Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir. En iyi deneyim için, güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan göstereceğiz.
Bu yazıda, 220 GHz geniş bant yüksek güçlü serpiştirilmiş çift bıçaklı hareketli dalga tüpü tasarlanmış ve doğrulanmıştır. İlk olarak, düzlemsel çift kiriş kademeli çift kanatlı yavaş dalga yapısı önerilmiştir. Çift modlu bir çalışma şeması kullanılarak, iletim performansı ve bant genişliği tek modun neredeyse iki katıdır. 20~21 kV ve akım 2 × 80 mA'dır. Tasarım hedefleri. Çift ışın tabancasında maske parçası ve kontrol elektrodu kullanılarak, iki kalem ışını, 7'lik bir sıkıştırma oranıyla ilgili merkezleri boyunca odaklanabilir, odak mesafesi yaklaşık 0,18 mm'dir ve kararlılık iyidir. Tek tip manyetik odaklama sistemi de optimize edilmiştir. Düzlemsel çift elektron ışınının kararlı iletim mesafesi 45 mm'ye ulaşabilir ve odaklama manyetik alanı 0,6 T'dir; tüm yüksek frekans sistemi (HFS).Daha sonra, elektron-optik sistemin kullanılabilirliğini ve yavaş dalga yapısının performansını doğrulamak için HFS'nin tamamında parçacık hücresi (PIC) simülasyonları da gerçekleştirildi. Sonuçlar, ışın etkileşim sisteminin 220 GHz'de yaklaşık 310 W'lık bir tepe çıkış gücüne ulaşabileceğini, optimize edilmiş ışın voltajının 20,6 kV, ışın akımının 2 × 80 mA, kazancın 38 dB ve 3-dB olduğunu gösteriyor. bant genişliği yaklaşık 70 GHz'i aşıyor. Son olarak, HFS'nin performansını doğrulamak için yüksek hassasiyetli mikro yapı üretimi gerçekleştirilir ve sonuçlar, bant genişliği ve iletim özelliklerinin simülasyon sonuçlarıyla iyi bir uyum içinde olduğunu gösterir. Bu nedenle, bu yazıda önerilen şemanın, gelecekteki uygulamalar için potansiyele sahip yüksek güçlü, ultra geniş bant terahertz bant radyasyon kaynakları geliştirmesi beklenmektedir.
Geleneksel bir vakum elektronik cihazı olarak, gezici dalga tüpü (TWT), yüksek çözünürlüklü radar, uydu iletişim sistemleri ve uzay araştırmaları1,2,3 gibi birçok uygulamada yeri doldurulamaz bir rol oynar. Ancak, çalışma frekansı terahertz bandına girdiğinden, geleneksel çift boşluklu TWT ve sarmal TWT, nispeten düşük çıkış gücü, dar bant genişliği ve zorlu üretim süreçleri nedeniyle insanların ihtiyaçlarını karşılayamıyor. Bu nedenle, THz bandının performansının kapsamlı bir şekilde nasıl iyileştirileceği çok endişe verici bir konu haline geldi. birçok bilimsel araştırma kurumu için.Son yıllarda, kademeli çift bıçaklı (SDV) yapılar ve katlanmış dalga kılavuzu (FW) yapılar gibi yeni yavaş dalga yapıları (SWS'ler), doğal düzlemsel yapıları nedeniyle, özellikle umut verici potansiyele sahip yeni SDV-SWS'ler nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Bu yapı, UC-Davis tarafından 20084'te önerilmiştir. paket yapısı, daha yüksek çıkış gücü ve kazancı ile daha büyük termal kapasite sağlayabilir ve dalga kılavuzu benzeri yapı, daha geniş bir çalışma bant genişliği de sağlayabilir. Şu anda, UC Davis ilk kez 2017'de SDV-TWT'nin G bandında 100 W'ı aşan yüksek güçlü çıkışlar ve yaklaşık 14 GHz bant genişliği sinyalleri üretebildiğini gösterdi. G-bandı SDV-TWT, tabaka elektron ışınları kullanılmıştır. Bu şema, ışının akım taşıma kapasitesini önemli ölçüde artırabilse de, tabaka ışın elektron optik sisteminin (EOS) kararsızlığı nedeniyle uzun bir iletim mesafesini korumak zordur ve ışının kendi kendini düzenlemesine de neden olabilecek aşırı modlu bir ışın tüneli vardır.