Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünde CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli desteğin sağlanması için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Bu makalede, 220GHz geniş bantlı yüksek güçlü iç içe geçmiş çift kanatlı seyahat dalga tüpü tasarlanmış ve doğrulanmıştır. İlk olarak, düzlemsel çift ışınlı kademeli çift kanatlı yavaş dalga yapısı önerilmiştir. Çift modlu bir çalışma şeması kullanılarak, iletim performansı ve bant genişliği tek modun neredeyse iki katıdır. İkinci olarak, yüksek çıkış gücü gereksinimlerini karşılamak ve seyahat dalga tüpünün kararlılığını artırmak için, çift kalem şeklinde bir elektronik optik sistem tasarlanmıştır, sürüş voltajı 20 ~ 21 kV ve akım 2 × 80 mA'dir. Tasarım hedefleri. Çift ışın tabancasındaki maske parçası ve kontrol elektrodu kullanılarak, iki kalem ışını kendi merkezleri boyunca 7 sıkıştırma oranıyla odaklanabilir, odaklama mesafesi yaklaşık 0,18 mm'dir ve kararlılık iyidir. Düzgün 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, bu da yeterlidir Tüm yüksek frekans sistemini (HFS) kapsar. Ardından, elektron-optik sistemin kullanılabilirliğini ve yavaş dalga yapısının performansını doğrulamak için, tüm HFS üzerinde 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 olduğunu, ışın akımının 2 × 80 mA olduğunu, kazancın 38 dB olduğunu ve 3 dB bant genişliğinin yaklaşık 70 GHz'de 35 dB'yi aştığını göstermektedir. 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 göstermektedir. Bu nedenle, bu makalede önerilen şemanın, gelecekteki uygulamalar için potansiyele sahip yüksek güçlü, ultra geniş bantlı terahertz bant radyasyon kaynakları geliştirmesi beklenmektedir.
Geleneksel bir vakum elektronik cihazı olarak, seyahat eden dalga tüpü (TWT), yüksek çözünürlüklü radar, uydu iletişim sistemleri ve uzay araştırmaları gibi birçok uygulamada yeri doldurulamaz bir rol oynar1,2,3.Ancak, çalışma frekansı terahertz bandına girdiğinden, geleneksel çift boşluklu TWT ve sarmal TWT, nispeten düşük çıkış gücü, dar bant genişliği ve zor üretim süreçleri nedeniyle insanların ihtiyaçlarını karşılayamamıştır.Bu nedenle, THz bandının performansının kapsamlı bir şekilde nasıl iyileştirileceği, birçok bilimsel araştırma kurumu için çok endişe verici bir konu haline gelmiştir.Son yıllarda, kademeli çift bıçaklı (SDV) yapılar ve katlanmış dalga kılavuzu (FW) yapılar gibi yeni yavaş dalga yapıları (SWS'ler), özellikle umut vaat eden potansiyele sahip yeni SDV-SWS'ler olmak üzere doğal düzlemsel yapıları nedeniyle yoğun ilgi görmüştür.Bu yapı 2008'de UC-Davis tarafından önerilmiştir4.Düzlemsel yapı, bilgisayar sayısal kontrolü (CNC) ve UV-LIGA gibi mikro-nano işleme teknikleriyle kolayca üretilebilir, Tüm metal paket yapısı, daha yüksek çıkış gücü ve kazançla daha büyük termal kapasite sağlayabilir ve dalga kılavuzu benzeri yapı ayrıca daha geniş bir çalışma bant genişliği sağlayabilir. Şu anda, UC Davis 2017'de ilk kez SDV-TWT'nin G-bandında 100 W'ın üzerinde yüksek güçlü çıkışlar ve yaklaşık 14 GHz bant genişliği sinyalleri üretebileceğini gösterdi5. Ancak, bu sonuçlar hala terahertz bandında yüksek güç ve geniş bant genişliğiyle ilgili