Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında CSS dəstəyi məhduddur. Ən yaxşı təcrübə üçün yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də uyğunluq rejimini söndürməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan göstərəcəyik.
Bu məqalədə 220 GHz genişzolaqlı yüksək güclü aralı ikiqat bıçaqlı hərəkət dalğası borusu dizayn edilmiş və yoxlanılmışdır. Birincisi, düz ikiqat şüalı pilləli ikiqat bıçaqlı yavaş dalğalı struktur təklif olunur. İkiqat rejimli işləmə sxemindən istifadə etməklə ötürmə performansı və bant genişliyi tək rejimlidən təxminən iki dəfə çoxdur. İkincisi, yüksək çıxış gücü tələblərinə cavab vermək və hərəkət dalğası borusunun sabitliyini artırmaq üçün ikiqat qələm formalı elektron optik sistem dizayn edilmişdir, hərəkət gərginliyi 20~21 kV, cərəyan isə 2 × 80 mA-dır. Dizayn məqsədləri. İkiqat şüalı silahda maska ​​​​hissəsi və idarəetmə elektrodundan istifadə etməklə, iki qələm şüası müvafiq mərkəzləri boyunca 7 sıxılma nisbəti ilə fokuslana bilər, fokus məsafəsi təxminən 0,18 mm-dir və sabitlik yaxşıdır. Vahid maqnit fokuslama sistemi də optimallaşdırılmışdır. Düz ikiqat elektron şüasının sabit ötürmə məsafəsi 45 mm-ə çata bilər və fokuslama maqnit sahəsi 0,6 T-dir ki, bu da bütün yüksək tezlikli sistemi əhatə etmək üçün kifayətdir. (HFS). Daha sonra, elektron-optik sistemin istifadəyə yararlılığını və yavaş dalğalı strukturun işini yoxlamaq üçün bütün HFS üzərində hissəcik hüceyrəsi (PIC) simulyasiyaları da aparılmışdır. Nəticələr göstərir ki, şüa-qarşılıqlı təsir sistemi 220 GHz-də təxminən 310 Vt pik çıxış gücünə nail ola bilər, optimallaşdırılmış şüa gərginliyi 20,6 kV, şüa cərəyanı 2 × 80 mA, qazanc 38 dB-dir və 3 dB bant genişliyi təxminən 70 GHz-də 35 dB-dən çoxdur. Nəhayət, HFS-in işini yoxlamaq üçün yüksək dəqiqlikli mikrostruktur istehsalı aparılır və nəticələr bant genişliyi və ötürmə xüsusiyyətlərinin simulyasiya nəticələri ilə yaxşı uyğun olduğunu göstərir. Buna görə də, bu məqalədə təklif olunan sxemin gələcək tətbiqlər üçün potensiala malik yüksək güclü, ultra genişzolaqlı terahers-zolaqlı radiasiya mənbələri inkişaf etdirməsi gözlənilir.
Ənənəvi vakuum elektron cihazı kimi, səyahət dalğası borusu (TWT) yüksək qətnaməli radar, peyk rabitə sistemləri və kosmik tədqiqatlar kimi bir çox tətbiqdə əvəzolunmaz rol oynayır1,2,3. Lakin, işləmə tezliyi terahers diapazonuna daxil olduqda, ənənəvi birləşdirilmiş boşluqlu TWT və spiral TWT nisbətən aşağı çıxış gücü, dar bant genişliyi və çətin istehsal prosesləri səbəbindən insanların ehtiyaclarını ödəyə bilmir. Buna görə də, THz diapazonunun performansını necə hərtərəfli yaxşılaşdırmaq bir çox elmi tədqiqat müəssisələri üçün çox narahatedici bir məsələyə çevrilib. Son illərdə pilləli ikiqat bıçaqlı (SDV) strukturlar və qatlanmış dalğa bələdçisi (FW) strukturları kimi yeni yavaş dalğalı strukturlar (SWS), xüsusən də perspektivli potensiala malik yeni SDV-SWS-lər təbii planar strukturlarına görə geniş diqqət çəkib. Bu struktur 2008-ci ildə UC-Davis tərəfindən təklif edilmişdir. Planar struktur kompüter ədədi idarəetməsi (CNC) və UV-LIGA kimi mikro-nano emal üsulları ilə asanlıqla istehsal edilə bilər, bütün metal paket strukturu daha böyük istilik tutumu təmin edə bilər. daha yüksək çıxış gücü və qazanc, dalğaötürənə bənzər struktur isə daha geniş iş bant genişliyi təmin edə bilər. Hal-hazırda, UC Davis ilk dəfə 2017-ci ildə SDV-TWT-nin G-zolaqlı5-də 100 Vt-dan çox və təxminən 14 GHz bant genişliyi siqnalları yarada biləcəyini nümayiş etdirdi. Lakin, bu nəticələr hələ də terahers zolağında