Dankie dat u Nature.com besoek het. Die blaaierweergawe wat u gebruik, het beperkte ondersteuning vir CSS. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer afskakel). Intussen, om voortgesette ondersteuning te verseker, sal ons die webwerf sonder style en JavaScript vertoon.
In hierdie artikel word 'n 220GHz breëband hoë-krag ineengevlegte dubbellem bewegende golfbuis ontwerp en geverifieer. Eerstens word 'n planêre dubbelstraal verspringende dubbellem stadige golfstruktuur voorgestel. Deur 'n dubbelmodus-bewerkingskema te gebruik, is die transmissieprestasie en bandwydte byna dubbel dié van enkelmodus. Tweedens, om aan die vereistes van hoë uitsetkrag te voldoen en die stabiliteit van die bewegende golfbuis te verbeter, word 'n dubbele potloodvormige elektroniese optiese stelsel ontwerp, die dryfspanning is 20~21 kV, en die stroom is 2 × 80 mA. Ontwerpdoelwitte. Deur die maskerdeel en beheerelektrode in die dubbelstraalgeweer te gebruik, kan die twee potloodstrale langs hul onderskeie middelpunte gefokus word met 'n kompressieverhouding van 7, die fokusafstand is ongeveer 0.18 mm, en die stabiliteit is goed. Die uniforme magnetiese fokusstelsel is ook geoptimaliseer. Die stabiele transmissieafstand van die planêre dubbele elektronstraal kan 45 mm bereik, en die fokusmagnetiese veld is 0.6 T, wat voldoende is om die hele hoëfrekwensiestelsel (HFS) te dek. Dan, om Om die bruikbaarheid van die elektron-optiese stelsel en die werkverrigting van die stadigegolfstruktuur te verifieer, is deeltjiesel (PIC) simulasies ook op die hele HFS uitgevoer. Die resultate toon dat die bundel-interaksiestelsel 'n piekuitsetvermoë van byna 310 W teen 220 GHz kan bereik, die geoptimaliseerde bundelspanning is 20.6 kV, die bundelstroom is 2 × 80 mA, die wins is 38 dB, en die 3-dB bandwydte oorskry 35 dB ongeveer 70 GHz. Laastens word hoë-presisie mikrostruktuurvervaardiging uitgevoer om die werkverrigting van die HFS te verifieer, en die resultate toon dat die bandwydte en transmissie-eienskappe in goeie ooreenstemming is met die simulasieresultate. Daarom word verwag dat die skema wat in hierdie artikel voorgestel word, hoë-krag, ultra-breëband terahertz-band stralingsbronne met potensiaal vir toekomstige toepassings sal ontwikkel.
As 'n tradisionele vakuum-elektroniese toestel speel die bewegende golfbuis (TWT) 'n onvervangbare rol in baie toepassings soos hoëresolusie-radar, satellietkommunikasiestelsels en ruimteverkenning1,2,3. Namate die bedryfsfrekwensie egter die terahertz-band binnegaan, kon die tradisionele gekoppelde holte-TWT en heliese TWT egter nie aan mense se behoeftes voldoen nie as gevolg van relatief lae uitsetkrag, nou bandwydte en moeilike vervaardigingsprosesse. Daarom het die vraag oor hoe om die werkverrigting van die THz-band omvattend te verbeter, 'n baie kommerwekkende kwessie vir baie wetenskaplike navorsingsinstellings geword. In onlangse jare het nuwe stadigegolfstrukture (SWS'e), soos verspringende dubbellem-strukture (SDV) en gevoude golfgeleier-strukture (FW), uitgebreide aandag gekry as gevolg van hul natuurlike planêre strukture, veral die nuwe SDV-SWS'e met belowende potensiaal. Hierdie struktuur is in 2008 deur UC-Davis voorgestel4. Die planêre struktuur kan maklik vervaardig word deur mikro-nano-verwerkingstegnieke soos rekenaar numeriese beheer (CNC) en UV-LIGA, die volledig metaal-pakketstruktuur kan groter termiese kapasiteit met hoër uitset bied. krag en wins, en die golfgeleieragtige struktuur kan ook 'n wyer werkbandwydte bied. Tans het UC Davis vir die eerste keer in 2017 gedemonstreer dat SDV-TWT hoëkraguitsette van meer as 100 W en byna 14 GHz bandwydteseine in die G-band5 kan