gereksinimleri karşılayamayan boşluklara sahiptir. UC-Davis'in G-bant SDV-TWT'si için levha elektron ışınları kullanılmıştır. Bu şema, ışının akım taşıma kapasitesini önemli ölçüde artırabilmesine rağmen, levha 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 salınım 6,7. Yüksek çıkış gücü, geniş bant genişliği ve THz TWT'nin iyi kararlılığı gereksinimlerini karşılamak için, bu makalede çift modlu çalışma ile çift ışınlı bir SDV-SWS önerilmiştir. Yani, çalışma bant genişliğini artırmak için, bu yapıda çift modlu çalışma önerilmiş ve tanıtılmıştır. Ve çıkış gücünü artırmak için, çift kalem ışınlarının düzlemsel bir dağılımı da kullanılmıştır. Tek kalem ışınlı radyolar, dikey boyut kısıtlamaları nedeniyle nispeten küçüktür. Akım yoğunluğu çok yüksekse, ışın akımı azaltılmalı ve bu da nispeten düşük bir çıkış gücüyle sonuçlanmalıdır. Işın akımını iyileştirmek için, SWS'nin yanal boyutunu kullanan düzlemsel dağıtılmış çok ışınlı EOS ortaya çıkmıştır. Bağımsız ışın tünellemesi nedeniyle, düzlemsel dağıtılmış çok ışınlı, yüksek bir toplam ışın akımı ve ışın başına küçük bir akım koruyarak yüksek çıkış gücüne ulaşabilir, bu da levha ışınlı cihazlara kıyasla aşırı mod ışın tünellemesini önleyebilir. Bu nedenle, seyahat eden dalganın kararlılığını korumak faydalıdır Tüp. Önceki çalışmalara8,9 dayanarak, bu makale, ışının kararlı iletim mesafesini büyük ölçüde artırabilen ve ışın etkileşim alanını daha da artırarak çıkış gücünü büyük ölçüde iyileştirebilen çift kalem ışınlı EOS'ye odaklanan bir G-bant düzgün manyetik alan önermektedir.
Bu makalenin yapısı aşağıdaki gibidir. İlk olarak, parametrelerle SWS hücre tasarımı, dispersiyon özellikleri analizi ve yüksek frekanslı simülasyon sonuçları açıklanmaktadır. Ardından, birim hücrenin yapısına göre, bu makalede çift kalem ışınlı bir EOS ve ışın etkileşim sistemi tasarlanmıştır. Hücre içi parçacık simülasyon sonuçları da EOS'nin kullanılabilirliğini ve SDV-TWT'nin performansını doğrulamak için sunulmuştur. Ek olarak, makale tüm HFS'nin doğruluğunu doğrulamak için üretim ve soğuk test sonuçlarını kısaca sunmaktadır. Son olarak bir özet yapın.
TWT'nin en önemli bileşenlerinden biri olarak, yavaş dalga yapısının dağıtıcı özellikleri, elektron hızının SWS'nin faz hızına uyup uymadığını ve dolayısıyla ışın-dalga etkileşimi üzerinde büyük bir etkiye sahip olup olmadığını gösterir. Tüm TWT'nin performansını iyileştirmek için, iyileştirilmiş bir etkileşim yapısı tasarlanmıştır. Birim hücrenin yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Levha kirişinin kararsızlığı ve tek kalem kirişinin güç sınırlaması göz önüne alındığında, yapı çıkış gücünü ve çalışma kararlılığını daha da iyileştirmek için çift kalem kirişi benimser. Bu arada, çalışma bant genişliğini artırmak için SWS'nin çalışması için çift mod önerilmiştir. SDV yapısının simetrisi nedeniyle, elektromanyetik alan dağılım denkleminin çözümü tek ve çift modlara ayrılabilir. Aynı zamanda, düşük frekans bandının temel tek modu ve yüksek frekans bandının temel çift modu, kiriş etkileşiminin geniş bant senkronizasyonunu gerçekleştirmek için kullanılır ve böylece çalışma bant genişliği daha da iyileştirilir.