– Uyarma ve osilasyon 6,7. THz TWT'nin yüksek çıkış gücü, geniş bant genişliği ve iyi stabilite gereksinimlerini karşılamak için, bu yazıda çift modlu çalışan bir çift ışınlı SDV-SWS önerilmiştir. Yani, çalışma bant genişliğini artırmak için, çift modlu çalışma bu yapıda önerilmiş ve tanıtılmıştır. Ve çıkış gücünü artırmak için, çift kalem huzmelerinin düzlemsel bir dağılımı da kullanılır. Dikey boyut kısıtlaması nedeniyle tek kalem huzmeli radyolar nispeten küçüktür ts.Akım yoğunluğu çok yüksekse, ışın akımı azaltılmalıdır, bu da nispeten düşük bir çıkış gücüne neden olur. Işın akımını iyileştirmek için, SWS'nin yanal boyutundan yararlanan düzlemsel dağıtılmış çok ışınlı EOS ortaya çıkmıştır. Bağımsız ışın tünelleme nedeniyle, düzlemsel dağıtılmış çoklu ışın, yüksek bir toplam ışın akımı ve ışın başına küçük bir akım sağlayarak yüksek çıkış gücü elde edebilir, bu da levha ışınlı cihazlara kıyasla aşırı modlu ışın tünellemesini önleyebilir. Bu nedenle, ilerleyen dalga tüpünün stabilitesini korumak faydalıdır. Önceki çalışma8,9 temelinde, bu makale, ışının sabit iletim mesafesini büyük ölçüde iyileştirebilen ve ışın etkileşim alanını daha da artırabilen, böylece çıkış gücünü büyük ölçüde iyileştirebilen, çift kalem ışın EOS'ye odaklanan bir G-bandı tekdüze manyetik alan önermektedir.
Bu makalenin yapısı aşağıdaki gibidir.Önce, parametrelerle birlikte SWS hücre tasarımı, dağılım özellikleri analizi ve yüksek frekans simülasyon sonuçları açıklanmaktadır. Ardından, birim hücrenin yapısına göre, çift kalem ışını EOS ve ışın etkileşim sistemi bu makalede tasarlanmıştır. EOS'nin kullanılabilirliğini ve SDV-TWT'nin performansını doğrulamak için hücre içi parçacık simülasyon sonuçları da sunulmuştur. Ek olarak, makale, tüm HFS'nin doğruluğunu doğrulamak için fabrikasyon ve soğuk test sonuçlarını kısaca sunar.Son olarak bir özet yapın.
TWT'nin en önemli bileşenlerinden biri olan yavaş dalga yapısının dağılma özellikleri, elektron hızının SWS'nin faz hızıyla eşleşip eşleşmediğini ve dolayısıyla ışın-dalga etkileşimi üzerinde büyük bir etkiye sahip olup olmadığını gösterir. Tüm TWT'nin performansını iyileştirmek için, geliştirilmiş bir etkileşim yapısı tasarlanmıştır. Birim hücrenin yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Yaprak ışının kararsızlığı ve tek kalem ışınının güç sınırlaması göz önüne alındığında, yapı, çıkış gücünü ve çalışma kararlılığını daha da iyileştirmek için çift kalem ışın kullanır.Bu arada, çalışma bant genişliğini artırmak için, SWS'nin çalışması için ikili bir mod önerilmiştir. SDV yapısının simetrisi nedeniyle, elektromanyetik alan dağılım denkleminin çözümü tek ve çift modlara bölünebilir. Aynı zamanda, düşük frekans bandının temel tek modu ve yüksek frekans bandının temel çift modu, ışın etkileşiminin geniş bant senkronizasyonunu gerçekleştirmek için kullanılır ve böylece çalışma bant genişliğini daha da geliştirir.