yüksək güc və geniş bant genişliyi ilə bağlı tələbləri ödəyə bilməyən boşluqlara malikdir. UC-Davis-in G-zolaqlı SDV-TWT üçün təbəqə elektron şüaları istifadə edilmişdir. Bu sxem şüanın cərəyan keçirmə qabiliyyətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilsə də, təbəqə şüa elektron optik sisteminin (EOS) qeyri-sabitliyi səbəbindən uzun ötürmə məsafəsini qorumaq çətindir və həddindən artıq rejimli şüa tuneli mövcuddur ki, bu da şüanın özünü tənzimləməsinə səbəb ola bilər. – Həyəcan və rəqs 6,7. Yüksək çıxış gücü, geniş bant genişliyi və THz TWT-nin yaxşı sabitliyi tələblərinə cavab vermək üçün bu məqalədə ikili rejimli işləməyə malik ikili şüalı SDV-SWS təklif olunur. Yəni, işləmə bant genişliyini artırmaq üçün bu strukturda ikili rejimli işləmə təklif olunur və tətbiq olunur. Və çıxış gücünü artırmaq üçün ikiqat qələm şüalarının düz paylanması da istifadə olunur. Tək qələm şüalı radiolar şaquli ölçü məhdudiyyətlərinə görə nisbətən kiçikdir. Cərəyan sıxlığı çox yüksəkdirsə, şüa cərəyanı azaldılmalıdır ki, bu da nisbətən aşağı çıxış gücünə səbəb olur. Şüa cərəyanını yaxşılaşdırmaq üçün SWS-in yan ölçüsündən istifadə edən düz paylanmış çoxşüalı EOS meydana gəldi. Müstəqil şüa tunelləməsi səbəbindən düz paylanmış çoxşüalı yüksək ümumi şüa cərəyanını və şüa başına kiçik bir cərəyanı saxlayaraq yüksək çıxış gücünə nail ola bilər ki, bu da təbəqə şüalı cihazlarla müqayisədə həddindən artıq rejimli şüa tunelləməsinin qarşısını ala bilər. Buna görə də, hərəkət edən dalğa borusunun sabitliyini qorumaq faydalıdır. Əvvəlki işlərə əsasən 8, 9, bu məqalə şüanın sabit ötürmə məsafəsini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra və şüa qarşılıqlı təsir sahəsini daha da artıra bilən və bununla da çıxış gücünü əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilən G-zolaqlı vahid maqnit sahəsinə fokuslanan ikiqat qələm şüası EOS təklif edir.
Bu məqalənin strukturu aşağıdakı kimidir. Əvvəlcə parametrləri, dispersiya xüsusiyyətlərinin təhlili və yüksək tezlikli simulyasiya nəticələri ilə SWS hüceyrə dizaynı təsvir edilir. Daha sonra, vahid hüceyrənin strukturuna uyğun olaraq, bu məqalədə ikiqat qələm şüası EOS və şüa qarşılıqlı əlaqə sistemi hazırlanmışdır. EOS-un istifadəyə yararlılığını və SDV-TWT-nin performansını yoxlamaq üçün hüceyrədaxili hissəcik simulyasiya nəticələri də təqdim olunur. Bundan əlavə, məqalədə bütün HFS-in düzgünlüyünü yoxlamaq üçün istehsal və soyuq sınaq nəticələri qısaca təqdim olunur. Nəhayət, xülasə hazırlanır.
TWT-nin ən vacib komponentlərindən biri olan yavaş dalğa strukturunun dispersiya xüsusiyyətləri elektron sürətinin SWS-in faza sürətinə uyğun olub-olmadığını göstərir və beləliklə, şüa-dalğa qarşılıqlı təsirinə böyük təsir göstərir. Bütün TWT-nin işini yaxşılaşdırmaq üçün təkmilləşdirilmiş qarşılıqlı təsir strukturu hazırlanmışdır. Vahid hüceyrənin strukturu Şəkil 1-də göstərilmişdir. Vərəq şüasının qeyri-sabitliyini və tək qələm şüasının güc məhdudiyyətini nəzərə alaraq, struktur çıxış gücünü və əməliyyat sabitliyini daha da yaxşılaşdırmaq üçün ikiqat qələm şüası qəbul edir. Bu arada, işçi bant genişliyini artırmaq üçün SWS-in işləməsi üçün ikili rejim təklif edilmişdir. SDV strukturunun simmetriyasına görə, elektromaqnit sahəsinin dispersiya tənliyinin həlli tək və cüt rejimlərə bölünə bilər. Eyni zamanda, şüa qarşılıqlı təsirinin genişzolaqlı sinxronizasiyasını həyata keçirmək üçün aşağı tezlikli zolağın fundamental tək rejimi və yüksək tezlikli zolağın fundamental cüt rejimi istifadə olunur və bununla da işçi bant genişliyi daha da artırılır.