Güç gereksinimlerine göre, tüm tüp 20 kV'luk bir sürüş voltajı ve 2 × 80 mA'lik bir çift ışın akımı ile tasarlanmıştır. Voltajı SDV-SWS'nin çalışma bant genişliğine mümkün olduğunca yakın bir şekilde eşleştirmek için, periyodun uzunluğunu p hesaplamamız gerekir. Işın voltajı ile periyot arasındaki ilişki denklem (1)10'da gösterilmiştir:
220 GHz merkez frekansında faz kayması 2,5π'ye ayarlandığında, periyot p 0,46 mm olarak hesaplanabilir. Şekil 2a, SWS birim hücresinin dispersiyon özelliklerini göstermektedir. 20 kV ışın hattı, bimodal eğriye çok iyi uymaktadır. Eşleşen frekans bantları, 210-265,3 GHz (tek mod) ve 265,4-280 GHz (çift mod) aralıklarında yaklaşık 70 GHz'e ulaşabilir. Şekil 2b, 210 ila 290 GHz arasında 0,6 Ω'dan büyük olan ortalama kuplaj empedansını göstermektedir; bu, çalışma bant genişliğinde güçlü etkileşimlerin meydana gelebileceğini göstermektedir.
(a) 20 kV elektron ışın hattına sahip çift modlu bir SDV-SWS'nin dağılım özellikleri. (b) SDV yavaş dalga devresinin etkileşim empedansı.
Ancak, tek ve çift modlar arasında bir bant aralığı olduğunu ve Şekil 2a'da gösterildiği gibi genellikle bu bant aralığına durdurma bandı adını verdiğimizi belirtmek önemlidir. TWT bu frekans bandının yakınında çalıştırılırsa, istenmeyen salınımlara yol açacak güçlü bir ışın birleştirme gücü oluşabilir. Pratik uygulamalarda, genellikle durdurma bandının yakınında TWT kullanmaktan kaçınırız. Ancak, bu yavaş dalga yapısının bant aralığının yalnızca 0,1 GHz olduğu görülebilir. Bu küçük bant aralığının salınımlara neden olup olmadığını belirlemek zordur. Bu nedenle, istenmeyen salınımların oluşup oluşmayacağını analiz etmek için durdurma bandı etrafındaki çalışmanın kararlılığı aşağıdaki PIC simülasyon bölümünde incelenecektir.
Tüm HFS'nin modeli Şekil 3'te gösterilmiştir. Bragg reflektörleri ile bağlanan iki SDV-SWS aşamasından oluşur. Reflektörün işlevi, iki aşama arasındaki sinyal iletimini kesmek, üst ve alt bıçaklar arasında üretilen yüksek mertebeli modlar gibi çalışmayan modların salınımını ve yansımasını bastırmak ve böylece tüm tüpün kararlılığını büyük ölçüde iyileştirmektir. Dış ortama bağlantı için, SWS'yi bir WR-4 standart dalga kılavuzuna bağlamak için doğrusal konik bir kuplör de kullanılır. İki seviyeli yapının iletim katsayısı, 3B simülasyon yazılımındaki bir zaman alanı çözücüsü ile ölçülür. Terahertz bandının malzeme üzerindeki gerçek etkisini göz önünde bulundurarak, vakum zarfının malzemesi başlangıçta bakır olarak ayarlanır ve iletkenlik 2,25×107 S/m12'ye düşürülür.
Şekil 4, doğrusal konik kuplörlü ve kuplörsüz HFS için iletim sonuçlarını göstermektedir. Sonuçlar, kuplörün tüm HFS'nin iletim performansı üzerinde çok az etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Tüm sistemin 207~280 GHz geniş banttaki 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 analiziyle birleştirildiğinde, yeterli güç sağlamak için çift ışınlı bir EOS'nin tasarlanması gerekir. Bu bölümde, W-band8,9'daki önceki çalışmalara dayanarak, düzlemsel bir maske parçası ve kontrol elektrotları kullanılarak çift kalemli bir elektron tabancası tasarlanmıştır. İlk olarak, Bölüm II'deki SWS'nin tasarım gereksinimlerine göre. Şekil 1'de gösterildiği gibi, 2, elektron ışınlarının sürüş gerilimi Ua başlangıçta 20 kV'a ayarlanır, iki elektron ışınının akımları I her ikisi de 80 mA'dir ve elektron ışınlarının ışın çapı dw 0,13 mm'dir. Aynı zamanda, elektron ışınının ve katodun akım yoğunluğunun elde edilmesini sağlamak için elektron ışınının sıkıştırma oranı 7'ye ayarlanır, böylece elektron ışınının akım yoğunluğu 603 A/cm2 ve katodun akım yoğunluğu 86 A/cm2 olur ve bu, yeni katot malzemeleri kullanılarak elde edilebilir. Tasarım teorisi 14, 15, 16, 17'ye göre, tipik bir Pierce elektron tabancası benzersiz bir şekilde tanımlanabilir.
