Cảm ơn bạn đã truy cập Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt cập nhật (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo tiếp tục được hỗ trợ, chúng tôi sẽ hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Trong bài báo này, một ống sóng di chuyển hai lưỡi xen kẽ công suất cao băng thông rộng 220 GHz được thiết kế và xác minh. Đầu tiên, một cấu trúc sóng chậm hai lưỡi so le hai chùm phẳng phẳng được đề xuất. Bằng cách sử dụng sơ đồ hoạt động ở chế độ kép, hiệu suất truyền và băng thông gần gấp đôi so với chế độ đơn. Thứ hai, để đáp ứng yêu cầu về công suất đầu ra cao và cải thiện độ ổn định của ống sóng di chuyển, một hệ thống quang điện tử hình bút chì đôi được thiết kế, điện áp truyền động là 20 ~ 21 kV, và dòng điện là 2 × 80 mA. Mục tiêu thiết kế. Bằng cách sử dụng phần mặt nạ và điện cực điều khiển trong súng chùm tia kép, hai chùm tia bút chì có thể được tập trung dọc theo tâm tương ứng của chúng với tỷ lệ nén là 7, khoảng cách lấy nét là khoảng 0,18mm và độ ổn định tốt. Hệ thống lấy nét từ tính đồng nhất cũng đã được tối ưu hóa. Khoảng cách truyền ổn định của chùm tia điện tử kép phẳng có thể đạt tới 45 mm và từ trường hội tụ là 0,6 T, đủ để bao phủ toàn bộ hệ thống tần số cao (HFS). Sau đó, để xác minh khả năng sử dụng của hệ thống quang điện tử và hiệu suất của cấu trúc sóng chậm, các mô phỏng tế bào hạt (PIC) cũng được thực hiện trên toàn bộ HFS. Kết quả cho thấy hệ thống tương tác chùm tia có thể đạt được công suất đầu ra cực đại gần 310 W ở 220 GHz, điện áp chùm tia được tối ưu hóa là 20,6 kV, dòng điện chùm tia là 2 × 80 mA, mức tăng 38 dB và băng thông 3 dB vượt quá 35 dB khoảng 70 GHz. đồng minh, chế tạo cấu trúc vi mô có độ chính xác cao được thực hiện để xác minh hiệu suất của HFS và kết quả cho thấy rằng các đặc tính băng thông và truyền dẫn phù hợp tốt với kết quả mô phỏng. Do đó, sơ đồ được đề xuất trong bài báo này được kỳ vọng sẽ phát triển các nguồn bức xạ dải terahertz siêu rộng, công suất cao có tiềm năng cho các ứng dụng trong tương lai.
Là một thiết bị điện tử chân không truyền thống, ống sóng di chuyển (TWT) đóng vai trò không thể thay thế trong nhiều ứng dụng như radar độ phân giải cao, hệ thống liên lạc vệ tinh và thám hiểm không gian1,2,3. Tuy nhiên, khi tần số hoạt động đi vào dải tần terahertz, TWT khoang đôi truyền thống và TWT xoắn ốc đã không thể đáp ứng nhu cầu của mọi người do công suất đầu ra tương đối thấp, băng thông hẹp và quy trình sản xuất khó khăn. Do đó, làm thế nào để cải thiện toàn diện hiệu suất của dải THz đã trở thành một vấn đề rất được quan tâm đối với nhiều nhà khoa học các tổ chức nghiên cứu. Trong những năm gần đây, các cấu trúc sóng chậm (SWS) mới, chẳng hạn như cấu trúc lưỡi kép so le (SDV) và cấu trúc ống dẫn sóng gấp (FW), đã nhận được sự quan tâm rộng rãi do cấu trúc phẳng tự nhiên của chúng, đặc biệt là các SDV-SWS mới với tiềm năng đầy hứa hẹn. Cấu trúc này được đề xuất bởi UC-Davis vào năm 20084. Cấu trúc phẳng có thể dễ dàng được chế tạo bằng các kỹ thuật xử lý vi nano như điều khiển số máy tính (CNC) và UV-LIGA, cấu trúc gói hoàn toàn bằng kim loại có thể cung cấp công suất nhiệt lớn hơn với công suất đầu ra và mức tăng cao hơn, đồng thời cấu trúc giống như ống dẫn sóng cũng có thể cung