Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
У гэтай працы распрацавана і праверана шырокапалосная высокамагутная двухлопасцевая трубка бегучай хвалі з перапляценнем 220 ГГц. Па-першае, прапануецца планарная двухпрамянёвая, шахматна размешчаная двухлопасцевая структура павольных хваль. Дзякуючы выкарыстанню двухрэжымнай схемы працы, прадукцыйнасць перадачы і прапускная здольнасць амаль удвая вышэйшыя, чым у аднакадавой. Па-другое, каб задаволіць патрабаванні высокай выходнай магутнасці і палепшыць стабільнасць трубкі бегучай хвалі, распрацавана падвойная электронная аптычная сістэма ў форме алоўка, напружанне кіравання складае 20~21 кВ, а ток — 2 × 80 мА. Мэты праектавання. Выкарыстоўваючы маску і кіруючы электрод у двухпрамянёвай гармаце, два алоўкавыя прамяні могуць быць сфакусаваны ўздоўж іх адпаведных цэнтраў з каэфіцыентам сціску 7, адлегласць факусоўкі складае каля 0,18 мм, а стабільнасць добрая. Таксама была аптымізавана аднастайная магнітная сістэма факусоўкі. Стабільная адлегласць перадачы планарнага падвойнага электроннага прамяня можа дасягаць 45 мм, а факусуючае магнітнае поле — 0,6 Тл, чаго дастаткова для пакрыцця ўсёй высокачастотнай сістэмы (HFS). Затым, каб праверыць Для праверкі зручнасці выкарыстання электронна-аптычнай сістэмы і прадукцыйнасці павольнахвалевай структуры таксама было праведзена мадэляванне часцічнай ячэйкі (PIC) на ўсёй HFS. Вынікі паказваюць, што сістэма ўзаемадзеяння прамяня можа дасягнуць пікавай выходнай магутнасці амаль 310 Вт на частаце 220 ГГц, аптымізаванае напружанне прамяня складае 20,6 кВ, ток прамяня — 2 × 80 мА, каэфіцыент узмацнення — 38 дБ, а прапускная здольнасць 3 дБ перавышае 35 дБ каля 70 ГГц. Нарэшце, для праверкі прадукцыйнасці HFS была праведзена высокадакладная выраб мікраструктуры, і вынікі паказваюць, што прапускная здольнасць і характарыстыкі перадачы добра адпавядаюць вынікам мадэлявання. Такім чынам, чакаецца, што схема, прапанаваная ў гэтай працы, дазволіць распрацаваць магутныя, ультрашырокапалосныя крыніцы выпраменьвання тэрагерцавага дыяпазону з патэнцыялам для будучых прымяненняў.
Як традыцыйная вакуумная электронная прылада, трубка бегучай хвалі (ЛБХ) адыгрывае незаменную ролю ў многіх прымяненнях, такіх як радар высокага разрознення, сістэмы спадарожнікавай сувязі і даследаванні космасу1,2,3. Аднак, паколькі рабочая частата пераходзіць у тэрагерцавы дыяпазон, традыцыйныя ЛБХ са звязаным рэзанатарам і спіральныя ЛБХ не змаглі задаволіць патрэбы людзей з-за адносна нізкай выходнай магутнасці, вузкай паласы прапускання і складаных вытворчых працэсаў. Такім чынам, пытанне комплекснага паляпшэння прадукцыйнасці тэрагерцавага дыяпазону стала вельмі актуальным для многіх навукова-даследчых устаноў. У апошнія гады новыя структуры павольных хваль (СХХ), такія як структуры з шахматным размяшчэннем двух лапатак (СДВ) і структуры са складзенымі хваляводамі (СХВ), атрымалі вялікую ўвагу дзякуючы сваім натуральным планарным структурам, асабліва новыя СХХ з перспектыўным патэнцыялам. Гэтая структура была прапанавана Каліфарнійскім універсітэтам у Дэвісе ў 2008 годзе4. Планарная структура можа быць лёгка выраблена з дапамогай мікра-нана-тэхналогій апрацоўкі, такіх як лікавае праграмнае кіраванне (ЧПК) і УФ-ЛІГА, суцэльнаметалічная структура корпуса можа забяспечыць большую цеплавую ёмістасць з... больш высокая выходная магутнасць і каэфіцыент узмацнення, а структура, падобная на хвалявод, таксама можа забяспечыць больш шырокую рабочую паласу паласы. У цяперашні час, у 2017 годзе, UC Davis упершыню прадэманстраваў, што SDV-LWT можа генераваць сігналы высокай магутнасці, якія перавышаюць 100 Вт, і сігналы з паласой паласы паласы амаль 14 ГГц у дыяпазоне G5. Аднак гэтыя