Şekil 5'te tabancanın yatay ve dikey şematik diyagramları sırasıyla gösterilmektedir. Elektron tabancasının x yönündeki profilinin tipik bir tabaka elektron tabancasının profiline neredeyse özdeş olduğu, y yönünde ise iki elektron demetinin kısmen maskeyle ayrıldığı görülebilir. İki katodun konumları sırasıyla x = – 0,155 mm, y = 0 mm ve x = 0,155 mm, y = 0 mm'dir. Sıkıştırma oranı ve elektron enjeksiyon boyutu tasarım gereksinimlerine göre, iki katot yüzeyinin boyutları 0,91 mm × 0,13 mm olarak belirlenmiştir.
Her elektron demetinin x yönünde aldığı odaklanmış elektrik alanını kendi merkezi etrafında simetrik hale getirmek için, bu makalede elektron tabancasına bir kontrol elektrodu uygulanır. Odaklama elektrodu ve kontrol elektrodunun voltajını -20 kV'a ve anot voltajını 0 V'a ayarlayarak, Şekil 6'da gösterildiği gibi çift 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 yakınsadığı görülebilir; bu da kontrol elektrodunun odaklama elektrodu tarafından üretilen eşit olmayan elektrik alanını dengelediğini gösterir.
Şekil 7, x ve y yönlerindeki ışın zarfını göstermektedir. Sonuçlar, elektron ışınının x yönündeki izdüşüm mesafesinin y yönündeki izdüşüm mesafesinden 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, katot yüzeyinden 4,6 mm uzaklıktaki elektron ışınının kesitini göstermektedir. Kesit şeklinin standart dairesel bir elektron ışınına en yakın olduğunu görebiliriz. İki elektron ışını arasındaki mesafe tasarlanan 0,31 mm'ye yakındır ve yarıçap yaklaşık 0,13 mm'dir; bu da tasarım gereksinimlerini karşılamaktadır. Şekil 9, ışın akımının simülasyon sonuçlarını göstermektedir. İki ışın akımının, tasarlanan 80 mA ile oldukça uyumlu olan 76 mA olduğu görülebilir.
Sürüş voltajının pratik uygulamalardaki dalgalanmaları göz önünde bulundurulduğunda, bu modelin voltaj duyarlılığının incelenmesi gerekmektedir. 19,8 ~ 20,6 kV voltaj aralığında, Şekil 1 ve Şekil 1.10 ve 11'de gösterildiği gibi akım ve ışın akımı zarfları elde edilir. Sonuçlardan, sürüş voltajındaki değişimin elektron ışın zarfı üzerinde hiçbir etkisinin olmadığı ve elektron ışın akımının yalnızca 0,74 ila 0,78 A arasında değiştiği görülebilir. Bu nedenle, bu makalede tasarlanan elektron tabancasının voltaja karşı iyi bir duyarlılığa sahip olduğu düşünülebilir.
Sürüş gerilimi dalgalanmalarının x ve y yönündeki ışın zarfları üzerindeki etkisi.