cấp băng thông hoạt động rộng hơn. Hiện tại, UC Davis đã chứng minh lần đầu tiên vào năm 2017 rằng SDV-TWT có thể tạo ra đầu ra công suất cao vượt quá 100 W và tín hiệu băng thông gần 14 GHz trong băng tần G5. Tuy nhiên, những kết quả này vẫn còn những khoảng trống không thể đáp ứng các yêu cầu liên quan về công suất cao và băng thông rộng trong băng tần terahertz. Đối với SDV-TWT băng tần G của UC-Davis, các chùm electron dạng tấm có đã được sử dụng. Mặc dù sơ đồ này có thể cải thiện đáng kể khả năng mang dòng điện của chùm tia, nhưng rất khó để duy trì khoảng cách truyền dài do sự không ổn định của hệ thống quang điện tử chùm tia (EOS) và có một đường hầm chùm tia quá chế độ, điều này cũng có thể khiến chùm tia tự điều chỉnh.– Kích thích và dao động 6,7. Để đáp ứng các yêu cầu về công suất đầu ra cao, băng thông rộng và độ ổn định tốt của THz TWT, SDV-SWS chùm tia kép với hoạt động ở chế độ kép được đề xuất trong bài báo này. Đó là, để tăng băng thông hoạt động, hoạt động ở chế độ kép được đề xuất và giới thiệu trong cấu trúc này. Và, để tăng công suất đầu ra, sự phân bố phẳng của chùm tia bút chì kép cũng được sử dụng. Radio chùm bút chì đơn tương đối nhỏ do hạn chế về kích thước dọc. Nếu mật độ dòng điện quá cao, dòng chùm phải giảm, dẫn đến công suất đầu ra tương đối thấp. Để cải thiện dòng chùm, EOS đa chùm phân tán phẳng đã xuất hiện, khai thác kích thước ngang của SWS. Do đường hầm chùm độc lập, đa chùm phân tán phẳng có thể đạt được công suất đầu ra cao bằng cách duy trì tổng dòng chùm cao và dòng điện trên mỗi chùm nhỏ, điều này có thể tránh hiện tượng xuyên hầm chùm quá mode so với các thiết bị chùm tấm. bài báo đề xuất một từ trường đồng nhất dải G tập trung EOS chùm bút chì kép, có thể cải thiện đáng kể khoảng cách truyền ổn định của chùm và tăng thêm diện tích tương tác của chùm, do đó cải thiện đáng kể công suất đầu ra.
Cấu trúc của bài báo này như sau. Đầu tiên, thiết kế ô SWS với các tham số, phân tích đặc điểm phân tán và kết quả mô phỏng tần số cao được mô tả. Sau đó, theo cấu trúc của ô đơn vị, một chùm tia bút chì kép EOS và hệ thống tương tác chùm tia được thiết kế trong bài báo này. Kết quả mô phỏng hạt nội bào cũng được trình bày để xác minh khả năng sử dụng của EOS và hiệu suất của SDV-TWT.
Là một trong những thành phần quan trọng nhất của TWT, các đặc tính phân tán của cấu trúc sóng chậm cho biết liệu vận tốc electron có khớp với vận tốc pha của SWS hay không và do đó có ảnh hưởng lớn đến tương tác sóng chùm. Để cải thiện hiệu suất của toàn bộ TWT, một cấu trúc tương tác được cải thiện đã được thiết kế. Cấu trúc của ô đơn vị được thể hiện trong Hình 1. Xem xét tính không ổn định của chùm tấm và giới hạn công suất của chùm bút đơn, cấu trúc sử dụng chùm bút đôi để cải thiện hơn nữa công suất đầu ra và độ ổn định hoạt động.Trong khi đó, để tăng băng thông làm việc, một chế độ kép đã được đề xuất cho SWS hoạt động. Do tính đối xứng của cấu trúc SDV, giải pháp của phương trình tán sắc trường điện từ có thể được chia thành các chế độ chẵn và lẻ. Đồng thời, chế độ lẻ cơ bản của dải tần số thấp và chế độ chẵn cơ bản của dải tần số cao được sử dụng để nhận ra sự đồng bộ hóa băng thông rộng của tương tác chùm tia, do đó cải thiện hơn nữa băng thông làm việc.