вынікі ўсё яшчэ маюць прабелы, якія не могуць задаволіць адпаведныя патрабаванні высокай магутнасці і шырокай паласы паласы ў тэрагерцавым дыяпазоне. Для SDV-LWT у дыяпазоне G UC-Davis выкарыстоўваліся лісты электронныя пучкі. Нягледзячы на ​​тое, што гэтая схема можа значна палепшыць токапераноснасць пучка, цяжка падтрымліваць вялікую адлегласць перадачы з-за нестабільнасці лістычнай электронна-аптычнай сістэмы (EOS), і існуе тунэль пучка з перагрузкай рэжыму, які таксама можа прывесці да самарэгулявання пучка. – Узбуджэнне і ваганні 6,7. Каб задаволіць патрабаванні высокай выходнай магутнасці, шырокай паласы прапускання і добрай стабільнасці ТГц ЛБВ, у гэтай працы прапануецца двухпрамянёвая SDV-SWS з двухрэжымным рэжымам працы. Гэта значыць, каб павялічыць рабочую паласу прапускання, у гэтай структуры прапануецца і ўводзіцца двухрэжымны рэжым працы. Акрамя таго, каб павялічыць выходную магутнасць, таксама выкарыстоўваецца планарнае размеркаванне падвойных алоўкавых прамянёў. Адна-алоўкавыя радыёпрыёмнікі адносна малыя з-за абмежаванняў вертыкальнага памеру. Калі шчыльнасць току занадта высокая, ток прамяня неабходна паменшыць, што прыводзіць да адносна нізкай выходнай магутнасці. Для паляпшэння току прамяня з'явілася планарнае размеркаванае шматпрамянёвае размеркаванне EOS, якое выкарыстоўвае папярочны памер SWS. Дзякуючы незалежнаму тунэляванню прамяня, планарнае размеркаванае шматпрамянёвае размеркаванне можа дасягнуць высокай выходнай магутнасці, падтрымліваючы высокі агульны ток прамяня і малы ток на прамень, што дазваляе пазбегнуць тунэлявання прамяня з перавышэннем рэжыму ў параўнанні з прыладамі з ліставым прамянём. Такім чынам, карысна падтрымліваць стабільнасць трубкі бегучай хвалі. На аснове папярэдніх работ8,9 у гэтай працы прапануецца Аднастайны магнітны прамень з падвойным алоўкавым прамянём, факусуючы EOS у G-дыяпазоне, можа значна палепшыць стабільную адлегласць перадачы прамяня і яшчэ больш павялічыць плошчу ўзаемадзеяння прамяня, тым самым значна паляпшаючы выходную магутнасць.
Структура гэтай працы наступная. Спачатку апісваецца канструкцыя ячэйкі SWS з параметрамі, аналізам характарыстык дысперсіі і вынікамі мадэлявання высокіх частот. Затым, у адпаведнасці са структурай элементарнай ячэйкі, у гэтай працы распрацаваны падвойны алоўкавы прамень EOS і сістэма ўзаемадзеяння прамянёў. Таксама прадстаўлены вынікі мадэлявання ўнутрыклеткавых часціц для праверкі зручнасці выкарыстання EOS і прадукцыйнасці SDV-LBWT. Акрамя таго, у працы коратка прадстаўлены вынікі вырабу і халодных выпрабаванняў для праверкі правільнасці ўсёй HFS. Нарэшце, зроблены рэзюмэ.
Дысперсійныя ўласцівасці павольнахвалевай структуры, як адзін з найважнейшых кампанентаў ЛВП, паказваюць, ці адпавядае хуткасць электронаў фазавай хуткасці хвалепадобнай хвалі (SWS), і, такім чынам, аказваюць вялікі ўплыў на ўзаемадзеянне прамяня з хваляй. Для паляпшэння прадукцыйнасці ўсёй ЛВП была распрацавана палепшаная структура ўзаемадзеяння. Структура элементарнай ячэйкі паказана на малюнку 1. Улічваючы нестабільнасць ліставага прамяня і абмежаванне магутнасці адзінарнага прамяня з пяром, у структуры выкарыстоўваецца двайны прамень з пяром для далейшага паляпшэння выходнай магутнасці і стабільнасці працы. Тым часам, каб павялічыць рабочую паласу прапускання, для працы SWS быў прапанаваны двайны рэжым. Дзякуючы сіметрыі структуры SDV, рашэнне ўраўнення дысперсіі электрамагнітнага поля можна падзяліць на цотны і няцотны рэжымы. У той жа час, асноўны няцотны рэжым нізкачастотнай паласы і асноўны цотны рэжым высокачастотнай паласы выкарыстоўваюцца для рэалізацыі шырокапалоснай сінхранізацыі ўзаемадзеяння прамяня, тым самым далей паляпшаючы рабочую паласу прапускання.