Düzgün bir manyetik odaklama alanı, yaygın bir kalıcı mıknatıs odaklama sistemidir. Işın kanalı boyunca düzgün manyetik alan dağılımı nedeniyle, eksenel simetrik elektron ışınları için çok uygundur. Bu bölümde, çift kalem ışınlarının uzun mesafeli iletimini sağlamak için düzgün bir manyetik odaklama sistemi önerilmiştir. Oluşturulan manyetik alan ve ışın zarfı analiz edilerek, odaklama sisteminin tasarım şeması önerilmiş ve hassasiyet problemi incelenmiştir. Tek bir kalem ışınının18,19 kararlı iletim teorisine göre, Brillouin manyetik alan değeri denklem (2) ile hesaplanabilir. Bu makalede, bu eşdeğerliği yanal olarak dağıtılmış çift kalem ışınının manyetik alanını tahmin etmek için de kullanıyoruz. Bu makalede tasarlanan elektron tabancasıyla birlikte, hesaplanan manyetik alan değeri yaklaşık 4000 Gs'dir. Kaynak 20'ye göre, pratik tasarımlarda genellikle hesaplanan değerin 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 kalıcı mıknatıslanma Br 1,3 T ve geçirgenlik 1,05'tir. Tüm devrede ışının kararlı bir şekilde iletilmesini sağlamak için mıknatısın uzunluğu başlangıçta 70 mm'ye ayarlanır. Ayrıca, x yönündeki mıknatısın boyutu, ışın kanalındaki enine manyetik alanın düzgün olup olmadığını belirler, bu da x yönündeki boyutun çok küçük olamayacağını gerektirir. Aynı zamanda, tüm tüpün maliyeti ve ağırlığı göz önünde bulundurulduğunda, mıknatısın boyutu çok büyük olmamalıdır. Bu nedenle, mıknatıslar başlangıçta 150 mm × 150 mm × 70 mm'ye ayarlanır. Bu arada, tüm yavaş dalga devresinin odaklama sistemine yerleştirilebilmesini sağlamak için mıknatıslar arasındaki mesafe 20 mm'ye ayarlanır.
2015 yılında Purna Chandra Panda21, katoda akı sızıntısının büyüklüğünü ve kutup parçası deliğinde üretilen enine manyetik alanı daha da azaltabilen, düzgün bir manyetik odaklama sisteminde yeni bir kademeli delik içeren bir kutup parçası önerdi. Bu makalede, odaklama sisteminin kutup parçasına kademeli bir yapı ekledik. Kutup parçasının kalınlığı başlangıçta 1,5 mm'ye, üç basamağın yüksekliği ve genişliği 0,5 mm'ye ve kutup parçası delikleri arasındaki mesafe 2 mm'ye ayarlanmıştır, Şekil 13'te gösterilmiştir.
Şekil 14a, iki elektron ışınının merkez hatları boyunca eksenel manyetik alan dağılımını göstermektedir. İki elektron ışını boyunca manyetik alan kuvvetlerinin eşit olduğu görülebilir. Manyetik alan değeri yaklaşık 6000 Gs'dir, bu da iletim ve odaklama performansını artırmak için teorik Brillouin alanının 1,5 katıdır. Aynı zamanda, katottaki manyetik alan neredeyse 0'dır, bu da kutup parçasının manyetik akı sızıntısını önlemede iyi bir etkiye sahip olduğunu gösterir. Şekil 14b, iki elektron ışınının üst kenarında z yönünde enine manyetik alan dağılımını By gösterir. Enine manyetik alanın yalnızca kutup parçası deliğinde 200 Gs'den az olduğu görülebilirken, yavaş dalga devresinde enine manyetik alan neredeyse sıfırdır, bu da enine manyetik alanın elektron ışını üzerindeki etkisinin ihmal edilebilir olduğunu kanıtlar. Kutup parçalarının manyetik doygunluğunu önlemek için, kutup parçalarının içindeki manyetik alan şiddetini incelemek gerekir. Şekil 14c, manyetik alanın mutlak değerini gösterir Kutup parçasının içindeki dağılım.Manyetik alan şiddetinin mutlak değerinin 1,2T'den küçük 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 yönündeki By yanal alan dağılımı. (c) Kutup parçası içindeki alan dağılımının mutlak değeri.
CST PS modülüne dayanarak, çift ışınlı silahın ve odaklama sisteminin eksenel göreli konumu optimize edilmiştir. Ref. 9'a ve simülasyonlara göre, optimum konum, anot parçasının mıknatıstan uzakta kutup parçasıyla örtüştüğü yerdir. Ancak, kalıcı mıknatıslanma 1,3 T'ye ayarlanırsa, elektron ışınının geçirgenliğinin %99'a ulaşamayacağı bulunmuştur. Kalıcı mıknatıslanma 1,4 T'ye çıkarıldığında, odaklama manyetik alanı 6500 Gs'ye çıkarılacaktır. Xoz ve yoz düzlemlerindeki ışın yörüngeleri Şekil 15'te gösterilmiştir. Işının iyi iletime, küçük dalgalanmaya ve 45 mm'den daha büyük bir iletim mesafesine sahip olduğu görülebilir.