Theo yêu cầu về năng lượng, toàn bộ ống được thiết kế với điện áp truyền động là 20 kV và dòng điện chùm đôi là 2 × 80 mA. Để điện áp phù hợp nhất có thể với băng thông hoạt động của SDV-SWS, chúng ta cần tính độ dài của chu kỳ p. Mối quan hệ giữa điện áp chùm tia và chu kỳ được thể hiện trong phương trình (1)10:
Bằng cách đặt độ lệch pha thành 2,5π ở tần số trung tâm là 220 GHz, chu kỳ p có thể được tính là 0,46 mm. Hình 2a cho thấy các đặc tính phân tán của ô đơn vị SWS. Đường tia 20 kV khớp rất tốt với đường cong lưỡng chế. Các dải tần phù hợp có thể đạt khoảng 70 GHz trong dải 210–265,3 GHz (chế độ lẻ) và 265,4–280 GHz (chế độ chẵn). Hình Hình 2b cho thấy trở kháng ghép nối trung bình, lớn hơn 0,6 Ω từ 210 đến 290 GHz, cho thấy các tương tác mạnh có thể xảy ra trong băng thông hoạt động.
(a) Đặc tính phân tán của SDV-SWS chế độ kép với chùm tia điện tử 20 kV. (b) Trở kháng tương tác của mạch sóng chậm SDV.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là có một khoảng cách băng tần giữa các chế độ chẵn và lẻ, và chúng tôi thường gọi khoảng cách băng tần này là dải dừng, như thể hiện trong Hình 2a. Nếu TWT được vận hành gần dải tần này, cường độ ghép chùm mạnh có thể xảy ra, dẫn đến các dao động không mong muốn. Trong các ứng dụng thực tế, chúng tôi thường tránh sử dụng TWT gần dải tần dừng. Tuy nhiên, có thể thấy rằng khoảng cách băng tần của cấu trúc sóng chậm này chỉ là 0,1 GHz. Rất khó để xác định liệu khoảng cách băng tần nhỏ này có gây ra dao động hay không. e, độ ổn định hoạt động quanh dải dừng sẽ được khảo sát trong phần mô phỏng PIC sau để phân tích xem có thể xảy ra các dao động không mong muốn hay không.
Mô hình của toàn bộ HFS được hiển thị trong Hình 3. Nó bao gồm hai giai đoạn SDV-SWS, được kết nối bởi các gương phản xạ Bragg. Chức năng của gương phản xạ là cắt đường truyền tín hiệu giữa hai giai đoạn, triệt tiêu dao động và phản xạ của các chế độ không hoạt động, chẳng hạn như các chế độ bậc cao được tạo ra giữa các lưỡi trên và dưới, nhờ đó cải thiện đáng kể độ ổn định của toàn bộ ống. Để kết nối với môi trường bên ngoài, một bộ ghép hình côn tuyến tính cũng được sử dụng để kết nối SWS với ống dẫn sóng tiêu chuẩn WR-4. Hệ số truyền của cả hai cấu trúc -level được đo bằng bộ giải miền thời gian trong phần mềm mô phỏng 3D. Xem xét tác động thực tế của dải terahertz lên vật liệu, vật liệu của lớp vỏ chân không ban đầu được đặt thành đồng và độ dẫn điện giảm xuống 2,25×107 S/m12.
Hình 4 cho thấy kết quả truyền đối với HFS có và không có bộ ghép côn tuyến tính. Kết quả cho thấy bộ ghép ít ảnh hưởng đến hiệu suất truyền của toàn bộ HFS. Suy hao phản hồi (S11 < − 10 dB) và suy hao chèn (S21 > − 5 dB) của toàn hệ thống trong băng thông rộng 207~280 GHz cho thấy HFS có đặc tính truyền tốt.
Là nguồn cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử chân không, súng điện tử trực tiếp xác định liệu thiết bị có thể tạo ra đủ công suất đầu ra hay không. Kết hợp với phân tích HFS trong Phần II, EOS hai chùm tia cần được thiết kế để cung cấp đủ năng lượng. Trong phần này, dựa trên công việc trước đó trong W-band8,9, súng điện tử bút chì đôi được thiết kế sử dụng bộ phận mặt nạ phẳng và các điện cực điều khiển. Đầu tiên, theo yêu cầu thiết kế của SWS trong Phần. Như thể hiện trong hình.2, điện áp điều khiển Ua của chùm tia điện tử ban đầu được đặt thành 20 kV, dòng điện I của hai chùm tia điện tử đều là 80 mA và đường kính chùm dw của chùm tia điện tử là 0,13 mm. Đồng thời, để đảm bảo có thể đạt được mật độ dòng điện của chùm tia điện tử và cực âm, tỷ lệ nén của chùm tia điện tử được đặt thành 7, do đó mật độ dòng điện của chùm tia điện tử là 603 A/cm2 và mật độ dòng điện của catốt thode là 86 A/cm2, có thể đạt được bằng cách Sử dụng vật liệu catốt mới.