genereer. Hierdie resultate het egter steeds gapings wat nie aan die verwante vereistes van hoë krag en wye bandwydte in die terahertz-band kan voldoen nie. Vir UC-Davis se G-band SDV-TWT is plaatelektronstrale gebruik. Alhoewel hierdie skema die stroomdravermoë van die straal aansienlik kan verbeter, is dit moeilik om 'n lang transmissieafstand te handhaaf as gevolg van die onstabiliteit van die plaatstraalelektronoptiese stelsel (EOS), en daar is 'n oormodus-straaltunnel, wat ook kan veroorsaak dat die straal selfreguleer. – Opwekking en ossillasie 6,7. Om aan die vereistes van hoë uitsetkrag, wye bandwydte en goeie stabiliteit van THz TWT te voldoen, word 'n dubbelstraal SDV-SWS met dubbelmoduswerking in hierdie artikel voorgestel. Dit wil sê, om die bedryfsbandwydte te verhoog, word dubbelmoduswerking in hierdie struktuur voorgestel en bekendgestel. En om die uitsetkrag te verhoog, word 'n planêre verspreiding van dubbelpotloodstrale ook gebruik. Enkelpotloodstraalradio's is relatief klein as gevolg van vertikale groottebeperkings. As die stroomdigtheid te hoog is, moet die straalstroom verminder word, wat 'n relatief lae uitsetkrag tot gevolg het. Om die straalstroom te verbeter, het planêre verspreide multistraal EOS na vore gekom, wat die laterale grootte van die SWS benut. As gevolg van die onafhanklike straaltonnelering, kan die planêre verspreide multistraal hoë uitsetkrag bereik deur 'n hoë totale straalstroom en 'n klein stroom per straal te handhaaf, wat oormodus-straaltonnelering kan vermy in vergelyking met plaatstraaltoestelle. Daarom is dit voordelig om die stabiliteit van die bewegende golfbuis te handhaaf. Op grond van vorige werk8,9 stel hierdie artikel 'n G-band voor. eenvormige magneetveld-fokusserende dubbele potloodstraal EOS, wat die stabiele transmissieafstand van die straal aansienlik kan verbeter en die straalinteraksie-area verder kan vergroot, en sodoende die uitsetkrag aansienlik kan verbeter.
Die struktuur van hierdie artikel is soos volg. Eerstens word die SWS-selontwerp met parameters, dispersie-eienskappe-analise en hoëfrekwensie-simulasieresultate beskryf. Dan, volgens die struktuur van die eenheidsel, word 'n dubbele potloodstraal EOS en straalinteraksiestelsel in hierdie artikel ontwerp. Intrasellulêre deeltjiesimulasieresultate word ook aangebied om die bruikbaarheid van EOS en die werkverrigting van SDV-TWT te verifieer. Daarbenewens bied die artikel kortliks die vervaardigings- en koue toetsresultate aan om die korrektheid van die hele HFS te verifieer. Maak laastens 'n opsomming.
As een van die belangrikste komponente van die TWT, dui die dispersiewe eienskappe van die stadigegolfstruktuur aan of die elektronsnelheid ooreenstem met die fasesnelheid van die SWS, en dus 'n groot invloed op die straal-golf-interaksie het. Om die werkverrigting van die hele TWT te verbeter, is 'n verbeterde interaksiestruktuur ontwerp. Die struktuur van die eenheidsel word in Figuur 1 getoon. Met inagneming van die onstabiliteit van die plaatstraal en die kragbeperking van die enkele penstraal, neem die struktuur 'n dubbele penstraal aan om die uitsetkrag en werkingstabiliteit verder te verbeter. Intussen, om die werkbandwydte te verhoog, is 'n dubbele modus voorgestel vir SWS-werking. As gevolg van die simmetrie van die SDV-struktuur, kan die oplossing van die elektromagnetiese veldverspreidingsvergelyking in onewe en ewe modusse verdeel word. Terselfdertyd word die fundamentele onewe modus van die lae frekwensieband en die fundamentele ewe modus van die hoëfrekwensieband gebruik om die breëbandsinchronisasie van die straalinteraksie te verwesenlik, waardeur die werkbandwydte verder verbeter word.