Güç gereksinimlerine göre, tüpün tamamı 20 kV sürüş voltajı ve 2 × 80 mA çift ışın akımı ile tasarlanmıştır. Gerilimi SDV-SWS'nin çalışma bant genişliğine mümkün olduğu kadar yakın bir şekilde eşleştirmek için p periyodunun uzunluğunu hesaplamamız gerekir. Işın voltajı ile periyot arasındaki ilişki denklem (1)10'da gösterilmektedir:
220 GHz merkez frekansında faz kaymasını 2,5π olarak ayarlayarak, p periyodu 0,46 mm olarak hesaplanabilir. Şekil 2a, SWS birim hücresinin dağılım özelliklerini gösterir. 20 kV ışın hattı, çift modlu eğriye çok iyi uyar. Eşleşen frekans bantları, 210–265,3 GHz (tek mod) ve 265,4–280 GHz (çift mod)'da yaklaşık 70 GHz'e ulaşabilir ) aralıkları. Şekil 2b, 210 ila 290 GHz arasında 0,6 Ω'dan büyük olan ortalama bağlantı empedansını gösterir ve çalışma bant genişliğinde güçlü etkileşimlerin meydana gelebileceğini gösterir.
(a) 20 kV elektron ışın hattına sahip çift modlu bir SDV-SWS'nin dağılım özellikleri. (b) SDV yavaş dalga devresinin etkileşim empedansı.
Bununla birlikte, tek ve çift modlar arasında bir bant boşluğu olduğuna dikkat etmek önemlidir ve Şekil 2a'da gösterildiği gibi, bu bant boşluğunu genellikle durdurma bandı olarak adlandırırız. TWT, bu frekans bandının yakınında çalıştırılırsa, istenmeyen salınımlara yol açacak güçlü ışın birleştirme kuvveti oluşabilir. Pratik uygulamalarda, TWT'yi durdurma bandının yakınında kullanmaktan genellikle kaçınırız. boşluk salınımlara neden olur. Bu nedenle, istenmeyen salınımların oluşup oluşmayacağını analiz etmek için aşağıdaki PIC simülasyon bölümünde durdurma bandı etrafındaki işlemin kararlılığı incelenecektir.
Tüm HFS'nin modeli Şekil 3'te gösterilmiştir. Bragg reflektörleri ile birbirine bağlanan iki SDV-SWS aşamasından oluşur. Reflektörün işlevi, iki aşama arasındaki sinyal iletimini kesmek, üst ve alt kanatlar arasında oluşturulan yüksek dereceli modlar gibi çalışmayan modların salınımını ve yansımasını bastırmak ve böylece tüm tüpün stabilitesini büyük ölçüde iyileştirmektir. Dış ortama bağlantı için, SWS'yi bir WR-4 standart dalga kılavuzuna bağlamak için doğrusal bir konik kuplör de kullanılır. İletim iki seviyeli yapının katsayısı, 3B simülasyon yazılımında bir zaman alanı çözücüsü ile ölçülür. Terahertz bandının malzeme üzerindeki gerçek etkisi göz önüne alındığında, vakum zarfının malzemesi başlangıçta bakır olarak ayarlanır ve iletkenlik 2.25×107 S/m12'ye düşürülür.
Şekil 4, lineer konik kuplörler olan ve olmayan HFS için iletim sonuçlarını göstermektedir. Sonuçlar, kuplörün tüm HFS'nin iletim performansı üzerinde çok az etkiye sahip olduğunu göstermektedir. 207~280 GHz geniş bantta tüm sistemin geri dönüş kaybı (S11 < - 10 dB) ve ekleme kaybı (S21 > - 5 dB), HFS'nin iyi iletim özelliklerine sahip olduğunu göstermektedir.
Vakum elektronik cihazlarının güç kaynağı olarak elektron tabancası, cihazın yeterli çıkış gücü üretip üretemeyeceğini doğrudan belirler. Bölüm II'deki HFS analizi ile birleştirildiğinde, yeterli gücü sağlamak için çift ışınlı bir EOS'nin tasarlanması gerekir.Şekil 2'de, elektron demetlerinin tahrik voltajı Ua başlangıçta 20 kV'a ayarlanmıştır, iki elektron demetinin akımları I her ikisi de 80 mA'dır ve elektron demetlerinin demet çapı dw 0,13 mm'dir. Aynı zamanda, elektron demetinin ve katodun akım yoğunluğunun elde edilebilmesini sağlamak için, elektron demetinin sıkıştırma oranı 7'ye ayarlanır, böylece elektron demetinin akım yoğunluğu 603 A/cm2'dir ve akım katodun yoğunluğu 86 A/cm2'dir, bu da şu şekilde elde edilebilir: Bu, yeni katot malzemeleri kullanılarak elde edilir. Tasarım teorisi 14, 15, 16, 17'ye göre, tipik bir Pierce elektron tabancası benzersiz bir şekilde tanımlanabilir.