Hình 5 lần lượt hiển thị sơ đồ ngang và dọc của súng. Có thể thấy cấu hình của súng điện tử theo hướng x gần giống với cấu hình của súng điện tử dạng tấm điển hình, trong khi theo hướng y, hai chùm tia điện tử được ngăn cách một phần bởi mặt nạ. Vị trí của hai cực âm lần lượt là x = – 0,155 mm, y = 0 mm và x = 0,155 mm, y = 0 mm. Theo yêu cầu thiết kế của tỷ lệ nén và điện tử kích thước tiêm, kích thước của hai bề mặt catốt được xác định là 0,91 mm x 0,13 mm.
Để làm cho điện trường hội tụ mà mỗi chùm electron nhận được theo hướng x đối xứng với tâm của chính nó, bài báo này áp dụng một điện cực điều khiển cho súng điện tử. Bằng cách đặt điện áp của điện cực hội tụ và điện cực điều khiển thành −20 kV và điện áp của cực dương thành 0 V, chúng ta có thể thu được sự phân bố quỹ đạo của súng bắn tia kép, như trong Hình 6. Có thể thấy rằng các electron phát ra có khả năng nén tốt theo hướng y và mỗi chùm electron hội tụ theo hướng x dọc theo chính nó tâm đối xứng, cho biết điện cực điều khiển cân bằng điện trường không đều do điện cực hội tụ tạo ra.
Hình 7 cho thấy đường bao của chùm tia theo hướng x và y. Kết quả cho thấy khoảng cách chiếu của chùm tia điện tử theo hướng x khác với khoảng cách chiếu theo hướng y. Khoảng cách chiếu theo hướng x là khoảng 4 mm và khoảng cách chiếu theo hướng y gần bằng 7 mm. Do đó, khoảng cách chiếu thực tế nên được chọn trong khoảng từ 4 đến 7 mm. Hình 8 cho thấy mặt cắt ngang của chùm tia điện tử cách bề mặt catốt 4,6 mm. mặt cắt ngang gần nhất với chùm tia điện tử tròn tiêu chuẩn. Khoảng cách giữa hai chùm tia điện tử gần với thiết kế 0,31 mm và bán kính khoảng 0,13 mm, đáp ứng yêu cầu thiết kế. Hình 9 cho thấy kết quả mô phỏng dòng điện của chùm tia. Có thể thấy dòng điện của hai chùm tia là 76mA, rất phù hợp với 80mA được thiết kế.
Xem xét sự dao động của điện áp điều khiển trong các ứng dụng thực tế, cần nghiên cứu độ nhạy điện áp của mô hình này. Trong dải điện áp 19,8 ~ 20,6 kV, đường bao dòng điện và chùm tia thu được như trong Hình 1 và Hình 1.10 và 11. Từ kết quả, có thể thấy rằng sự thay đổi của điện áp điều khiển không ảnh hưởng đến đường bao chùm tia điện tử và dòng điện chùm tia điện tử chỉ thay đổi trong khoảng từ 0,74 đến 0,78 A. Do đó, có thể coi rằng súng điện tử được thiết kế trong bài báo này có độ nhạy tốt với điện áp.
Ảnh hưởng của việc điều khiển dao động điện áp trên đường bao chùm tia theo hướng x và y.