Volgens die kragvereistes is die hele buis ontwerp met 'n dryfspanning van 20 kV en 'n dubbelstraalstroom van 2 × 80 mA. Om die spanning so na as moontlik by die bedryfsbandwydte van die SDV-SWS te pas, moet ons die lengte van die periode p bereken. Die verband tussen straalspanning en periode word in vergelyking (1)10 getoon:
Deur die faseverskuiwing op 2.5π by die middelfrekwensie van 220 GHz te stel, kan die periode p bereken word as 0.46 mm. Figuur 2a toon die dispersie-eienskappe van die SWS-eenheidsel. Die 20 kV-straallyn pas baie goed by die bimodale kurwe. Ooreenstemmende frekwensiebande kan ongeveer 70 GHz bereik in die 210–265.3 GHz (onewe modus) en 265.4–280 GHz (ewe modus) reekse. Figuur 2b toon die gemiddelde koppelimpedansie, wat groter as 0.6 Ω is van 210 tot 290 GHz, wat aandui dat sterk interaksies in die bedryfsbandwydte kan voorkom.
(a) Dispersie-eienskappe van 'n dubbelmodus SDV-SWS met 'n 20 kV elektronbundellyn. (b) Interaksie-impedansie van die SDV-stadigolfkring.
Dit is egter belangrik om daarop te let dat daar 'n bandgaping tussen die onewe en ewe modusse is, en ons verwys gewoonlik na hierdie bandgaping as die stopband, soos getoon in Figuur 2a. As die TWT naby hierdie frekwensieband bedryf word, kan sterk straalkoppelingsterkte voorkom, wat tot ongewenste ossillasies sal lei. In praktiese toepassings vermy ons gewoonlik die gebruik van TWT naby die stopband. Dit kan egter gesien word dat die bandgaping van hierdie stadige golfstruktuur slegs 0.1 GHz is. Dit is moeilik om te bepaal of hierdie klein bandgaping ossillasies veroorsaak. Daarom sal die stabiliteit van werking rondom die stopband in die volgende PIC-simulasie-afdeling ondersoek word om te analiseer of ongewenste ossillasies kan voorkom.
Die model van die hele HFS word in Figuur 3 getoon. Dit bestaan ​​uit twee stadiums van SDV-SWS, verbind deur Bragg-reflektors. Die funksie van die reflektor is om die seinoordrag tussen die twee stadiums af te sny, die ossillasie en weerkaatsing van nie-werkende modusse soos hoë-orde modusse wat tussen die boonste en onderste lemme gegenereer word, te onderdruk, waardeur die stabiliteit van die hele buis aansienlik verbeter word. Vir verbinding met die eksterne omgewing word 'n lineêre taps toelopende koppelaar ook gebruik om die SWS aan 'n WR-4 standaard golfgeleier te koppel. Die transmissiekoëffisiënt van die tweevlakstruktuur word gemeet deur 'n tyddomeinoplosser in die 3D-simulasiesagteware. Met inagneming van die werklike effek van die terahertz-band op die materiaal, word die materiaal van die vakuumomhulsel aanvanklik op koper gestel, en die geleidingsvermoë word verminder tot 2.25 × 107 S/m12.
Figuur 4 toon die transmissieresultate vir HFS met en sonder lineêre tapse koppelaars. Die resultate toon dat die koppelaar min effek op die transmissieprestasie van die hele HFS het. Die terugkeerverlies (S11 < −10 dB) en invoegverlies (S21 > −5 dB) van die hele stelsel in die 207~280 GHz breëband toon dat HFS goeie transmissie-eienskappe het.