Güc tələblərinə uyğun olaraq, bütün boru 20 kV-luq idarəetmə gərginliyi və 2 × 80 mA ikiqat şüa cərəyanı ilə dizayn edilmişdir. Gərginliyi SDV-SWS-in işləmə bant genişliyinə mümkün qədər yaxınlaşdırmaq üçün p dövrünün uzunluğunu hesablamalıyıq. Şüa gərginliyi ilə dövr arasındakı əlaqə (1)10 tənliyində göstərilir:
220 GHz mərkəz tezliyində faza dəyişməsini 2,5π olaraq təyin etməklə, p dövrü 0,46 mm olaraq hesablana bilər. Şəkil 2a SWS vahid hüceyrəsinin dispersiya xüsusiyyətlərini göstərir. 20 kV şüa xətti bimodal əyriyə çox yaxşı uyğun gəlir. Uyğun tezlik zolaqları 210–265,3 GHz (tək rejim) və 265,4–280 GHz (cüt rejim) diapazonlarında təxminən 70 GHz-ə çata bilər. Şəkil 2b, 210-dan 290 GHz-ə qədər 0,6 Ω-dan çox olan orta birləşmə empedansını göstərir ki, bu da işləmə zolağında güclü qarşılıqlı təsirlərin baş verə biləcəyini göstərir.
(a) 20 kV-luq elektron şüa xəttinə malik ikili rejimli SDV-SWS-in dispersiya xüsusiyyətləri.(b) SDV yavaş dalğalı dövrənin qarşılıqlı təsir empedansı.
Lakin, tək və cüt rejimlər arasında zolaq boşluğunun olduğunu qeyd etmək vacibdir və biz adətən bu zolaq boşluğuna Şəkil 2a-da göstərildiyi kimi dayanma zolağı deyirik. Əgər TWT bu tezlik zolağının yaxınlığında işlədilirsə, güclü şüa birləşmə gücü yarana bilər ki, bu da istənməyən salınımlara səbəb olacaq. Praktik tətbiqlərdə biz ümumiyyətlə dayanma zolağının yaxınlığında TWT istifadə etməkdən çəkinirik. Lakin, bu yavaş dalğalı strukturun zolaq boşluğunun yalnız 0,1 GHz olduğunu görmək olar. Bu kiçik zolaq boşluğunun salınımlara səbəb olub-olmadığını müəyyən etmək çətindir. Buna görə də, istənməyən salınımların baş verib-verməyəcəyini təhlil etmək üçün dayanma zolağı ətrafında işləmə sabitliyi aşağıdakı PIC simulyasiya bölməsində araşdırılacaq.
Bütün HFS-in modeli Şəkil 3-də göstərilmişdir. Bragg reflektorları ilə birləşdirilmiş iki SDV-SWS mərhələsindən ibarətdir. Reflektorun funksiyası iki mərhələ arasında siqnal ötürülməsini kəsmək, yuxarı və aşağı bıçaqlar arasında yaranan yüksək dərəcəli rejimlər kimi işləməyən rejimlərin salınımını və əks olunmasını yatırmaq və bununla da bütün borunun sabitliyini xeyli yaxşılaşdırmaqdır. Xarici mühitə qoşulmaq üçün SWS-i WR-4 standart dalğa ötürücüsünə qoşmaq üçün xətti konusvari birləşdirici də istifadə olunur. İki səviyyəli strukturun ötürmə əmsalı 3D simulyasiya proqram təminatında zaman domeni həlledicisi ilə ölçülür. Terahers zolağının materiala faktiki təsirini nəzərə alaraq, vakuum örtüyünün materialı əvvəlcə mis olaraq təyin edilir və keçiricilik 2,25×107 S/m12-ə endirilir.
Şəkil 4, xətti konik muftalarla və onsuz HFS üçün ötürmə nəticələrini göstərir. Nəticələr göstərir ki, mufta bütün HFS-in ötürmə performansına az təsir göstərir. 207~280 GHz genişzolaqlı şəbəkədə bütün sistemin qaytarılma itkisi (S11 < − 10 dB) və daxiletmə itkisi (S21 > − 5 dB) HFS-in yaxşı ötürmə xüsusiyyətlərinə malik olduğunu göstərir.
Vakuum elektron cihazlarının enerji təchizatı kimi, elektron silah cihazın kifayət qədər çıxış gücü yarada biləcəyini birbaşa müəyyən edir. II Bölmədəki HFS təhlili ilə birlikdə, kifayət qədər güc təmin etmək üçün ikiqat şüalı EOS dizayn edilməlidir. Bu hissədə, W-band8,9-dakı əvvəlki işlərə əsasən, planar maska ​​hissəsi və idarəetmə elektrodları istifadə edərək ikiqat qələmli elektron silah dizayn edilmişdir. Birincisi, SWS-in Bölmədəki dizayn tələblərinə uyğun olaraq. Şəkil 1-də göstərildiyi kimi. 2-də, elektron şüalarının hərəkət gərginliyi Ua əvvəlcə 20 kV-a təyin edilir, iki elektron şüasının cərəyanları I hər ikisi 80 mA-dır və elektron şüalarının şüa diametri dw 0,13 mm-dir. Eyni zamanda, elektron şüasının və katodun cərəyan sıxlığının əldə edilməsini təmin etmək üçün elektron şüasının sıxılma nisbəti 7-yə təyin edilir, beləliklə, elektron şüasının cərəyan sıxlığı 603 A/sm2, katodun cərəyan sıxlığı isə 86 A/sm2-dir ki, bu da yeni katod materiallarından istifadə etməklə əldə edilə bilər. Dizayn nəzəriyyəsi 14, 15, 16, 17-yə görə, tipik Pierce elektron silahı unikal şəkildə müəyyən edilə bilər.