Trường hội tụ từ tính đồng nhất là một hệ thống hội tụ nam châm vĩnh cửu phổ biến. Do sự phân bố từ trường đồng đều trong kênh chùm tia, nó rất phù hợp với các chùm electron đối xứng trục. Trong phần này, một hệ thống hội tụ từ tính thống nhất để duy trì sự truyền đường dài của chùm bút chì đôi được đề xuất. Bằng cách phân tích từ trường được tạo ra và đường bao chùm tia, sơ đồ thiết kế của hệ thống hội tụ được đề xuất và vấn đề độ nhạy được nghiên cứu. Theo lý thuyết truyền ổn định của một chùm bút chì đơn18,19, giá trị từ trường Brillouin có thể được tính theo phương trình (2). trong bài báo này, chúng tôi cũng sử dụng sự tương đương này để ước tính từ trường của chùm bút chì kép phân bố ngang. Kết hợp với súng điện tử được thiết kế trong bài báo này, giá trị từ trường được tính toán là khoảng 4000 Gs. Theo Ref.20, 1,5-2 lần giá trị tính toán thường được chọn trong các thiết kế thực tế.
Hình 12 cho thấy cấu trúc của một hệ thống trường hội tụ từ trường đều. Phần màu xanh lam là nam châm vĩnh cửu được từ hóa theo hướng dọc trục. Lựa chọn vật liệu là NdFeB hoặc FeCoNi. Độ dư Br đặt trong mô hình mô phỏng là 1,3 T và độ từ thẩm là 1,05. Để đảm bảo sự truyền ổn định của chùm tia trong toàn mạch, chiều dài của nam châm ban đầu được đặt thành 70 mm. Ngoài ra, kích thước của nam châm theo hướng x sẽ quyết định liệu từ trường ngang có trong toàn mạch hay không. Kênh chùm tia đồng nhất, đòi hỏi kích thước theo hướng x không được quá nhỏ. Đồng thời, xét đến chi phí và trọng lượng của toàn bộ ống, kích thước của nam châm không được quá lớn. Do đó, ban đầu các nam châm được đặt thành 150 mm × 150 mm × 70 mm. Đồng thời, để đảm bảo rằng toàn bộ mạch sóng chậm có thể được đặt trong hệ thống lấy nét, khoảng cách giữa các nam châm được đặt thành 20 mm.
Vào năm 2015, Purna Chandra Panda21 đã đề xuất một mảnh cực có lỗ bậc mới trong hệ thống lấy nét từ tính đồng nhất, điều này có thể làm giảm hơn nữa cường độ rò rỉ từ thông đến cực âm và từ trường ngang được tạo ra tại lỗ mảnh cực. Trong bài báo này, chúng tôi thêm một cấu trúc bậc vào mảnh cực của hệ thống lấy nét. Độ dày của mảnh cực ban đầu được đặt thành 1,5 mm, chiều cao và chiều rộng của ba bước là 0,5 mm và khoảng cách giữa các lỗ mảnh cực là 2 mm, như được hiển thị trong Hình 13.
Hình 14a cho thấy sự phân bố từ trường dọc trục dọc theo đường tâm của hai chùm tia điện tử. Có thể thấy lực từ trường dọc theo hai chùm tia điện tử là bằng nhau. Giá trị từ trường vào khoảng 6000 Gs, gấp 1,5 lần trường Brillouin lý thuyết để tăng hiệu suất truyền và tập trung. Đồng thời, từ trường ở cực âm gần như bằng 0, cho thấy mảnh cực có tác dụng tốt trong việc ngăn ngừa rò rỉ từ thông. Hình 14b cho thấy sự phân bố từ trường ngang. theo hướng z ở mép trên của hai chùm tia điện tử. Có thể thấy từ trường ngang chỉ nhỏ hơn 200 Gs ở lỗ mảnh cực, còn trong mạch sóng chậm, từ trường ngang gần như bằng 0, điều này chứng tỏ ảnh hưởng của từ trường ngang đối với chùm tia điện tử là không đáng kể. Để ngăn ngừa bão hòa từ tính của các mảnh cực, cần nghiên cứu cường độ từ trường bên trong các mảnh cực. giá trị tuyệt đối của cường độ từ trường nhỏ hơn 1,2T, cho thấy độ bão hòa từ tính của mảnh cực sẽ không xảy ra.
Phân bố cường độ từ trường cho Br = 1,3 T. (a) Phân bố trường dọc trục. (b) Phân bố trường bên Theo hướng z. (c) Giá trị tuyệt đối của phân bố trường trong phần cực.