Br = 1,4 T homojen bir manyetik sistem altında çift kalem ışınlarının yörüngeleri. (a) xoz düzlemi. (b) yoz uçağı.
Şekil 16, katottan uzaktaki farklı pozisyonlarda ışının kesitini göstermektedir. Odaklama sistemindeki ışın kesitinin şeklinin iyi korunduğu ve kesit çapının çok fazla değişmediği görülebilir. Şekil 17, sırasıyla x ve y yönlerindeki ışın zarflarını göstermektedir. Her iki yöndeki ışın dalgalanmasının çok küçük olduğu görülebilir. Şekil 18, ışın akımının simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Sonuçlar, akımın yaklaşık 2 × 80 mA olduğunu göstermektedir; bu, elektron tabancası tasarımında hesaplanan değerle tutarlıdır.
Katottan farklı konumlarda odaklama sistemli elektron demeti kesiti.
Montaj hataları, voltaj dalgalanmaları ve pratik işleme uygulamalarında manyetik alan şiddetindeki değişimler gibi bir dizi problem göz önüne alındığında, odaklama sisteminin hassasiyetinin analiz edilmesi gerekir. Gerçek işlemede anot parçası ile kutup parçası arasında bir boşluk olduğundan, bu boşluğun simülasyonda ayarlanması gerekir. Boşluk değeri 0,2 mm olarak ayarlandı ve Şekil 19a, y yönündeki ışın zarfını ve ışın akımını gösterir. Bu sonuç, ışın zarfındaki değişimin önemli olmadığını ve ışın akımının neredeyse hiç değişmediğini gösterir. Bu nedenle, sistem montaj hatalarına duyarsızdır. Sürüş voltajının dalgalanması için hata aralığı ± 0,5 kV olarak ayarlanır. Şekil 19b, karşılaştırma sonuçlarını gösterir. Voltaj değişiminin ışın zarfı üzerinde çok az etkisi olduğu görülebilir. Manyetik alan şiddetindeki değişimler için hata aralığı -0,02 ila +0,03 T arasında ayarlanır. Karşılaştırma sonuçları Şekil 20'de gösterilir. Işın zarfının neredeyse hiç değişmediği görülebilir, bu da tüm EOS'nin değişimlere duyarsız olduğu anlamına gelir. manyetik alan şiddetinde.
Üniform manyetik odaklama sistemi altında ışın zarfı ve akım sonuçları. (a) Montaj toleransı 0,2 mm'dir. (b) Sürüş voltajı dalgalanması ±0,5 kV'dur.
0,63 ila 0,68 T arasında değişen eksenel manyetik alan şiddeti dalgalanmalarına sahip düzgün bir manyetik odaklama sistemi altında ışın zarfı.
Bu makalede tasarlanan odaklama sisteminin HFS ile eşleşebilmesini sağlamak için, araştırma için odaklama sistemini ve HFS'yi birleştirmek gerekir. Şekil 21, HFS yüklü ve yüksüz ışın zarflarının bir karşılaştırmasını göstermektedir. Sonuçlar, tüm HFS yüklendiğinde ışın zarfının çok fazla değişmediğini göstermektedir. Bu nedenle, odaklama sistemi yukarıdaki tasarımdaki seyahat eden dalga tüpü HFS için uygundur.
