามข้อกำหนดด้านการออกแบบและความแม่นยำ
รูปที่ 26 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างผลการทดสอบจริงและการจำลองประสิทธิภาพการส่งผ่าน พอร์ต 1 และพอร์ต 2 ในรูปที่ 26a สอดคล้องกับพอร์ตอินพุตและเอาต์พุตของ HFS ตามลำดับ และเทียบเท่ากับพอร์ต 1 และพอร์ต 4 ในรูปที่ 3 ผลการวัดจริงของ S11 ดีกว่าผลการจำลองเล็กน้อย ในขณะเดียวกัน ผลลัพธ์ที่วัดได้ของ S21 แย่กว่าเล็กน้อย เหตุผลอาจเป็นเพราะค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุที่ตั้งค่าในการจำลองสูงเกินไปและความขรุขระของพื้นผิวหลังการตัดเฉือนจริง แย่ โดยรวมแล้ว ผลลัพธ์ที่วัดได้สอดคล้องกับผลการจำลอง และแบนด์วิดธ์การส่งข้อมูลตรงตามข้อกำหนด 70 GHz ซึ่งตรวจสอบความเป็นไปได้และความถูกต้องของ SDV-TWT แบบดูอัลโหมดที่นำเสนอ ดังนั้น เมื่อรวมเข้ากับกระบวนการผลิตจริงและผลการทดสอบ การออกแบบ SDV-TWT แบบอัลตราบรอดแบนด์แบบดูอัลบีมที่เสนอในบทความนี้สามารถใช้สำหรับการประดิษฐ์และการใช้งานในภายหลัง
ในบทความนี้ นำเสนอการออกแบบโดยละเอียดของการกระจายระนาบ 220 GHz dual-beam SDV-TWT การผสมผสานระหว่างการทำงานแบบ dual-mode และ dual-beam excitation ช่วยเพิ่มแบนด์วิธการทำงานและกำลังเอาต์พุต นอกจากนี้ การผลิตและการทดสอบแบบเย็นยังดำเนินการเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของ HFS ทั้งหมดผลการวัดจริงสอดคล้องกับผลการจำลอง สำหรับ EOS แบบสองลำแสงที่ออกแบบ มีการใช้ส่วนหน้ากากและอิเล็กโทรดควบคุมร่วมกันเพื่อสร้างลำแสงดินสอ 2 แท่ง ภายใต้สนามแม่เหล็กโฟกัสแบบสม่ำเสมอที่ออกแบบไว้ ลำแสงอิเล็กตรอนสามารถส่งได้อย่างเสถียรในระยะทางไกลโดยมีรูปร่างที่ดี ในอนาคต การผลิตและการทดสอบ EOS จะดำเนินการ และการทดสอบความร้อนของ TWT ทั้งหมดจะดำเนินการด้วย แผนการออกแบบ SDV-TWT นี้ที่เสนอในบทความนี้เป็นการรวมเทคโนโลยีการประมวลผลระนาบที่พัฒนาแล้วในปัจจุบันอย่างสมบูรณ์ และแสดงให้เห็น มีศักยภาพที่ดีในตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพและการประมวลผลและการประกอบ ดังนั้นบทความนี้เชื่อว่าโครงสร้างระนาบมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นแนวโน้มการพัฒนาของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศในย่านความถี่เทราเฮิรตซ์
ข้อมูลดิบและแบบจำลองการวิเคราะห์ส่วนใหญ่ในการศึกษานี้ได้รวมอยู่ในบทความนี้ ข้อมูลที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติมอาจได้รับจากผู้เขียนที่เกี่ยวข้องเมื่อมีการร้องขอที่สมเหตุสมผล
Gamzina, D. et al. การตัดเฉือนซีเอ็นซีระดับนาโนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศระดับ sub-terahertz IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016)
Malekabadi, A. และ Paoloni, C. UV-LIGA microfabrication ของท่อนำคลื่น sub-terahertz โดยใช้ SU-8 photoresist.J.Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2559).
Dhillon, SS et al.2017 แผนงานเทคโนโลยี THz.J.Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC การจำกัดการแพร่กระจายของคลื่นพลาสโมนิคอย่างเข้มงวดผ่านท่อนำคลื่นแบบ ultra-broadband staggered double-grating.application.physics.Wright.93, 221504 https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008)
Baig, A. et al. ประสิทธิภาพของ Travelling Wave Tube Amplifier.IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017)
Han, Y. & Ruan, CJ การตรวจสอบความไม่เสถียรของไดโอโคตรอนของลำแสงอิเล็กตรอนแผ่นกว้างไม่จำกัดโดยใช้ทฤษฎีแบบจำลองของเหลวเย็นด้วยกล้องจุลทรรศน์ Chin Phys B. 20, 104101 https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011)
Galdetskiy, AV เกี่ยวกับโอกาสในการเพิ่มแบนด์วิธโดยเค้าโครงระนาบของลำแสงใน klystron แบบหลายลำแสง ในการประชุมนานาชาติ IEEE ครั้งที่ 12 เรื่อง Vacuum Electronics, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011)
Nguyen, CJ et al. การออกแบบปืนอิเล็กตรอนแบบลำแสงสามลำแสงที่มีการกระจายระนาบลำแสงแคบในท่อส่งคลื่นใบมีดคู่เคลื่อนที่แบบ W-band[J].Science.Rep.11, 940.https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2564).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB & Ruan, CJ Planar กระจายระบบออปติคัลอิเล็กตรอนแบบสามลำแสงพร้อมการแยกลำแสงแบบแคบสำหรับโหมดพื้นฐาน W-band TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021)
Zhan, M. การวิจัยเกี่ยวกับหลอดคลื่นเคลื่อนที่ใบมีดคู่แบบ Interleaved พร้อมคานแผ่นคลื่นมิลลิเมตร 20-22 (PhD, Beihang University, 2018)
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. ศึกษาความเสถียรของการโต้ตอบระหว่างคลื่นลำแสงของหลอดคลื่นเคลื่อนที่ใบมีดคู่แบบ G-band interleaved2018 การประชุมนานาชาติครั้งที่ 43 เรื่อง Infrared Millimeter and Terahertz Waves, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018)