Şekil 5 sırasıyla tabancanın yatay ve dikey şematik diyagramlarını göstermektedir. Elektron tabancasının x yönündeki profilinin tipik bir levha benzeri elektron tabancasıyla hemen hemen aynı olduğu, y yönünde ise iki elektron demetinin maske ile kısmen ayrıldığı görülmektedir. sıkıştırma oranı ve elektron enjeksiyon boyutunun tasarım gereklilikleri, iki katot yüzeyinin boyutları 0,91 mm × 0,13 mm olarak belirlenmiştir.
x yönündeki her bir elektron demetinin aldığı odaklanmış elektrik alanını kendi merkezi etrafında simetrik hale getirmek için, bu makale elektron tabancasına bir kontrol elektrotu uygular. Odaklama elektrotunun ve kontrol elektrotunun voltajını -20 kV'a ve anodun voltajını 0 V'a ayarlayarak, Şekil 6'da gösterildiği gibi ikili ışın tabancasının yörünge dağılımını elde edebiliriz. Yayılan elektronların y yönünde iyi sıkıştırılabilirliğe sahip olduğu ve her elektron demetinin kendi simetri merkezi boyunca x yönüne doğru yakınsar, bu da kontrol elektrodunun odaklama elektrodu tarafından üretilen eşit olmayan elektrik alanını dengelediğini gösterir.
Şekil 7, x ve y yönlerinde ışın zarfını göstermektedir. Sonuçlar, elektron ışınının x yönündeki izdüşüm mesafesinin y yönündekinden farklı olduğunu göstermektedir. x yönündeki atış mesafesi yaklaşık 4 mm'dir ve y yönündeki atış mesafesi 7 mm'ye yakındır. Bu nedenle, gerçek atış mesafesi 4 ile 7 mm arasında seçilmelidir. Şekil 8, elektron ışınının katot yüzeyinden 4,6 mm'deki enine kesitini göstermektedir. enine kesit standart dairesel elektron ışınına en yakın olanıdır. İki elektron ışını arasındaki mesafe tasarlanan 0,31 mm'ye yakındır ve yarıçap yaklaşık 0,13 mm'dir, bu da tasarım gereksinimlerini karşılar. Şekil 9, ışın akımının simülasyon sonuçlarını gösterir. İki ışın akımının 76mA olduğu ve tasarlanan 80mA ile iyi bir uyum içinde olduğu görülebilir.
Pratik uygulamalarda tahrik geriliminin dalgalanması göz önüne alındığında bu modelin gerilim hassasiyetinin çalışılması gerekmektedir. 19.8 ~ 20.6 kV gerilim aralığında akım ve ışın akım zarfları Şekil 1 ve Şekil 1.10 ve 11'de gösterildiği gibi elde edilmektedir. Sonuçlardan tahrik gerilimi değişiminin elektron ışını zarfı üzerinde bir etkisinin olmadığı ve elektron ışını akımının sadece 0,74 ila 0,78 A arasında değiştiği düşünülebilir. Bu yazıda tasarlanan elektron tabancasının voltaja karşı iyi bir duyarlılığa sahip olduğu.
Sürüş voltajı dalgalanmalarının x ve y yönü ışın zarfları üzerindeki etkisi.
Düzgün bir manyetik odaklama alanı, ortak bir kalıcı mıknatıs odaklama sistemidir. Işın kanalı boyunca tekdüze manyetik alan dağılımı nedeniyle, eksenel simetrik elektron ışınları için çok uygundur. Bu bölümde, çift kalem ışınlarının uzun mesafeli iletimini sürdürmek için tek tip bir manyetik odaklama sistemi önerilmiştir. Üretilen manyetik alan ve ışın zarfını analiz ederek, odaklama sisteminin tasarım şeması önerilmiş ve hassasiyet problemi incelenmiştir. Tek bir kalem ışınının sabit iletim teorisine göre18,19, Brillouin manyetik alan değeri hesaplanabilir denklem (2) ile. Bu yazıda, bu eşdeğerliği yanal olarak dağılmış bir çift kalem ışınının manyetik alanını tahmin etmek için de kullanıyoruz. Bu yazıda tasarlanan elektron tabancasıyla birlikte, hesaplanan manyetik alan değeri yaklaşık 4000 Gs'dir. Ref'e göre.Pratik tasarımlarda genellikle hesaplanan değerin 20, 1,5-2 katı seçilir.