Şəkil 5-də müvafiq olaraq silahın üfüqi və şaquli sxematik diaqramları göstərilir. Göründüyü kimi, x istiqamətində elektron silahının profili tipik təbəqəyəbənzər elektron silahının profili ilə demək olar ki, eynidir, y istiqamətində isə iki elektron şüası qismən maska ​​ilə ayrılır. İki katodun mövqeləri müvafiq olaraq x = – 0.155 mm, y = 0 mm və x = 0.155 mm, y = 0 mm-dir. Sıxılma nisbətinin və elektron inyeksiya ölçüsünün dizayn tələblərinə uyğun olaraq, iki katod səthinin ölçüləri 0.91 mm × 0.13 mm olaraq müəyyən edilir.
Hər bir x istiqamətində elektron şüasının qəbul etdiyi fokuslanmış elektrik sahəsini öz mərkəzi ətrafında simmetrik etmək üçün bu məqalədə elektron silahına idarəetmə elektrodu tətbiq olunur. Fokuslayıcı elektrodun və idarəetmə elektrodunun gərginliyini −20 kV-a, anodun gərginliyini isə 0 V-a təyin etməklə, Şəkil 6-da göstərildiyi kimi, ikiqat şüa silahının trayektoriya paylanmasını əldə edə bilərik. Göründüyü kimi, yayılan elektronlar y istiqamətində yaxşı sıxılma qabiliyyətinə malikdir və hər bir elektron şüası öz simmetriya mərkəzi boyunca x istiqamətində konvergent olur ki, bu da idarəetmə elektrodunun fokuslayıcı elektrodun yaratdığı qeyri-bərabər elektrik sahəsini tarazladığını göstərir.
Şəkil 7-də x və y istiqamətlərində şüa örtüyü göstərilir. Nəticələr göstərir ki, elektron şüasının x istiqamətindəki proyeksiya məsafəsi y istiqamətindəki məsafədən fərqlidir. X istiqamətindəki atış məsafəsi təxminən 4 mm, y istiqamətindəki atış məsafəsi isə 7 mm-ə yaxındır. Buna görə də, faktiki atış məsafəsi 4 ilə 7 mm arasında seçilməlidir. Şəkil 8-də elektron şüasının katod səthindən 4,6 mm məsafədə kəsiyi göstərilir. Görə bilərik ki, kəsiyinin forması standart dairəvi elektron şüasına ən yaxındır. İki elektron şüası arasındakı məsafə layihələndirilmiş 0,31 mm-ə yaxındır və radius təxminən 0,13 mm-dir ki, bu da layihə tələblərinə cavab verir. Şəkil 9-da şüa cərəyanının simulyasiya nəticələri göstərilir. Göründüyü kimi, iki şüa cərəyanı 76 mA-dır ki, bu da layihələndirilmiş 80 mA ilə yaxşı uyğunluq təşkil edir.
Praktik tətbiqlərdə idarəetmə gərginliyinin dalğalanmalarını nəzərə alaraq, bu modelin gərginlik həssaslığını öyrənmək lazımdır. Şəkil 1 və Şəkil 1.10 və 11-də göstərildiyi kimi, 19.8 ~ 20.6 kV gərginlik diapazonunda cərəyan və şüa cərəyan örtükləri əldə edilir. Nəticələrdən görünür ki, idarəetmə gərginliyinin dəyişməsi elektron şüa örtüyünə heç bir təsir göstərmir və elektron şüa cərəyanı yalnız 0.74-dən 0.78 A-a qədər dəyişir. Buna görə də, bu məqalədə dizayn edilmiş elektron silahının gərginliyə yaxşı həssaslığa malik olduğu düşünülə bilər.
Gərginlik dalğalanmalarının x və y istiqamətli şüa örtüklərinə təsiri.