Bölüm III'te önerilen EOS'un doğruluğunu doğrulamak ve 220 GHz SDV-TWT'nin performansını araştırmak için, ışın-dalga etkileşiminin 3D-PIC simülasyonu gerçekleştirildi. Simülasyon yazılımının sınırlamaları nedeniyle, tüm EOS'u HFS'ye ekleyemedik. Bu nedenle, elektron tabancası, yukarıda tasarlanan elektron tabancasıyla aynı parametrelere sahip, 0,13 mm çapında ve iki yüzey arasındaki mesafe 0,31 mm olan eşdeğer bir yayma yüzeyi ile değiştirildi. EOS'un duyarsızlığı ve iyi kararlılığı nedeniyle, sürüş voltajı, PIC simülasyonunda en iyi çıkış gücünü elde etmek için uygun şekilde optimize edilebilir. Simülasyon sonuçları, doymuş çıkış gücünün ve kazancın 20,6 kV'luk bir sürüş voltajında, 2 × 80 mA'lik (603 A/cm2) bir ışın akımında ve 0,05 W'lık bir 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 kazançla 314 W'a yükseltilir. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) ile elde edilen çıkış gücü spektrumu saftır ve 220 GHz'de tepe yapar. Şekil 22b, SWS'deki elektron enerjisinin eksenel konum dağılımını gösterir ve elektronların çoğu enerji kaybeder. Bu sonuç, SDV-SWS'nin elektronların kinetik enerjisini RF sinyallerine dönüştürebileceğini ve böylece sinyal yükseltme işlemini gerçekleştirebileceğini gösterir.
220 GHz'de SDV-SWS çıkış sinyali. (a) Dahil edilen spektrumla çıkış gücü. (b) SWS ek parçasının sonundaki elektron demetiyle elektronların enerji dağılımı.
Şekil 23, çift modlu çift ışınlı bir SDV-TWT'nin çıkış gücü bant genişliğini ve kazancını göstermektedir. Çıkış performansı, 200 ila 275 GHz arasındaki frekansları tarayarak ve sürücü voltajını optimize ederek daha da iyileştirilebilir. Bu sonuç, 3 dB bant genişliğinin 205 ila 275 GHz'i kapsayabileceğini göstermektedir; bu da çift modlu çalışmanın çalışma bant genişliğini büyük ölçüde genişletebileceği anlamına gelir.
Ancak, Şekil 2a'ya göre, tek ve çift modlar arasında istenmeyen salınımlara yol açabilecek bir durdurma bandının olduğunu biliyoruz. Bu nedenle, durdurmalar etrafındaki çalışma kararlılığının incelenmesi gerekir. Şekil 24a-c, sırasıyla 265,3 GHz, 265,35 GHz ve 265,4 GHz'deki 20 ns simülasyon sonuçlarıdır. Simülasyon sonuçlarında bazı dalgalanmalar olmasına rağmen, çıkış gücünün nispeten kararlı olduğu görülebilir. Spektrum da sırasıyla Şekil 24'te gösterilmiştir, spektrum saftır. Bu sonuçlar, durdurma bandının yakınında kendi kendine salınım olmadığını göstermektedir.
Tüm HFS'nin doğruluğunu doğrulamak için imalat ve ölçüm gereklidir. Bu bölümde HFS, 0,1 mm'lik bir takım çapı ve 10 μm'lik bir işleme hassasiyeti ile bilgisayar sayısal kontrol (CNC) teknolojisi kullanılarak üretilir. Yüksek frekanslı yapı için malzeme, oksijensiz yüksek iletkenliğe sahip (OFHC) bakırdan sağlanır. Şekil 25a, üretilen yapıyı göstermektedir. Tüm yapının uzunluğu 66,00 mm, genişliği 20,00 mm ve yüksekliği 8,66 mm'dir. Yapının etrafına sekiz adet pim deliği dağıtılmıştır. Şekil 25b, yapıyı taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile göstermektedir. Bu yapının kanatları düzgün bir şekilde üretilmiştir ve iyi yüzey pürüzlülüğüne sahiptir. Hassas ölçümden sonra, genel işleme hatası %5'ten azdır ve yüzey pürüzlülüğü yaklaşık 0,4 μm'dir. İşleme yapısı, tasarım ve hassasiyet gereksinimlerini karşılamaktadır.
Şekil 26, gerçek test sonuçları ile iletim performansının simülasyonları arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir. 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 gerçek işlemeden sonra yüzey pürüzlülüğünün zayıf olması olabilir. Genel olarak, ölçülen sonuçlar simülasyon sonuçlarıyla oldukça uyumludur 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 birleştirildiğinde, bu makalede önerilen ultra geniş bantlı çift ışınlı SDV-TWT tasarımı sonraki üretim ve uygulamalar için kullanılabilir.