Şekil 12 düzgün bir manyetik alan odaklama alanı sisteminin yapısını göstermektedir.Mavi kısım eksenel yönde mıknatıslanmış kalıcı mıknatıstır.Malzeme seçimi NdFeB veya FeCoNi'dir.Simülasyon modelinde ayarlanan remanence Br 1,3 T ve geçirgenlik 1,05'tir.Demetin tüm devrede kararlı iletimini sağlamak için mıknatısın boyu başlangıçta 70 mm olarak ayarlanmıştır.Ayrıca mıknatısın x yönündeki boyutu enine manyetik alanın olup olmayacağını belirler ışın kanalındaki boyutun çok küçük olmamasını gerektirir. Aynı zamanda, tüm tüpün maliyeti ve ağırlığı göz önüne alındığında, mıknatıs boyutunun çok büyük olmaması gerekir. Bu nedenle, mıknatıslar başlangıçta 150 mm × 150 mm × 70 mm olarak ayarlanır. Bu arada, yavaş dalga devresinin tamamının odaklama sistemine yerleştirilebilmesini sağlamak için mıknatıslar arasındaki mesafe 20 mm olarak ayarlanır.
2015 yılında Purna Chandra Panda21, katoda akı sızıntısının büyüklüğünü ve kutup parçası deliğinde oluşturulan enine manyetik alanı daha da azaltabilen, tek biçimli bir manyetik odaklama sisteminde yeni bir basamaklı deliğe sahip bir kutup parçası önerdi. Şekil 13'te gösterilmiştir.
Şekil 14a, iki elektron demetinin merkez çizgileri boyunca eksenel manyetik alan dağılımını göstermektedir. İki elektron demeti boyunca manyetik alan kuvvetlerinin eşit olduğu görülebilir. Manyetik alan değeri, iletim ve odaklama performansını artırmak için teorik Brillouin alanının 1,5 katı olan yaklaşık 6000 Gs'dir. Aynı zamanda, katottaki manyetik alan neredeyse 0'dır, bu da kutup parçasının manyetik akı sızıntısını önlemede iyi bir etkiye sahip olduğunu gösterir. Şekil 14b, enine manyetik alanı gösterir dağılım İki elektron demetinin üst kenarında z yönünde. Enine manyetik alanın sadece kutup parçası deliğinde 200 Gs'den az olduğu görülürken, yavaş dalga devresinde enine manyetik alan neredeyse sıfırdır, bu da enine manyetik alanın elektron demeti üzerindeki etkisinin ihmal edilebilir düzeyde olduğunu kanıtlar. Kutup parçalarının manyetik doygunluğunu önlemek için, kutup parçalarının içindeki manyetik alan kuvvetini incelemek gerekir. Şekil 14c, kutup içindeki manyetik alan dağılımının mutlak değerini gösterir. Parça.Manyetik alan kuvvetinin mutlak değerinin 1.2T'den az olduğu görülebilir, bu da kutup parçasının manyetik doygunluğunun oluşmayacağını gösterir.
Br = 1,3 T için manyetik alan şiddeti dağılımı.(a) Eksenel alan dağılımı.(b) Z yönünde By yanal alan dağılımı.(c) Kutup parçası içindeki alan dağılımının mutlak değeri.
CST PS modülüne dayalı olarak, çift ışın tabancasının ve odaklama sisteminin eksenel göreli konumu optimize edilmiştir. Ref.Şekil 9 ve simülasyonlarda, optimum konum, anot parçasının mıknatıstan uzaktaki kutup parçasıyla örtüştüğü yerdir. Ancak, remanans 1.3T olarak ayarlanırsa elektron demetinin geçirgenliğinin %99'a ulaşamadığı bulunmuştur. Remanans 1.4 T'ye çıkarıldığında odaklama manyetik alanı 6500 Gs'ye çıkarılacaktır. Xoz ve yoz düzlemlerindeki ışın yörüngeleri Şekil 15'te gösterilmiştir. iyi iletime, küçük dalgalanmaya ve 45 mm'den daha büyük bir iletim mesafesine sahiptir.