Vahid maqnit fokuslama sahəsi ümumi daimi maqnit fokuslama sistemidir. Şüa kanalı boyunca vahid maqnit sahəsinin paylanması səbəbindən, oxsimetrik elektron şüaları üçün çox uyğundur. Bu bölmədə ikiqat qələm şüalarının uzun məsafəli ötürülməsini qorumaq üçün vahid maqnit fokuslama sistemi təklif olunur. Yaranan maqnit sahəsini və şüa örtüyünü təhlil etməklə fokuslama sisteminin dizayn sxemi təklif olunur və həssaslıq problemi öyrənilir. Tək bir qələm şüasının sabit ötürmə nəzəriyyəsinə18,19 görə, Brillouen maqnit sahəsinin dəyəri (2) tənliyi ilə hesablana bilər. Bu məqalədə, yan tərəfə paylanmış ikiqat qələm şüasının maqnit sahəsini qiymətləndirmək üçün də bu ekvivalentlikdən istifadə edirik. Bu məqalədə hazırlanmış elektron silahı ilə birlikdə hesablanmış maqnit sahəsinin dəyəri təxminən 4000 Gs-dir. 20-ci istinada görə, praktik dizaynlarda hesablanmış dəyərin 1,5-2 qatı adətən seçilir.
Şəkil 12 vahid maqnit sahəsi fokuslama sahəsi sisteminin quruluşunu göstərir. Mavi hissə ox istiqamətində maqnitlənmiş daimi maqnitdir. Material seçimi NdFeB və ya FeCoNi-dir. Simulyasiya modelində təyin olunmuş qalıq Br 1,3 T, keçiricilik isə 1,05-dir. Bütün dövrədə şüanın sabit ötürülməsini təmin etmək üçün maqnitin uzunluğu əvvəlcə 70 mm-ə təyin edilir. Bundan əlavə, x istiqamətindəki maqnitin ölçüsü şüa kanalındakı eninə maqnit sahəsinin vahid olub-olmadığını müəyyən edir ki, bu da x istiqamətindəki ölçünün çox kiçik olmamasını tələb edir. Eyni zamanda, bütün borunun dəyəri və çəkisi nəzərə alınmaqla, maqnitin ölçüsü çox böyük olmamalıdır. Buna görə də, maqnitlər əvvəlcə 150 ​​mm × 150 mm × 70 mm-ə təyin edilir. Bu arada, bütün yavaş dalğalı dövrənin fokuslama sisteminə yerləşdirilə bilməsini təmin etmək üçün maqnitlər arasındakı məsafə 20 mm-ə təyin edilir.
2015-ci ildə Purna Chandra Panda21 vahid maqnit fokuslama sistemində yeni pilləli dəliyi olan bir dirək parçası təklif etdi ki, bu da katoda axın sızmasının miqyasını və dirək parçası dəliyində yaranan eninə maqnit sahəsini daha da azalda bilər. Bu məqalədə fokuslama sisteminin dirək parçasına pilləli bir quruluş əlavə edirik. Şəkil 13-də göstərildiyi kimi, dirək parçasının qalınlığı əvvəlcə 1,5 mm, üç pillənin hündürlüyü və eni 0,5 mm, dirək parçası dəlikləri arasındakı məsafə isə 2 mm-dir.
Şəkil 14a iki elektron şüasının mərkəz xətləri boyunca ox maqnit sahəsinin paylanmasını göstərir. Görünür ki, iki elektron şüası boyunca maqnit sahəsi qüvvələri bərabərdir. Maqnit sahəsinin dəyəri təxminən 6000 Gs-dir ki, bu da ötürmə və fokuslama performansını artırmaq üçün nəzəri Brillouin sahəsindən 1,5 dəfə çoxdur. Eyni zamanda, katoddakı maqnit sahəsi demək olar ki, 0-dır ki, bu da qütb hissəsinin maqnit axınının sızmasının qarşısını almağa yaxşı təsir göstərdiyini göstərir. Şəkil 14b iki elektron şüasının yuxarı kənarında z istiqamətində eninə maqnit sahəsinin paylanmasını göstərir. Görünür ki, eninə maqnit sahəsi yalnız qütb hissəsinin dəliyində 200 Gs-dən azdır, yavaş dalğalı dövrədə isə eninə maqnit sahəsi demək olar ki, sıfırdır ki, bu da eninə maqnit sahəsinin elektron şüasına təsirinin əhəmiyyətsiz olduğunu sübut edir. Qütb hissələrinin maqnit doymasının qarşısını almaq üçün qütb hissələrinin içərisindəki maqnit sahəsinin gücünü öyrənmək lazımdır. Şəkil 14c qütb hissəsi daxilindəki maqnit sahəsinin paylanmasının mütləq dəyərini göstərir. Görünür ki, maqnit sahəsinin gücünün mütləq dəyəri... 1,2T-dən azdır və bu da dirək parçasının maqnit doymasının baş verməyəcəyini göstərir.
Br = 1.3 T üçün maqnit sahəsinin güc paylanması.(a) Ox sahəsinin paylanması.(b) Z istiqamətində By yan sahənin paylanması.(c) Qütb parçası daxilində sahənin paylanmasının mütləq qiyməti.