Dựa trên mô-đun CST PS, vị trí tương đối theo trục của súng chùm tia kép và hệ thống lấy nét được tối ưu hóa. Theo Ref.9 và mô phỏng, vị trí tối ưu là nơi mảnh cực dương chồng lên mảnh cực cách xa nam châm. Tuy nhiên, người ta nhận thấy rằng nếu độ từ dư được đặt thành 1,3T, thì độ truyền qua của chùm tia điện tử không thể đạt tới 99%. Bằng cách tăng độ từ dư lên 1,4 T, từ trường hội tụ sẽ tăng lên 6500 Gs. Quỹ đạo của chùm tia trên các mặt phẳng xoz và yoz được thể hiện trong Hình 15. Có thể thấy rằng chùm tia có độ truyền tốt, nhỏ dao động và khoảng cách truyền lớn hơn 45mm.
Quỹ đạo của các chùm tia bút chì kép dưới một hệ thống từ tính đồng nhất với Br = 1,4 T.(a) mặt phẳng xoz.(b) máy bay yoz.
Hình 16 cho thấy mặt cắt ngang của chùm tia ở các vị trí khác nhau cách xa cực âm. Có thể thấy rằng hình dạng của phần chùm tia trong hệ thống hội tụ được duy trì tốt và đường kính của phần không thay đổi nhiều. Hình 17 cho thấy các đường bao của chùm tia theo hướng x và y tương ứng. Có thể thấy rằng dao động của chùm tia theo cả hai hướng là rất nhỏ. Hình 18 cho thấy kết quả mô phỏng dòng điện của chùm tia. Kết quả cho thấy dòng điện khoảng 2 × 80 mA, phù hợp với giá trị tính toán trong thiết kế súng điện tử.
Tiết diện chùm tia điện tử (có hệ thống hội tụ) ở các vị trí khác nhau cách xa cực âm.
Xem xét một loạt các vấn đề như lỗi lắp ráp, dao động điện áp và thay đổi cường độ từ trường trong các ứng dụng xử lý thực tế, cần phải phân tích độ nhạy của hệ thống lấy nét. Bởi vì có một khoảng cách giữa phần cực dương và phần cực trong quá trình xử lý thực tế, khoảng cách này cần được đặt trong mô phỏng. Giá trị khoảng cách được đặt thành 0,2 mm và Hình 19a cho thấy đường bao chùm tia và dòng chùm tia theo hướng y. Kết quả này cho thấy sự thay đổi trong đường bao chùm tia là không đáng kể và dòng điện chùm hầu như không thay đổi. Do đó, hệ thống không nhạy cảm đến lỗi lắp ráp. Đối với sự dao động của điện áp điều khiển, phạm vi lỗi được đặt thành ± 0,5 kV. Hình 19b cho thấy kết quả so sánh. Có thể thấy rằng sự thay đổi điện áp ít ảnh hưởng đến đường bao chùm tia. Phạm vi lỗi được đặt từ -0,02 đến +0,03 T đối với những thay đổi về cường độ từ trường. Kết quả so sánh được hiển thị trong Hình 20. Có thể thấy rằng đường bao chùm tia hầu như không thay đổi, điều đó có nghĩa là toàn bộ EOS không nhạy cảm với những thay đổi về cường độ từ trường.
Đường bao chùm tia và kết quả dòng điện trong hệ thống lấy nét từ tính đồng nhất. (a) Dung sai lắp ráp là 0,2 mm. (b) Dao động điện áp điều khiển là ±0,5 kV.
Đường bao chùm dưới hệ thống hội tụ từ tính đồng nhất với các dao động cường độ từ trường dọc trục nằm trong khoảng từ 0,63 đến 0,68 T.
Để đảm bảo rằng hệ thống lấy nét được thiết kế trong bài báo này có thể phù hợp với HFS, cần kết hợp hệ thống lấy nét và HFS để nghiên cứu. Hình 21 cho thấy sự so sánh giữa đường bao chùm tia có và không có HFS được tải. Kết quả cho thấy đường bao chùm tia không thay đổi nhiều khi toàn bộ HFS được tải. Do đó, hệ thống hội tụ phù hợp với ống sóng di chuyển HFS của thiết kế trên.