Br = 1.4 T.(a) xoz düzlemi.(b) yoz uçağı ile homojen bir manyetik sistem altında çift kalem ışınlarının yörüngeleri.
Şekil 16 ışının katottan uzakta farklı konumlardaki enine kesitini göstermektedir. Odaklama sisteminde ışın kesitinin şeklinin iyi korunduğu ve kesit çapının fazla değişmediği görülmektedir. Şekil 17 sırasıyla x ve y yönlerinde ışın zarflarını göstermektedir. Kirişin her iki yöndeki dalgalanmasının çok küçük olduğu görülmektedir. Şekil 18 ışın akımının simülasyon sonuçlarını göstermektedir. elektron tabancası tasarımında değer.
Katottan farklı konumlarda elektron ışını kesiti (odaklama sistemi ile).
Pratik işleme uygulamalarında montaj hataları, voltaj dalgalanmaları, manyetik alan şiddeti değişiklikleri gibi bir dizi problem göz önüne alındığında odaklama sisteminin hassasiyetinin analiz edilmesi gerekmektedir. Gerçek işlemede anot parçası ile kutup parçası arasında bir boşluk olduğu için bu boşluğun simülasyonda ayarlanması gerekmektedir. Boşluk değeri 0,2 mm olarak ayarlanmıştır ve Şekil 19a y yönünde ışın zarfını ve ışın akımını göstermektedir. Bu sonuç ışın zarfındaki değişimin önemli olmadığını ve ışın akımının neredeyse hiç değişmediğini göstermektedir. sistem montaj hatalarına karşı duyarsızdır.Sürüş geriliminin dalgalanması için hata aralığı ±0,5 kV olarak ayarlanmıştır.Şekil 19b karşılaştırma sonuçlarını göstermektedir.Gerilim değişikliğinin ışın zarfı üzerinde çok az etkiye sahip olduğu görülmektedir.Manyetik alan gücündeki değişiklikler için hata aralığı -0,02 ila +0,03 T arasında ayarlanmıştır.Karşılaştırma sonuçları Şekil 20'de gösterilmektedir.Işın zarfının neredeyse hiç değişmediği görülebilmektedir, bu da tüm EOS'nin manyetik alan gücündeki değişikliklere karşı duyarsız olduğu anlamına gelmektedir.
Tekdüze bir manyetik odaklama sistemi altında ışın zarfı ve akım sonuçları.(a) Montaj toleransı 0,2 mm'dir.(b) Sürüş voltajı dalgalanması ±0,5 kV'dir.
0,63 ila 0,68 T arasında değişen eksenel manyetik alan gücü dalgalanmalarına sahip tekdüze bir manyetik odaklama sistemi altında ışın zarfı.
Bu yazıda tasarlanan odaklama sisteminin HFS ile eşleşebilmesini sağlamak için, araştırma için odaklama sistemini ve HFS'yi birleştirmek gerekir. Şekil 21, HFS yüklü ve HFS yüklü olmayan ışın zarflarının karşılaştırmasını göstermektedir. Sonuçlar, HFS'nin tamamı yüklendiğinde ışın zarfının fazla değişmediğini göstermektedir. Bu nedenle, odaklama sistemi, yukarıdaki tasarımın hareketli dalga tüpü HFS'si için uygundur.
Bölüm III'te önerilen EOS'nin doğruluğunu doğrulamak ve 220 GHz SDV-TWT'nin performansını araştırmak için, ışın-dalga etkileşiminin bir 3D-PIC simülasyonu gerçekleştirilir. Simülasyon yazılımı sınırlamaları nedeniyle, EOS'nin tamamını HFS'ye ekleyemedik. Bu nedenle, elektron tabancası, yukarıda tasarlanan elektron tabancasıyla aynı parametreler olan, 0,13 mm çapında ve iki yüzey arasındaki mesafe 0,31 mm olan eşdeğer bir yayıcı yüzeyle değiştirildi. EOS'nin konumu ve iyi kararlılığı, sürüş voltajı, PIC simülasyonunda en iyi çıkış gücünü elde etmek için uygun şekilde optimize edilebilir. Simülasyon sonuçları, doymuş çıkış gücü ve kazancın 20,6 kV sürüş voltajında, 2 × 80 mA (603 A/cm2) ışın akımında ve 0,05 W giriş gücünde elde edilebileceğini göstermektedir.