CST PS moduluna əsasən, ikili şüa silahının və fokuslama sisteminin ox nisbi mövqeyi optimallaşdırılıb. 9-cu istinada və simulyasiyalara görə, optimal yer anod parçasının maqnitdən uzaqda dirək parçası ilə üst-üstə düşdüyü yerdir. Lakin, qalıq 1.3T olaraq təyin edildikdə, elektron şüasının keçiriciliyinin 99% -ə çata bilməyəcəyi müəyyən edilib. Qalıq 1.4 T-yə qədər artırıldıqda, fokuslama maqnit sahəsi 6500 Gs-ə qədər artırılacaq. Xoz və yoz müstəvilərindəki şüa trayektoriyaları Şəkil 15-də göstərilib. Göründüyü kimi, şüa yaxşı ötürmə qabiliyyətinə, kiçik dalğalanmaya və ötürmə məsafəsinə malikdir.
Br = 1.4 T olan homogen maqnit sistemi altında ikiqat qələm şüalarının trayektoriyaları.(a) xoz müstəvisi.(b) yoz müstəvisi.
Şəkil 16-da katoddan fərqli mövqelərdə şüanın en kəsiyi göstərilir. Fokuslama sistemində şüa hissəsinin formasının yaxşı saxlanıldığı və kəsik diametrinin çox dəyişmədiyi görünür. Şəkil 17-də müvafiq olaraq x və y istiqamətlərində şüa örtükləri göstərilir. Göründüyü kimi, şüanın hər iki istiqamətdə dalğalanması çox azdır. Şəkil 18-də şüa cərəyanının simulyasiya nəticələri göstərilir. Nəticələr göstərir ki, cərəyan təxminən 2 × 80 mA-dır ki, bu da elektron silah dizaynında hesablanmış dəyərlə uyğun gəlir.
Katoddan fərqli mövqelərdə elektron şüasının en kəsiyi (fokus sistemi ilə).
Praktik emal tətbiqlərində montaj xətaları, gərginlik dalğalanmaları və maqnit sahəsi gücündə dəyişikliklər kimi bir sıra problemləri nəzərə alaraq, fokuslama sisteminin həssaslığını təhlil etmək lazımdır. Faktiki emalda anod parçası ilə dirək parçası arasında boşluq olduğundan, bu boşluğu simulyasiyada təyin etmək lazımdır. Boşluq dəyəri 0,2 mm-ə təyin edildi və Şəkil 19a şüa örtüyünü və şüa cərəyanını y istiqamətində göstərir. Bu nəticə göstərir ki, şüa örtüyündəki dəyişiklik əhəmiyyətli deyil və şüa cərəyanı demək olar ki, dəyişmir. Buna görə də, sistem montaj xətalarına həssas deyil. Sürücü gərginliyinin dalğalanması üçün xəta diapazonu ±0,5 kV-a təyin edilmişdir. Şəkil 19b müqayisə nəticələrini göstərir. Gərginlik dəyişikliyinin şüa örtüyünə az təsir göstərdiyi görünür. Maqnit sahəsi gücündə dəyişikliklər üçün xəta diapazonu -0,02 ilə +0,03 T arasında təyin edilmişdir. Müqayisə nəticələri Şəkil 20-də göstərilmişdir. Şüa örtüyünün demək olar ki, dəyişmədiyi, yəni bütün EOS-un maqnit sahəsi gücündə dəyişikliklərə həssas olmadığı görünür.
Vahid maqnit fokuslama sistemi altında şüa örtüyü və cərəyan nəticələri.(a) Yığım tolerantlığı 0,2 mm-dir.(b) Sürücü gərginliyinin dalğalanması ±0,5 kV-dir.
0,63 ilə 0,68 T arasında dəyişən ox maqnit sahəsinin güc dalğalanmaları ilə vahid maqnit fokuslama sistemi altında şüa örtüyü.
Bu məqalədə dizayn edilmiş fokuslama sisteminin HFS ilə uyğunlaşa bilməsini təmin etmək üçün tədqiqat üçün fokuslama sistemini və HFS-i birləşdirmək lazımdır. Şəkil 21-də HFS yüklü və yüklənməmiş şüa zərflərinin müqayisəsi göstərilir. Nəticələr göstərir ki, bütün HFS yükləndikdə şüa zərfi çox dəyişmir. Buna görə də, fokuslama sistemi yuxarıdakı dizayndakı hərəkət edən dalğa borusu HFS üçün uyğundur.