As die kragbron van vakuum elektroniese toestelle, bepaal die elektrongeweer direk of die toestel genoeg uitsetkrag kan genereer. Gekombineer met die analise van HFS in Afdeling II, moet 'n dubbelstraal EOS ontwerp word om voldoende krag te verskaf. In hierdie deel, gebaseer op vorige werk in W-band8,9, word 'n dubbelpotlood-elektrongeweer ontwerp met behulp van 'n planêre maskeronderdeel en beheerelektrodes. Eerstens, volgens die ontwerpvereistes van SWS in Afdeling. Soos getoon in FIG. 2, die dryfspanning Ua van die elektronstrale is aanvanklik op 20 kV gestel, die strome I van die twee elektronstrale is albei 80 mA, en die straaldiameter dw van die elektronstrale is 0.13 mm. Terselfdertyd, om te verseker dat die stroomdigtheid van die elektronstraal en die katode bereik kan word, word die kompressieverhouding van die elektronstraal op 7 gestel, dus is die stroomdigtheid van die elektronstraal 603 A/cm2, en die stroomdigtheid van die katode is 86 A/cm2, wat bereik kan word deur Dit word bereik deur nuwe katodemateriale te gebruik. Volgens ontwerpteorie 14, 15, 16, 17 kan 'n tipiese Pierce-elektrongeweer uniek geïdentifiseer word.
Figuur 5 toon onderskeidelik die horisontale en vertikale skematiese diagramme van die geweer. Daar kan gesien word dat die profiel van die elektrongeweer in die x-rigting amper identies is aan dié van 'n tipiese plaatvormige elektrongeweer, terwyl die twee elektronstrale in die y-rigting gedeeltelik deur die masker geskei word. Die posisies van die twee katodes is onderskeidelik by x = – 0.155 mm, y = 0 mm en x = 0.155 mm, y = 0 mm. Volgens die ontwerpvereistes van kompressieverhouding en elektroninspuitgrootte word die afmetings van die twee katode-oppervlaktes bepaal as 0.91 mm × 0.13 mm.
Om die gefokusde elektriese veld wat deur elke elektronstraal in die x-rigting ontvang word, simmetries om sy eie middelpunt te maak, pas hierdie artikel 'n beheerelektrode op die elektrongeweer toe. Deur die spanning van die fokuselektrode en die beheerelektrode op −20 kV te stel, en die spanning van die anode op 0 V, kan ons die trajekverspreiding van die dubbelstraalgeweer verkry, soos getoon in Fig. 6. Daar kan gesien word dat die uitgestraalde elektrone goeie saampersbaarheid in die y-rigting het, en elke elektronstraal konvergeer na die x-rigting langs sy eie simmetriemiddelpunt, wat aandui dat die beheerelektrode die ongelyke elektriese veld wat deur die fokuselektrode gegenereer word, balanseer.
Figuur 7 toon die straalomhulling in die x- en y-rigtings. Die resultate toon dat die projeksieafstand van die elektronstraal in die x-rigting verskil van dié in die y-rigting. Die gooiafstand in die x-rigting is ongeveer 4 mm, en die gooiafstand in die y-rigting is naby 7 mm. Daarom moet die werklike gooiafstand tussen 4 en 7 mm gekies word. Figuur 8 toon die dwarssnit van die elektronstraal op 4.6 mm vanaf die katode-oppervlak. Ons kan sien dat die vorm van die dwarssnit die naaste aan 'n standaard sirkelvormige elektronstraal is. Die afstand tussen die twee elektronstrale is naby die ontwerpte 0.31 mm, en die radius is ongeveer 0.13 mm, wat aan die ontwerpvereistes voldoen. Figuur 9 toon die simulasieresultate van die straalstroom. Daar kan gesien word dat die twee straalstrome 76 mA is, wat in goeie ooreenstemming is met die ontwerpte 80 mA.
In die lig van die fluktuasie van die dryfspanning in praktiese toepassings, is dit nodig om die spanninggevoeligheid van hierdie model te bestudeer. In die spanningsbereik van 19.8 ~ 20.6 kV word die stroom- en straalstroomomhulsels verkry, soos getoon in Figuur 1 en Figuur 1.10 en 11. Uit die resultate kan gesien word dat die verandering van die dryfspanning geen effek op die elektronstraalomhulsel het nie, en die elektronstraalstroom verander slegs van 0.74 tot 0.78 A. Daarom kan daar geag word dat die elektrongeweer wat in hierdie artikel ontwerp is, 'n goeie spanningsensitiwiteit het.
Die effek van dryfspanningsfluktuasies op die x- en y-rigting bundelomhulsels.