En iyi çıkış sinyalini elde etmek için döngü sayısının da optimize edilmesi gerekir. En iyi çıkış gücü, Şekil 22a'da gösterildiği gibi iki aşama sayısı 42 + 48 döngü olduğunda elde edilir. 0,05 W'lık bir giriş sinyali, 38 dB'lik bir kazançla 314 W'a yükseltilir. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) ile elde edilen çıkış gücü spektrumu saftır, 220 GHz'de zirve yapar. Şekil 22b, elektron enerjisinin eksenel konum dağılımını gösterir. SWS, elektronların çoğu enerji kaybeder. Bu sonuç, SDV-SWS'nin elektronların kinetik enerjisini RF sinyallerine dönüştürebildiğini ve böylece sinyal amplifikasyonunu gerçekleştirebildiğini gösterir.
220 GHz'de SDV-SWS çıkış sinyali.(a) Dahil edilen spektrumla birlikte çıkış gücü.(b) SWS ekinin sonundaki elektron ışını ile elektronların enerji dağılımı.
Şekil 23, çift modlu çift ışınlı bir SDV-TWT'nin çıkış gücü bant genişliğini ve kazancını göstermektedir. Çıkış performansı, frekansları 200 ila 275 GHz arasında tarayarak ve sürücü voltajını optimize ederek daha da geliştirilebilir. Bu sonuç, 3 dB bant genişliğinin 205 ila 275 GHz'i kapsayabileceğini gösterir; bu, çift modlu çalışmanın çalışma bant genişliğini büyük ölçüde genişletebileceği anlamına gelir.
Bununla birlikte, Şekil 2a'ya göre, tek ve çift modlar arasında, istenmeyen salınımlara yol açabilecek bir durma bandı olduğunu biliyoruz. Bu nedenle, duraklar etrafındaki çalışma kararlılığının incelenmesi gerekir. Şekil 24a-c, sırasıyla 265,3 GHz, 265,35 GHz ve 265,4 GHz'de 20 ns simülasyon sonuçlarıdır. Simülasyon sonuçlarında bazı dalgalanmalar olsa da, çıkış gücünün nispeten kararlı olduğu görülebilir. Spektrum Sırasıyla Şekil 24'te de gösterilmiştir, spektrum saftır. Bu sonuçlar, durdurma bandının yakınında kendi kendine salınım olmadığını gösterir.
Tüm HFS'nin doğruluğunu doğrulamak için imalat ve ölçüm gereklidir. Bu bölümde, HFS, 0,1 mm alet çapına ve 10 μm işleme hassasiyetine sahip bilgisayar sayısal kontrol (CNC) teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Yüksek frekanslı yapı için malzeme, oksijensiz yüksek iletkenliğe sahip (OFHC) bakırdan sağlanır. Şekil 25a, fabrikasyon yapıyı göstermektedir. Tüm yapı 66,00 mm uzunluğa, 20,00 mm genişliğe sahiptir ve 8,66 mm'lik bir yükseklik. Yapının etrafına sekiz iğne deliği dağıtılmıştır. Şekil 25b, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapıyı göstermektedir. Bu yapının kanatları düzgün bir şekilde üretilmiştir ve iyi bir yüzey pürüzlülüğüne sahiptir. Hassas ölçümden sonra, genel işleme hatası %5'ten azdır ve yüzey pürüzlülüğü yaklaşık 0,4μm'dir. İşleme yapısı, tasarım ve hassasiyet gereksinimlerini karşılar.