Згодна з патрабаваннямі да магутнасці, уся трубка разлічана на напружанне кіравання 20 кВ і ток падвойнага прамяня 2 × 80 мА. Каб напружанне максімальна адпавядала працоўнай паласе SDV-SWS, нам трэба разлічыць перыяд p. Суадносіны паміж напружаннем прамяня і перыядам паказана ў раўнанні (1)10:
Усталяваўшы зрух фазы на 2,5π на цэнтральнай частаце 220 ГГц, можна вылічыць перыяд p, які складае 0,46 мм. На малюнку 2a паказаны дысперсійныя ўласцівасці элементарнай ячэйкі SWS. Лінія прамяня 20 кВ вельмі добра адпавядае бімадальнай крывой. Паласы частот, якія адпавядаюць адна адной, могуць дасягаць каля 70 ГГц у дыяпазонах 210–265,3 ГГц (няцотны рэжым) і 265,4–280 ГГц (цотны рэжым). На малюнку 2b паказаны сярэдні імпеданс сувязі, які перавышае 0,6 Ом ад 210 да 290 ГГц, што сведчыць аб тым, што ў рабочай паласе паласы могуць узнікаць моцныя ўзаемадзеянні.
(a) Дысперсійныя характарыстыкі двухмадыфікацыйнага SDV-SWS з электроннай лініяй прамяня 20 кВ. (b) Імпеданс узаемадзеяння павольнага ланцуга SDV.
Аднак важна адзначыць, што паміж цотнымі і няцотнымі модамі існуе забароненая зона, і мы звычайна называем гэтую забароненую зону паласой стрымлівання, як паказана на малюнку 2a. Калі ЛБВ працуе паблізу гэтай паласы частот, можа ўзнікнуць моцная сувязь прамяня, што прывядзе да непажаданых ваганняў. У практычных ужываннях мы звычайна пазбягаем выкарыстання ЛБВ паблізу паласы стрымлівання. Аднак можна заўважыць, што забароненая зона гэтай павольнахвалевай структуры складае ўсяго 0,1 ГГц. Цяжка вызначыць, ці выклікае гэтая невялікая забароненая зона ваганні. Такім чынам, стабільнасць працы вакол паласы стрымлівання будзе даследавана ў наступным раздзеле мадэлявання PIC, каб прааналізаваць, ці могуць узнікаць непажаданыя ваганні.
Мадэль усёй HFS паказана на малюнку 3. Яна складаецца з двух каскадаў SDV-SWS, злучаных брэгаўскімі адбівальнікамі. Функцыя адбівальніка заключаецца ў тым, каб адключыць перадачу сігналу паміж двума каскадамі, падаўляць ваганні і адлюстраванне непрацоўных мод, такіх як моды высокага парадку, якія генеруюцца паміж верхнімі і ніжнімі лапаткамі, тым самым значна паляпшаючы стабільнасць усёй трубкі. Для падключэння да знешняга асяроддзя таксама выкарыстоўваецца лінейны канічны злучальны элемент для падключэння SWS да стандартнага хвалявода WR-4. Каэфіцыент перадачы двух'яруснай структуры вымяраецца з дапамогай рашальніка ў часовай вобласці ў праграмным забеспячэнні для 3D-мадэлявання. Улічваючы рэальны ўплыў тэрагерцавага дыяпазону на матэрыял, матэрыял вакуумнай абалонкі першапачаткова ўстанаўліваецца з медзі, а праводнасць зніжаецца да 2,25×107 См/м12.
На малюнку 4 паказаны вынікі перадачы для HFS з лінейнымі канічнымі адказнікамі і без іх. Вынікі паказваюць, што адказнік мала ўплывае на характарыстыкі перадачы ўсяго HFS. Адваротныя страты (S11 < −10 дБ) і ўносныя страты (S21 > −5 дБ) усёй сістэмы ў шырокапалосным дыяпазоне 207~280 ГГц паказваюць, што HFS мае добрыя характарыстыкі перадачы.