Để xác minh tính chính xác của EOS được đề xuất trong Phần III và điều tra hiệu suất của SDV-TWT 220 GHz, một mô phỏng 3D-PIC về tương tác sóng chùm được thực hiện. Do các hạn chế của phần mềm mô phỏng, chúng tôi không thể thêm toàn bộ EOS vào HFS. Do đó, súng điện tử đã được thay thế bằng một bề mặt phát ra tương đương có đường kính 0,13 mm và khoảng cách giữa hai bề mặt là 0,31 mm, cùng thông số với súng điện tử được thiết kế ở trên. Do không nhạy và độ ổn định tốt của EOS, điện áp điều khiển có thể được tối ưu hóa phù hợp để đạt được công suất đầu ra tốt nhất trong mô phỏng PIC. Kết quả mô phỏng cho thấy công suất đầu ra bão hòa và mức tăng có thể đạt được ở điện áp điều khiển 20,6 kV, dòng điện chùm 2 × 80 mA (603 A/cm2) và công suất đầu vào 0,05 W.
Để thu được tín hiệu đầu ra tốt nhất, số chu kỳ cũng cần được tối ưu hóa. Công suất đầu ra tốt nhất thu được khi số lượng hai giai đoạn là 42 + 48 chu kỳ, như thể hiện trong Hình 22a. Tín hiệu đầu vào 0,05 W được khuếch đại thành 314 W với mức tăng 38 dB. Phổ công suất đầu ra thu được bằng Biến đổi Fourier nhanh (FFT) là thuần túy, đạt cực đại 220 GHz. Hình 22b cho thấy sự phân bố vị trí trục của năng lượng điện tử trong SW S, với hầu hết các electron bị mất năng lượng. Kết quả này cho thấy SDV-SWS có thể chuyển đổi động năng của các electron thành tín hiệu RF, nhờ đó thực hiện khuếch đại tín hiệu.
Tín hiệu đầu ra SDV-SWS ở 220 GHz. (a) Công suất đầu ra có phổ bao gồm. (b) Phân bố năng lượng của các điện tử với chùm điện tử ở phần cuối của miếng đệm SWS.
Hình 23 cho thấy băng thông công suất đầu ra và mức tăng của SDV-TWT chùm tia kép chế độ kép. Hiệu suất đầu ra có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách quét tần số từ 200 đến 275 GHz và tối ưu hóa điện áp ổ đĩa. Kết quả này cho thấy băng thông 3 dB có thể bao phủ từ 205 đến 275 GHz, điều đó có nghĩa là hoạt động ở chế độ kép có thể mở rộng đáng kể băng thông hoạt động.
Tuy nhiên, theo Hình 2a, chúng ta biết rằng có một dải dừng giữa chế độ chẵn và lẻ, điều này có thể dẫn đến các dao động không mong muốn. Do đó, độ ổn định của công việc xung quanh các điểm dừng cần được nghiên cứu. Hình 24a-c là kết quả mô phỏng 20 ns lần lượt ở 265,3 GHz, 265,35 GHz và 265,4 GHz. Có thể thấy rằng mặc dù kết quả mô phỏng có một số dao động nhưng công suất đầu ra tương đối ổn định. Phổ cũng được hiển thị trong Hình 2 4 tương ứng, phổ là thuần túy. Các kết quả này chỉ ra rằng không có hiện tượng tự dao động gần dải dừng.
Việc chế tạo và đo lường là cần thiết để xác minh tính chính xác của toàn bộ HFS. Trong phần này, HFS được chế tạo bằng công nghệ điều khiển số máy tính (CNC) với đường kính dao là 0,1 mm và độ chính xác gia công là 10 μm. Vật liệu cho cấu trúc tần số cao được cung cấp bằng đồng có độ dẫn cao (OFHC) không chứa oxy. Hình 25a cho thấy cấu trúc được chế tạo. Toàn bộ cấu trúc có chiều dài 66,00 mm, chiều rộng 20,00 mm và chiều cao 8,66 mm. Tám lỗ chốt được phân bố xung quanh cấu trúc. Hình 25b cho thấy cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các lưỡi của cấu trúc này được sản xuất đồng đều và có độ nhám bề mặt tốt. Sau khi đo chính xác, lỗi gia công tổng thể nhỏ hơn 5% và độ nhám bề mặt khoảng 0,4μm. Cấu trúc gia công đáp ứng các yêu cầu về thiết kế và độ chính xác.