Şekil 26, gerçek test sonuçları ile iletim performansının simülasyonları arasındaki karşılaştırmayı gösterir. Şekil 26a'daki Port 1 ve Port 2, sırasıyla HFS'nin giriş ve çıkış portlarına karşılık gelir ve Şekil 3'teki Port 1 ve Port 4'e eşdeğerdir. S11'in gerçek ölçüm sonuçları, simülasyon sonuçlarından biraz daha iyidir. Aynı zamanda, S21'in ölçülen sonuçları biraz daha kötüdür. Bunun nedeni, simülasyonda ayarlanan malzeme iletkenliğinin çok yüksek olması ve fiili işlemeden sonraki yüzey pürüzlülüğünün zayıf olması olabilir. Genel olarak, ölçülen sonuçlar simülasyon sonuçlarıyla iyi bir uyum içindedir ve iletim bant genişliği, önerilen çift modlu SDV-TWT'nin uygulanabilirliğini ve doğruluğunu doğrulayan 70 GHz gereksinimini karşılamaktadır. Bu nedenle, gerçek üretim süreci ve test sonuçlarıyla birlikte, bu yazıda önerilen ultra geniş bant çift ışınlı SDV-TWT tasarımı, sonraki üretim ve uygulamalar için kullanılabilir.
Bu yazıda, düzlemsel dağıtım 220 GHz çift ışınlı SDV-TWT'nin ayrıntılı bir tasarımı sunulmaktadır. Çift modlu çalışma ve çift ışınlı uyarımın kombinasyonu, çalışma bant genişliğini ve çıkış gücünü daha da artırır. Tüm HFS'nin doğruluğunu doğrulamak için fabrikasyon ve soğuk test de yapılır.Gerçek ölçüm sonuçları, simülasyon sonuçlarıyla iyi bir uyum içindedir. Tasarlanan iki ışınlı EOS için, iki kalemli bir ışın üretmek üzere bir maske bölümü ve kontrol elektrotları birlikte kullanılmıştır. Tasarlanan tek tip odaklama manyetik alanı altında, elektron ışını, iyi bir şekil ile uzun mesafeler boyunca istikrarlı bir şekilde iletilebilir. Gelecekte, EOS'nin üretimi ve testi gerçekleştirilecek ve tüm TWT'nin termal testi de gerçekleştirilecektir. performans göstergelerinde ve işleme ve montajda büyük potansiyel göstermektedir. Bu nedenle, bu makale, düzlemsel yapının terahertz bandındaki vakum elektronik cihazlarının gelişme eğilimi olma ihtimalinin yüksek olduğuna inanmaktadır.
Bu çalışmadaki ham verilerin ve analitik modellerin çoğu bu makaleye dahil edilmiştir. Makul bir talep üzerine ilgili yazardan daha fazla ilgili bilgi alınabilir.
Gamzina, D. et al.Terahertz vakum elektroniğinin nano ölçekli CNC işlemesi.IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. ve Paoloni, C. Çok katmanlı SU-8 fotoresist.J kullanılarak alt terahertz dalga kılavuzlarının UV-LIGA mikro üretimi.Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS ve diğerleri.2017 THz teknoloji yol haritası.J.Physics.D için application.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Ultra geniş bant kademeli çift ızgaralı waveguides.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008) yoluyla plazmonik dalga yayılımının güçlü şekilde sınırlandırılması.
Baig, A. et al.Nano CNC ile İşlenmiş 220 GHz Gezici Dalga Tüpü Amplifikatörünün Performansı.IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Makroskopik soğuk sıvı modeli teorisini kullanarak sonsuz geniş tabakalı elektron ışınlarının diokotron kararsızlığını araştırmak.
Galdetskiy, AV, çok ışınlı bir klistronda ışının düzlemsel düzeniyle bant genişliğini artırma fırsatı hakkında. 12. IEEE Uluslararası Vakum Elektroniği Konferansı, Bangalore, Hindistan, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ ve diğ. W-bant kademeli çift bıçaklı hareketli dalga tüpünde dar ışın ayırma düzlemi dağılımına sahip üç ışınlı elektron tabancalarının tasarımı[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 Planar, W bandı temel modu TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021) için dar ışın ayırmalı üç ışınlı elektron optik sistemi dağıttı.
Zhan, M. Milimetre-Dalga Levha Kirişleri 20-22 ile Aralıklı Çift Bıçaklı Yürüyen Dalga Tüpü Üzerine Araştırma (PhD, Beihang University, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Bir G-Band Desteklenmiş Çift Bıçağı Seyahat Dalgası Tüpünün Işın Dalgası Etkileşimi Kararlılığı Üzerine Çalışma.2018 43. Uluslararası Kızılötesi Milimetre ve Terahertz Dalgaları Konferansı, Nagoya.8510263, Https-Thz. (2018).