Як крыніца харчавання вакуумных электронных прылад, электронная гармата непасрэдна вызначае, ці можа прылада генераваць дастатковую выходную магутнасць. У спалучэнні з аналізам HFS у раздзеле II, неабходна распрацаваць двухпрамянёвую EOS, каб забяспечыць дастатковую магутнасць. У гэтай частцы, грунтуючыся на папярэдняй працы ў W-дыяпазоне 8, 9, распрацавана двухаловаковая электронная гармата з выкарыстаннем планарнай маскі і кіруючых электродаў. Па-першае, у адпаведнасці з патрабаваннямі праектавання SWS у раздзеле. Як паказана на мал. 2, напружанне кіравання электроннымі пучкамі Ua першапачаткова ўстаноўлена на 20 кВ, токі I абодвух электронных пучкоў складаюць 80 мА, а дыяметр пучка dw электронных пучкоў складае 0,13 мм. Адначасова, каб забяспечыць дасягненне шчыльнасці току электроннага пучка і катода, каэфіцыент сціску электроннага пучка ўстаноўлены на 7, таму шчыльнасць току электроннага пучка складае 603 А/см2, а шчыльнасць току катода — 86 А/см2, чаго можна дасягнуць шляхам... Гэта дасягаецца з выкарыстаннем новых матэрыялаў катода. Згодна з тэорыяй праектавання 14, 15, 16, 17, тыповую электронную гармату Пірса можна адназначна ідэнтыфікаваць.
На малюнку 5 паказаны гарызантальная і вертыкальная схематычныя дыяграмы гарматы адпаведна. Відаць, што профіль электроннай гарматы ў напрамку x амаль ідэнтычны профілю тыповай лістападобнай электроннай гарматы, у той час як у напрамку y два электронныя пучкі часткова падзеленыя маскай. Палажэнні двух катодаў знаходзяцца пры x = –0,155 мм, y = 0 мм і x = 0,155 мм, y = 0 мм адпаведна. Згодна з патрабаваннямі да канструкцыі адносна ступені сціску і памеру інжэкцыі электронаў, памеры дзвюх паверхняў катодаў вызначаюцца як 0,91 мм × 0,13 мм.
Каб сфакусаванае электрычнае поле, якое прымаецца кожным электронным пучком у напрамку x, было сіметрычным адносна яго ўласнага цэнтра, у гэтай працы да электроннай гарматы прымяняецца кіруючы электрод. Усталяваўшы напружанне факусуючага электрода і кіруючага электрода на −20 кВ, а напружанне анода на 0 В, мы можам атрымаць размеркаванне траекторыі падвойнай прамянёвай гарматы, як паказана на мал. 6. Відаць, што выпраменьваныя электроны маюць добрую сціскальнасць у напрамку y, і кожны электронны пучок збліжаецца да напрамку x уздоўж свайго ўласнага цэнтра сіметрыі, што сведчыць аб тым, што кіруючы электрод ураўнаважвае нераўнамернае электрычнае поле, якое ствараецца факусуючым электродам.
На малюнку 7 паказана абалонка прамяня ў напрамках x і y. Вынікі паказваюць, што адлегласць праекцыі электроннага прамяня ў напрамку x адрозніваецца ад адлегласці праекцыі ў напрамку y. Адлегласць праекцыі ў напрамку x складае каля 4 мм, а адлегласць праекцыі ў напрамку y блізкая да 7 мм. Такім чынам, фактычную адлегласць праекцыі варта выбіраць у межах ад 4 да 7 мм. На малюнку 8 паказана папярочны сячэнне электроннага прамяня на адлегласці 4,6 мм ад паверхні катода. Мы бачым, што форма папярочнага сячэння найбольш блізкая да стандартнага круглага электроннага прамяня. Адлегласць паміж двума электроннымі прамянямі блізкая да разліковых 0,31 мм, а радыус складае каля 0,13 мм, што адпавядае праектным патрабаванням. На малюнку 9 паказаны вынікі мадэлявання току прамяня. Можна бачыць, што токі двух прамянёў складаюць 76 мА, што добра адпавядае разліковым 80 мА.
Улічваючы ваганні напружання кіравання ў практычных умовах прымянення, неабходна вывучыць адчувальнасць гэтай мадэлі да напружання. У дыяпазоне напружанняў 19,8 ~ 20,6 кВ атрымліваюцца агінальныя току і току прамяня, як паказана на малюнку 1 і малюнку 1.10 і 11. З вынікаў відаць, што змена напружання кіравання не ўплывае на агінальную электроннага прамяня, і ток электроннага прамяня змяняецца толькі ад 0,74 да 0,78 А. Такім чынам, можна лічыць, што электронная гармата, распрацаваная ў гэтай працы, мае добрую адчувальнасць да напружання.