III Bölmədə təklif olunan EOS-un düzgünlüyünü yoxlamaq və 220 GHz SDV-TWT-nin işini araşdırmaq üçün şüa-dalğa qarşılıqlı təsirinin 3D-PIC simulyasiyası həyata keçirilir. Simulyasiya proqram təminatının məhdudiyyətlərinə görə, bütün EOS-u HFS-ə əlavə edə bilmədik. Buna görə də, elektron silahı yuxarıda dizayn edilmiş elektron silahı ilə eyni parametrlərə malik, diametri 0,13 mm və iki səth arasındakı məsafə 0,31 mm olan ekvivalent şüalanma səthi ilə əvəz edildi. EOS-un həssaslığı və yaxşı stabilliyi səbəbindən, PIC simulyasiyasında ən yaxşı çıxış gücünə nail olmaq üçün idarəetmə gərginliyi düzgün şəkildə optimallaşdırıla bilər. Simulyasiya nəticələri göstərir ki, doymuş çıxış gücü və qazanc 20,6 kV idarəetmə gərginliyində, 2 × 80 mA (603 A/sm2) şüa cərəyanında və 0,05 Vt giriş gücündə əldə edilə bilər.
Ən yaxşı çıxış siqnalını əldə etmək üçün dövrlərin sayı da optimallaşdırılmalıdır. Ən yaxşı çıxış gücü, Şəkil 22a-da göstərildiyi kimi, iki mərhələnin sayı 42 + 48 dövr olduqda əldə edilir. 0,05 Vt giriş siqnalı 38 dB qazancla 314 Vt-a qədər gücləndirilir. Sürətli Furye Çevrilməsi (FFT) ilə əldə edilən çıxış gücü spektri təmizdir və 220 GHz-də pik həddə çatır. Şəkil 22b, SWS-də elektron enerjisinin ox mövqeyi paylanmasını göstərir, elektronların əksəriyyəti enerji itirir. Bu nəticə göstərir ki, SDV-SWS elektronların kinetik enerjisini RF siqnallarına çevirə bilər və bununla da siqnal gücləndirməsini həyata keçirə bilər.
220 GHz-də SDV-SWS çıxış siqnalı.(a) Daxil edilmiş spektrlə çıxış gücü.(b) SWS daxiletməsinin sonundakı elektron şüası ilə elektronların enerji paylanması.
Şəkil 23, ikili rejimli ikili şüalı SDV-TWT-nin çıxış gücünün bant genişliyini və qazancını göstərir. Çıxış performansı tezlikləri 200-dən 275 GHz-ə qədər artırmaqla və sürücü gərginliyini optimallaşdırmaqla daha da yaxşılaşdırıla bilər. Bu nəticə göstərir ki, 3 dB bant genişliyi 205-dən 275 GHz-ə qədər olan diapazonu əhatə edə bilər, bu da ikili rejimli işləmənin işləmə bant genişliyini xeyli genişləndirə biləcəyi deməkdir.
Lakin, Şəkil 2a-ya görə, tək və cüt rejimlər arasında bir dayanma zolağının olduğunu bilirik ki, bu da istənməyən salınımlara səbəb ola bilər. Buna görə də, dayanacaqlar ətrafında iş sabitliyi öyrənilməlidir. Şəkil 24a-c müvafiq olaraq 265.3 GHz, 265.35 GHz və 265.4 GHz-də 20 ns simulyasiya nəticələridir. Göründüyü kimi, simulyasiya nəticələrində bəzi dalğalanmalar olsa da, çıxış gücü nisbətən sabitdir. Spektr də Şəkil 24-də müvafiq olaraq göstərilib, spektr təmizdir. Bu nəticələr dayanma zolağının yaxınlığında öz-özünə salınma olmadığını göstərir.
Bütün HFS-in düzgünlüyünü yoxlamaq üçün istehsal və ölçmə zəruridir. Bu hissədə HFS, 0,1 mm alət diametri və 10 μm emal dəqiqliyi ilə kompüter ədədi idarəetmə (CNC) texnologiyasından istifadə edilərək hazırlanır. Yüksək tezlikli struktur üçün material oksigensiz yüksək keçiriciliyə malik (OFHC) misdən təmin edilir. Şəkil 25a-da hazırlanmış struktur göstərilir. Bütün strukturun uzunluğu 66,00 mm, eni 20,00 mm və hündürlüyü 8,66 mm-dir. Quruluşun ətrafında səkkiz sancaq dəliyi paylanmışdır. Şəkil 25b-də skanlama elektron mikroskopiyası (SEM) ilə struktur göstərilir. Bu strukturun bıçaqları bərabər şəkildə istehsal olunur və yaxşı səth pürüzlülüyünə malikdir. Dəqiq ölçmədən sonra ümumi emal xətası 5%-dən azdır və səth pürüzlülüyü təxminən 0,4 μm-dir. Emal strukturu dizayn və dəqiqlik tələblərinə cavab verir.