'n Uniforme magnetiese fokusveld is 'n algemene permanente magneetfokusstelsel. As gevolg van die uniforme magnetiese veldverspreiding dwarsdeur die straalkanaal, is dit baie geskik vir aksisimmetriese elektronstrale. In hierdie afdeling word 'n uniforme magnetiese fokusstelsel vir die handhawing van die langafstand-oordrag van dubbele potloodstrale voorgestel. Deur die gegenereerde magnetiese veld en straalomhulsel te analiseer, word die ontwerpskema van die fokusstelsel voorgestel en die sensitiwiteitsprobleem bestudeer. Volgens die stabiele oordragteorie van 'n enkele potloodstraal18,19, kan die Brillouin-magneetveldwaarde bereken word deur vergelyking (2). In hierdie artikel gebruik ons ​​ook hierdie ekwivalensie om die magnetiese veld van 'n lateraal verspreide dubbele potloodstraal te skat. Gekombineer met die elektrongeweer wat in hierdie artikel ontwerp is, is die berekende magnetiese veldwaarde ongeveer 4000 Gs. Volgens Verwysing 20 word gewoonlik 1.5-2 keer die berekende waarde in praktiese ontwerpe gekies.
Figuur 12 toon die struktuur van 'n uniforme magneetveld-fokusveldstelsel. Die blou deel is die permanente magneet wat in die aksiale rigting gemagnetiseer is. Materiaalkeuse is NdFeB of FeCoNi. Die remanensie Br wat in die simulasiemodel gestel is, is 1.3 T en die deurlaatbaarheid is 1.05. Om die stabiele transmissie van die straal in die hele stroombaan te verseker, word die lengte van die magneet aanvanklik op 70 mm gestel. Daarbenewens bepaal die grootte van die magneet in die x-rigting of die transversale magneetveld in die straalkanaal uniform is, wat vereis dat die grootte in die x-rigting nie te klein kan wees nie. Terselfdertyd, met inagneming van die koste en die gewig van die hele buis, moet die grootte van die magneet nie te groot wees nie. Daarom word die magnete aanvanklik op 150 mm × 150 mm × 70 mm gestel. Intussen, om te verseker dat die hele stadiggolfstroombaan in die fokusstelsel geplaas kan word, word die afstand tussen die magnete op 20 mm gestel.
In 2015 het Purna Chandra Panda21 'n poolstuk met 'n nuwe trapgat in 'n uniforme magnetiese fokusstelsel voorgestel, wat die grootte van vloedlekkasie na die katode en die transversale magnetiese veld wat by die poolstukgat gegenereer word, verder kan verminder. In hierdie artikel voeg ons 'n trapstruktuur by die poolstuk van die fokusstelsel. Die dikte van die poolstuk is aanvanklik op 1.5 mm gestel, die hoogte en breedte van die drie trappe is 0.5 mm, en die afstand tussen die poolstukgate is 2 mm, soos getoon in Figuur 13.
Figuur 14a toon die aksiale magnetiese veldverspreiding langs die middellyne van die twee elektronstrale. Daar kan gesien word dat die magnetiese veldkragte langs die twee elektronstrale gelyk is. Die magnetiese veldwaarde is ongeveer 6000 Gs, wat 1.5 keer die teoretiese Brillouin-veld is om transmissie- en fokuseringsprestasie te verhoog. Terselfdertyd is die magnetiese veld by die katode amper 0, wat aandui dat die poolstuk 'n goeie effek het op die voorkoming van magnetiese vloedlekkasie. Figuur 14b toon die transversale magnetiese veldverspreiding By in die z-rigting aan die boonste rand van die twee elektronstrale. Daar kan gesien word dat die transversale magnetiese veld minder as 200 Gs slegs by die poolstukgat is, terwyl die transversale magnetiese veld in die stadigegolfkring amper nul is, wat bewys dat die invloed van die transversale magnetiese veld op die elektronstraal weglaatbaar is. Om magnetiese versadiging van die poolstukke te voorkom, is dit nodig om die magnetiese veldsterkte binne die poolstukke te bestudeer. Figuur 14c toon die absolute waarde van die magnetiese veldverspreiding binne die poolstuk. Daar kan gesien word dat die absolute waarde van die magnetiese veldsterkte is minder as 1.2T, wat aandui dat die magnetiese versadiging van die poolstuk nie sal plaasvind nie.