Bu makalede, düzlemsel dağılımlı 220 GHz çift ışınlı SDV-TWT'nin ayrıntılı bir tasarımı sunulmuştur. Çift modlu çalışma ve çift ışınlı uyarımın birleşimi, çalışma bant genişliğini ve çıkış gücünü daha da artırır. Ayrıca, tüm HFS'nin doğruluğunu doğrulamak için üretim ve soğuk test gerçekleştirilir. Gerçek ölçüm sonuçları, simülasyon sonuçlarıyla oldukça uyumludur. Tasarlanan iki ışınlı EOS için, bir maske bölümü ve kontrol elektrotları birlikte kullanılarak iki kalemli bir ışın üretilmiştir. Tasarlanan düzgün odaklama manyetik alanı altında, elektron ışını uzun mesafeler boyunca iyi bir şekilde kararlı bir şekilde iletilebilir. Gelecekte, EOS'un üretimi ve testi gerçekleştirilecek ve tüm TWT'nin termal testi de gerçekleştirilecektir. Bu makalede önerilen bu SDV-TWT tasarım şeması, mevcut olgun düzlem işleme teknolojisini tamamen birleştiriyor ve performans göstergeleri ile işleme ve montajda büyük potansiyel göstermektedir. Bu nedenle, bu makale düzlemsel yapının terahertz bandında vakumlu elektronik cihazların geliştirme trendi olma olasılığının en yüksek olduğuna inanmaktadır.
Bu çalışmada kullanılan ham verilerin ve analitik modellerin çoğu bu makalede yer almaktadır. Makul talep üzerine ilgili yazardan daha fazla bilgi alınabilir.
Gamzina, D. ve diğerleri. Terahertz altı vakum elektroniğinin nano ölçekli CNC işlenmesi. IEEE Trans. elektronik cihazlar. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. ve Paoloni, C. Çok katmanlı SU-8 fotorezisti kullanılarak terahertz altı dalga kılavuzlarının UV-LIGA mikrofabrikasyonu. J. Micromechanics. Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS ve ark.2017 THz teknolojisi yol haritası.J. Fizik.Uygulamak için D.fizik.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR ve Luhmann, NC Ultra geniş bantlı kademeli çift kafesli dalga kılavuzları aracılığıyla plazmonik dalga yayılımının güçlü hapsedilmesi.uygulama.fizik.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. ve diğerleri. Nano CNC ile İşlenmiş 220 GHz Seyahat Dalga Tüpü Amplifikatörünün Performansı. IEEE Trans. elektronik cihazlar. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. ve Ruan, CJ Makroskobik soğuk akışkan modeli teorisini kullanarak sonsuz genişlikteki levha elektron demetlerinin diocotron kararsızlığını araştırmak. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV, çok ışınlı bir klistronda ışının düzlemsel yerleşimiyle bant genişliğini artırma fırsatı üzerine. 12. IEEE Vakum Elektroniği Uluslararası Konferansı, Bangalore, Hindistan, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ ve diğerleri. W-bantlı kademeli çift kanatlı seyahat dalgası tüpünde dar ışın bölme düzlemi dağılımına sahip üç ışınlı elektron silahlarının tasarımı[J].Science.Rep. 11, 940.https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB ve Ruan, CJ Dar ışın ayrımlı düzlemsel dağıtılmış üç ışınlı elektron optik sistemi W-bant temel mod TWT.IEEE Trans.elektronik cihazlar.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Milimetre Dalga Levha Kirişleri 20-22 ile İç İçe Geçirilmiş Çift Kanatlı Seyahat Dalga Tüpü Üzerine Araştırma (Doktora, Beihang Üniversitesi, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. G-bant iç içe geçmiş çift kanatlı hareketli dalga tüpünün ışın-dalga etkileşim kararlılığı üzerine çalışma.2018 43. Uluslararası Kızılötesi Milimetre ve Terahertz Dalgaları Konferansı, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).