Hình 26 cho thấy sự so sánh giữa kết quả kiểm tra thực tế và mô phỏng hiệu suất truyền dẫn. Cổng 1 và Cổng 2 trong Hình 26a tương ứng với các cổng đầu vào và đầu ra của HFS và tương đương với Cổng 1 và Cổng 4 trong Hình 3. Kết quả đo thực tế của S11 tốt hơn một chút so với kết quả mô phỏng. Đồng thời, kết quả đo được của S21 kém hơn một chút. Nguyên nhân có thể là do độ dẫn điện của vật liệu được đặt trong mô phỏng quá cao và độ nhám bề mặt sau khi gia công thực tế kém. Nhìn chung, , kết quả đo được phù hợp tốt với kết quả mô phỏng và băng thông truyền đáp ứng yêu cầu 70 GHz, điều này xác minh tính khả thi và chính xác của SDV-TWT chế độ kép được đề xuất. Do đó, kết hợp với quá trình chế tạo thực tế và kết quả thử nghiệm, thiết kế SDV-TWT chùm tia kép siêu băng thông rộng được đề xuất trong bài viết này có thể được sử dụng cho các ứng dụng và chế tạo tiếp theo.
Trong bài báo này, một thiết kế chi tiết của SDV-TWT chùm tia kép 220 GHz phân phối phẳng được trình bày. Sự kết hợp giữa hoạt động ở chế độ kép và kích thích chùm tia kép làm tăng thêm băng thông hoạt động và công suất đầu ra. Quá trình chế tạo và kiểm tra nguội cũng được thực hiện để xác minh tính chính xác của toàn bộ HFS.Kết quả đo thực tế phù hợp tốt với kết quả mô phỏng. Đối với EOS hai chùm được thiết kế, một phần mặt nạ và các điện cực điều khiển đã được sử dụng cùng nhau để tạo ra chùm hai bút chì. Dưới từ trường hội tụ đồng nhất được thiết kế, chùm electron có thể được truyền ổn định trên một khoảng cách dài với hình dạng đẹp. Trong tương lai, việc sản xuất và thử nghiệm EOS sẽ được thực hiện, đồng thời tiến hành thử nghiệm nhiệt của toàn bộ TWT. các chỉ số hiệu suất và quá trình xử lý và lắp ráp. Do đó, bài báo này tin rằng cấu trúc phẳng rất có thể sẽ trở thành xu hướng phát triển của các thiết bị điện tử chân không trong dải tần terahertz.
Hầu hết các dữ liệu thô và mô hình phân tích trong nghiên cứu này đã được đưa vào bài báo này. Thông tin liên quan khác có thể được lấy từ tác giả tương ứng theo yêu cầu hợp lý.
Gamzina, D. et al.Gia công CNC quy mô nano cho thiết bị điện tử chân không sub-terahertz.IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. và Paoloni, C. Chế tạo vi mô UV-LIGA của ống dẫn sóng phụ terahertz bằng cách sử dụng chất phát quang SU-8 đa lớp.J.Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 Lộ trình công nghệ THz.J.Vật lý.D để áp dụng.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Sự hạn chế mạnh mẽ của sự truyền sóng plasmon thông qua các ống dẫn sóng cách tử kép so le băng thông siêu rộng.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al.Hiệu suất của Bộ khuếch đại ống sóng di động 220 GHz được gia công bằng máy CNC. Thiết bị xuyên điện tử IEEE.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Điều tra sự không ổn định của diocotron của các chùm electron tấm rộng vô hạn sử dụng lý thuyết mô hình chất lỏng lạnh vĩ mô.Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV về cơ hội tăng băng thông bằng cách bố trí phẳng chùm tia trong klystron đa chùm tia. Trong Hội nghị Quốc tế IEEE lần thứ 12 về Điện tử Chân không, Bangalore, Ấn Độ, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al.Thiết kế súng điện tử ba chùm tia với sự phân bố mặt phẳng phân tách chùm tia hẹp trong ống sóng di chuyển hai lưỡi so le dải W[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 đã phân phối hệ thống quang điện tử ba chùm tia với khả năng phân tách chùm tia hẹp cho chế độ cơ bản dải W TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Nghiên cứu về ống dẫn sóng di chuyển hai lưỡi xen kẽ với chùm tấm sóng milimet 20-22 (Tiến sĩ, Đại học Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Nghiên cứu về độ ổn định tương tác sóng chùm tia của ống sóng di chuyển hai lưỡi xen kẽ dải G. Hội nghị quốc tế lần thứ 43 năm 2018 về sóng milimet hồng ngoại và sóng Terahertz, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).