Magnetiese veldsterkteverspreiding vir Br = 1.3 T. (a) Aksiale veldverspreiding. (b) Laterale veldverspreiding By in die z-rigting. (c) Absolute waarde van veldverspreiding binne die poolstuk.
Gebaseer op die CST PS-module, is die aksiale relatiewe posisie van die dubbelstraalgeweer en die fokusstelsel geoptimaliseer. Volgens Verwysing 9 en simulasies, is die optimale ligging waar die anodestuk die poolstuk oorvleuel weg van die magneet. Daar is egter gevind dat as die remanensie op 1.3T gestel is, die transmissie van die elektronstraal nie 99% kon bereik nie. Deur die remanensie tot 1.4 T te verhoog, sal die fokusmagnetiese veld tot 6500 Gs verhoog word. Die straalbane op die xoz- en yoz-vlakke word in Figuur 15 getoon. Daar kan gesien word dat die straal goeie transmissie, klein fluktuasie en 'n transmissieafstand groter as 45 mm het.
Trajekte van dubbele potloodstrale onder 'n homogene magnetiese stelsel met Br = 1.4 T. (a) xoz-vlak. (b) yoz-vliegtuig.
Figuur 16 toon die dwarssnit van die straal op verskillende posisies weg van die katode. Daar kan gesien word dat die vorm van die straalsnit in die fokusstelsel goed gehandhaaf word, en die snitdiameter verander nie veel nie. Figuur 17 toon die straalomhulsels in die x- en y-rigtings, onderskeidelik. Daar kan gesien word dat die fluktuasie van die straal in beide rigtings baie klein is. Figuur 18 toon die simulasieresultate van die straalstroom. Die resultate toon dat die stroom ongeveer 2 × 80 mA is, wat ooreenstem met die berekende waarde in die elektrongeweerontwerp.
Elektronstraal-dwarssnit (met fokusstelsel) op verskillende posisies weg van die katode.
As 'n reeks probleme soos monteerfoute, spanningsfluktuasies en veranderinge in magnetiese veldsterkte in praktiese verwerkingstoepassings in ag geneem word, is dit nodig om die sensitiwiteit van die fokusstelsel te analiseer. Omdat daar 'n gaping tussen die anodestuk en die poolstuk in werklike verwerking is, moet hierdie gaping in die simulasie ingestel word. Die gapingwaarde is op 0.2 mm gestel en Figuur 19a toon die straalomhullende en straalstroom in die y-rigting. Hierdie resultaat toon dat die verandering in die straalomhullende nie beduidend is nie en die straalstroom skaars verander. Daarom is die stelsel ongevoelig vir monteerfoute. Vir die fluktuasie van die dryfspanning is die foutbereik op ±0.5 kV gestel. Figuur 19b toon die vergelykingsresultate. Daar kan gesien word dat die spanningsverandering min effek op die straalomhullende het. Die foutbereik is ingestel van -0.02 tot +0.03 T vir veranderinge in magnetiese veldsterkte. Die vergelykingsresultate word in Figuur 20 getoon. Daar kan gesien word dat die straalomhullende skaars verander, wat beteken dat die hele EOS ongevoelig is vir veranderinge in die magnetiese veldsterkte.
Straalomhullende en stroomresultate onder 'n uniforme magnetiese fokusstelsel. (a) Monteringstoleransie is 0.2 mm. (b) Die dryfspanningsfluktuasie is ±0.5 kV.
Straalomhulsel onder 'n uniforme magnetiese fokusstelsel met aksiale magnetiese veldsterkte-fluktuasies wat wissel van 0.63 tot 0.68 T.
Om te verseker dat die fokusstelsel wat in hierdie artikel ontwerp is, ooreenstem met HFS, is dit nodig om die fokusstelsel en HFS vir navorsing te kombineer. Figuur 21 toon 'n vergelyking van straalomhulsels met en sonder HFS gelaai. Die resultate toon dat die straalomhulsel nie veel verander wanneer die hele HFS gelaai word nie. Daarom is die fokusstelsel geskik vir die bewegende golfbuis HFS van die bogenoemde ontwerp.