Şəkil 26 faktiki sınaq nəticələri ilə ötürmə performansının simulyasiyaları arasındakı müqayisəni göstərir. Şəkil 26a-dakı 1-ci və 2-ci portlar müvafiq olaraq HFS-in giriş və çıxış portlarına uyğundur və Şəkil 3-dəki 1-ci və 4-cü portlara bərabərdir. S11-in faktiki ölçmə nəticələri simulyasiya nəticələrindən bir qədər yaxşıdır. Eyni zamanda, S21-in ölçülmüş nəticələri bir qədər pisdir. Səbəb simulyasiyada təyin olunmuş material keçiriciliyinin çox yüksək olması və faktiki emaldan sonra səthin pürüzlülüyünün zəif olması ola bilər. Ümumilikdə, ölçülmüş nəticələr simulyasiya nəticələri ilə yaxşı uyğunluq təşkil edir və ötürmə bant genişliyi 70 GHz tələbinə cavab verir ki, bu da təklif olunan ikili rejimli SDV-TWT-nin mümkünlüyünü və düzgünlüyünü təsdiqləyir. Buna görə də, faktiki istehsal prosesi və sınaq nəticələri ilə birlikdə, bu məqalədə təklif olunan ultra genişzolaqlı ikili şüalı SDV-TWT dizaynı sonrakı istehsal və tətbiqlər üçün istifadə edilə bilər.
Bu məqalədə, 220 GHz ikiqat şüalı SDV-TWT planar paylamasının ətraflı dizaynı təqdim olunur. İkiqat rejimli işləmə və ikiqat şüa həyəcanının kombinasiyası işləmə bant genişliyini və çıxış gücünü daha da artırır. Bütün HFS-in düzgünlüyünü yoxlamaq üçün istehsal və soyuq sınaq da aparılır. Faktiki ölçmə nəticələri simulyasiya nəticələri ilə yaxşı uyğunluq təşkil edir. Dizayn edilmiş iki şüalı EOS üçün iki qələmli şüa yaratmaq üçün maska ​​bölməsi və idarəetmə elektrodları birlikdə istifadə edilmişdir. Dizayn edilmiş vahid fokuslama maqnit sahəsi altında elektron şüası yaxşı formada uzun məsafələrə sabit şəkildə ötürülə bilər. Gələcəkdə EOS-un istehsalı və sınaqdan keçirilməsi, eləcə də bütün TWT-nin istilik sınağı aparılacaq. Bu məqalədə təklif olunan bu SDV-TWT dizayn sxemi mövcud yetkin müstəvi emal texnologiyasını tam şəkildə birləşdirir və performans göstəricilərində, emal və yığımda böyük potensial göstərir. Buna görə də, bu məqalədə planar strukturun terahers diapazonunda vakuum elektron cihazlarının inkişaf trendinə çevrilməsi ehtimalının çox olduğuna inanılır.
Bu tədqiqatdakı xam məlumatların və analitik modellərin əksəriyyəti bu məqaləyə daxil edilmişdir. Əlavə müvafiq məlumatlar müvafiq müəllifdən ağlabatan tələb olduqda əldə edilə bilər.
Gamzina, D. və b. Terahers alt-terajer vakuum elektronikasının nanosölçülü CNC emalı. IEEE Trans.elektron cihazları.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. və Paoloni, C. Çoxqatlı SU-8 fotorezistindən istifadə edərək terahers alt dalğaötürücülərinin UV-LIGA mikrohazırlanması. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS və başqaları. 2017 THz texnologiyası yol xəritəsi. J. Physics. D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Ultra genişzolaqlı pilləli ikiqat qəfəsli dalğa bələdçiləri vasitəsilə plazmonik dalğa yayılmasının güclü məhdudlaşdırılması.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. və digərləri. Nano CNC ilə işlənmiş 220 GHz Səyahət Dalğası Boru Gücləndiricisinin Performansı. IEEE Trans.elektron cihazları.64, 590–592 (2017).
Han, Y. və Ruan, CJ Makroskopik soyuq maye model nəzəriyyəsindən istifadə edərək sonsuz geniş təbəqəli elektron şüalarının diokotron qeyri-sabitliyinin araşdırılması. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV, çoxşüalı klystronda şüanın müstəvi düzülüşü ilə bant genişliyini artırmaq imkanı haqqında. 12-ci IEEE Beynəlxalq Vakuum Elektronikası Konfransında, Banqalor, Hindistan, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ və digərləri. W-zolaqlı pilləli ikiqat bıçaqlı səyahət dalğası borusunda dar şüa parçalanma müstəvisi paylanmasına malik üç şüalı elektron silahlarının dizaynı [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 W-zolaqlı fundamental rejim üçün dar şüa ayrılması olan Planar paylanmış üç şüalı elektron optik sistem TWT.IEEE Trans.elektron cihazlar.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Millimetr Dalğalı Lövhə Şüaları ilə Aralıqlı İkiqat Bıçaqlı Səyyar Dalğa Boruları üzrə Tədqiqat 20-22 (PhD, Beihang Universiteti, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. G-zolaqlı aralıqlı ikiqat bıçaqlı səyahət dalğası borusunun şüa-dalğa qarşılıqlı təsirinin stabilliyi üzrə tədqiqat. 2018 43-cü İnfraqırmızı Millimetr və Terahers Dalğaları üzrə Beynəlxalq Konfrans, Naqoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).