Om die korrektheid van die EOS wat in Afdeling III voorgestel word, te verifieer en die werkverrigting van die 220 GHz SDV-TWT te ondersoek, word 'n 3D-PIC-simulasie van straal-golf-interaksie uitgevoer. As gevolg van beperkings in simulasiesagteware kon ons nie die hele EOS by HFS voeg nie. Daarom is die elektronkanon vervang met 'n ekwivalente emitterende oppervlak met 'n deursnee van 0.13 mm en 'n afstand tussen die twee oppervlaktes van 0.31 mm, dieselfde parameters as die elektronkanon wat hierbo ontwerp is. As gevolg van die ongevoeligheid en goeie stabiliteit van EOS, kan die dryfspanning behoorlik geoptimaliseer word om die beste uitsetkrag in die PIC-simulasie te behaal. Die simulasieresultate toon dat die versadigde uitsetkrag en wins verkry kan word teen 'n dryfspanning van 20.6 kV, 'n straalstroom van 2 × 80 mA (603 A/cm2) en 'n insetkrag van 0.05 W.
Om die beste uitsetsein te verkry, moet die aantal siklusse ook geoptimaliseer word. Die beste uitsetkrag word verkry wanneer die aantal twee stadiums 42 + 48 siklusse is, soos getoon in Figuur 22a. 'n 0.05 W-insetsein word versterk tot 314 W met 'n wins van 38 dB. Die uitsetkragspektrum wat verkry word deur Fast Fourier Transform (FFT) is suiwer, met 'n piek van 220 GHz. Figuur 22b toon die aksiale posisieverspreiding van elektronenergie in die SWS, met die meeste van die elektrone wat energie verloor. Hierdie resultaat dui daarop dat die SDV-SWS die kinetiese energie van elektrone in RF-seine kan omskakel, waardeur seinversterking bewerkstellig word.
SDV-SWS-uitsetsein teen 220 GHz. (a) Uitsetkrag met ingeslote spektrum. (b) Energieverspreiding van elektrone met die elektronstraal aan die einde van die SWS-inset.
Figuur 23 toon die uitsetkragbandwydte en wins van 'n dubbelmodus-dubbelstraal SDV-TWT. Uitsetprestasie kan verder verbeter word deur frekwensies van 200 tot 275 GHz te skuif en die aandrywingspanning te optimaliseer. Hierdie resultaat toon dat die 3-dB-bandwydte 205 tot 275 GHz kan dek, wat beteken dat dubbelmoduswerking die bedryfsbandwydte aansienlik kan verbreed.
Volgens Fig. 2a weet ons egter dat daar 'n stopband tussen die onewe en ewe modusse is, wat tot ongewenste ossillasies kan lei. Daarom moet werkstabiliteit rondom die stops bestudeer word. Figure 24a-c is die 20 ns simulasieresultate by onderskeidelik 265.3 GHz, 265.35 GHz en 265.4 GHz. Daar kan gesien word dat alhoewel die simulasieresultate wel skommelinge het, die uitsetkrag relatief stabiel is. Die spektrum word ook onderskeidelik in Figuur 24 getoon, die spektrum is suiwer. Hierdie resultate dui daarop dat daar geen selfossillasie naby die stopband is nie.
Vervaardiging en meting is nodig om die korrektheid van die hele HFS te verifieer. In hierdie deel word die HFS vervaardig met behulp van rekenaar numeriese beheer (CNC) tegnologie met 'n gereedskapdiameter van 0.1 mm en 'n bewerkingsakkuraatheid van 10 μm. Die materiaal vir die hoëfrekwensiestruktuur word verskaf deur suurstofvrye hoëgeleidingsvermoë (OFHC) koper. Figuur 25a toon die vervaardigde struktuur. Die hele struktuur het 'n lengte van 66.00 mm, 'n breedte van 20.00 mm en 'n hoogte van 8.66 mm. Agt pengate is rondom die struktuur versprei. Figuur 25b toon die struktuur deur skandeerelektronmikroskopie (SEM). Die lemme van hierdie struktuur word eenvormig vervaardig en het goeie oppervlakruheid. Na presiese meting is die algehele bewerkingsfout minder as 5%, en die oppervlakruheid is ongeveer 0.4μm. Die bewerkingstruktuur voldoen aan die ontwerp- en presisievereistes.
Figuur 26 toon die vergelyking tussen werklike toetsresultate en simulasies van transmissieprestasie. Poort 1 en Poort 2 in Figuur 26a stem ooreen met die invoer- en uitvoerpoorte van die HFS, onderskeidelik, en is gelykstaande aan Poort 1 en Poort 4 in Figuur 3. Die werklike meetresultate van S11 is effens beter as die simulasieresultate. Terselfdertyd is die gemete resultate van die S21 effens swakker. Die rede hiervoor kan wees dat die materiaalgeleidingsvermoë wat in die simulasie gestel is, te hoog is en die oppervlakruheid na werklike bewerking swak is. Oor die algemeen stem die gemete resultate goed ooreen met die simulasieresultate, en die transmissiebandwydte voldoen aan die vereiste van 70 GHz, wat die uitvoerbaarheid en korrektheid van die voorgestelde dubbelmodus SDV-TWT verifieer. Daarom, gekombineer met die werklike vervaardigingsproses en toetsresultate, kan die ultra-breëband dubbelstraal SDV-TWT-ontwerp wat in hierdie artikel voorgestel word, gebruik word vir daaropvolgende vervaardiging en toepassings.
In hierdie artikel word 'n gedetailleerde ontwerp van 'n planêre verspreiding 220 GHz dubbelstraal SDV-TWT aangebied. Die kombinasie van dubbelmoduswerking en dubbelstraal-opwekking verhoog die bedryfsbandwydte en uitsetkrag verder. Die vervaardiging en koue toets word ook uitgevoer om die korrektheid van die hele HFS te verifieer. Die werklike meetresultate stem goed ooreen met die simulasieresultate. Vir die ontwerpte tweestraal EOS is 'n maskergedeelte en beheerelektrodes saam gebruik om 'n twee-potloodstraal te produseer. Onder die ontwerpte uniforme fokusmagnetiese veld kan die elektronstraal stabiel oor lang afstande met goeie vorm oorgedra word. In die toekoms sal die produksie en toetsing van EOS uitgevoer word, en die termiese toets van die hele TWT sal ook uitgevoer word. Hierdie SDV-TWT-ontwerpskema wat in hierdie artikel voorgestel word, kombineer die huidige volwasse vlakverwerkingstegnologie ten volle en toon groot potensiaal in prestasie-aanwysers en verwerking en montering. Daarom glo hierdie artikel dat die planêre struktuur heel waarskynlik die ontwikkelingstendens van vakuum-elektroniese toestelle in die terahertz-band sal word.
Die meeste van die rou data en analitiese modelle in hierdie studie is in hierdie artikel ingesluit. Verdere relevante inligting kan op redelike versoek van die ooreenstemmende outeur verkry word.
Gamzina, D. et al. Nanoskaal CNC-bewerking van sub-terahertz vakuumelektronika. IEEE Trans. elektroniese toestelle. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. en Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikasie van sub-terahertz golfgidse met behulp van meerlaag SU-8 fotoresist. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 THz-tegnologiepadkaart. J. Fisika. D om toe te pas.fisika.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Sterk inperking van plasmoniese golfvoortplanting via ultra-breëband gestapelde dubbelrooster-golfgidse.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Werkverrigting van 'n Nano CNC-bewerkte 220-GHz-bewegende golfbuisversterker. IEEE Trans.elektroniese toestelle. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Ondersoek van diokotron-onstabiliteit van oneindig wye plaatelektronstrale met behulp van makroskopiese koue vloeistofmodelteorie. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV oor die geleentheid om bandwydte te verhoog deur die planêre uitleg van die straal in 'n multistraalklystron. In 12de IEEE Internasionale Konferensie oor Vakuumelektronika, Bangalore, Indië, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al.Ontwerp van driestraal-elektrongewere met smal straalverdelingsvlakverspreiding in W-band verspringende dubbellem-bewegende golfbuis [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 Planêre verspreide driestraal-elektron-optiese stelsel met nou straalskeiding vir W-band fundamentele modus TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Navorsing oor Ineengevlegte Dubbellem Bewegende Golfbuis met Millimetergolfplaatbalke 20-22 (PhD, Beihang Universiteit, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studie oor straal-golf interaksie stabiliteit van 'n G-band verweefde dubbellem bewegende golfbuis. 2018 43ste Internasionale Konferensie oor Infrarooi Millimeter en Terahertz Golwe, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).