Уплыў ваганняў напружання кіравання на абалонкі прамяня ў напрамках x і y.
Аднастайнае магнітнае факусуючае поле — гэта распаўсюджаная сістэма факусоўкі на аснове пастаянных магнітаў. Дзякуючы аднастайнаму размеркаванню магнітнага поля па ўсім канале прамяня, яно вельмі падыходзіць для восевасіметрычных электронных прамянёў. У гэтым раздзеле прапануецца аднастайная сістэма магнітнай факусоўкі для падтрымання перадачы падвойных алоўкавых прамянёў на вялікія адлегласці. Аналізуючы згенераванае магнітнае поле і абалонку прамяня, прапануецца схема праектавання сістэмы факусоўкі і вывучаецца праблема адчувальнасці. Згодна з тэорыяй стабільнай перадачы аднаго алоўкавага прамяня [18, 19], значэнне магнітнага поля Брылюэна можна разлічыць па ўраўненні (2). У гэтай працы мы таксама выкарыстоўваем гэтую эквівалентнасць для ацэнкі магнітнага поля папярочна размеркаванага падвойнага алоўкавага прамяня. У спалучэнні з электроннай гарматай, распрацаванай у гэтай працы, разлічанае значэнне магнітнага поля складае каля 4000 Гс. Згодна з спасылкай 20, у практычных канструкцыях звычайна выбіраецца значэнне, якое ў 1,5-2 разы перавышае разліковае.
На малюнку 12 паказана структура сістэмы факусоўкі поля з аднастайным магнітным полем. Сіняя частка — гэта пастаянны магніт, намагнічаны ў восевым кірунку. Выбар матэрыялу — NdFeB або FeCoNi. Астаткавая намагнічанасць Br, усталяваная ў мадэлі мадэлявання, складае 1,3 Тл, а пранікальнасць — 1,05. Каб забяспечыць стабільную перадачу прамяня па ўсім ланцугу, даўжыня магніта першапачаткова ўстаноўлена на 70 мм. Акрамя таго, памер магніта ў напрамку x вызначае, ці з'яўляецца папярочнае магнітнае поле ў канале прамяня аднастайным, што патрабуе, каб памер у напрамку x не быў занадта малым. У той жа час, улічваючы кошт і вагу ўсёй трубкі, памер магніта не павінен быць занадта вялікім. Такім чынам, магніты першапачаткова ўстаноўлены на 150 мм × 150 мм × 70 мм. Тым часам, каб гарантаваць, што ўвесь контур павольнага хвалі можна размясціць у сістэме факусоўкі, адлегласць паміж магнітамі ўстаноўлена на 20 мм.
У 2015 годзе Пурна Чандра Панда21 прапанаваў полюсны наканечнік з новай ступеністай адтулінай у аднастайнай магнітнай факусуючай сістэме, што можа яшчэ больш паменшыць велічыню ўцечкі патоку на катод і папярочнага магнітнага поля, якое ствараецца ў адтуліне полюснага наканечніка. У гэтай працы мы дадаем ступеністую структуру да полюснага наканечніка факусуючай сістэмы. Таўшчыня полюснага наканечніка першапачаткова ўстаноўлена на 1,5 мм, вышыня і шырыня трох прыступак - 0,5 мм, а адлегласць паміж адтулінамі полюснага наканечніка - 2 мм, як паказана на малюнку 13.
На малюнку 14a паказана размеркаванне восевага магнітнага поля ўздоўж цэнтральных ліній двух электронных пучкоў. Відаць, што сілы магнітнага поля ўздоўж двух электронных пучкоў аднолькавыя. Значэнне магнітнага поля складае каля 6000 Гс, што ў 1,5 раза перавышае тэарэтычнае поле Брылюэна для павышэння прапускной здольнасці і факусоўкі. У той жа час магнітнае поле на катодзе амаль роўнае 0, што сведчыць аб тым, што полюсны наканечнік добра прадухіляе ўцечку магнітнага патоку. На малюнку 14b паказана размеркаванне папярочнага магнітнага поля By ў напрамку z на верхнім краі двух электронных пучкоў. Відаць, што папярочнае магнітнае поле менш за 200 Гс толькі ў адтуліне полюснага наканечніка, у той час як у схеме павольнага выпраменьвання папярочнае магнітнае поле практычна роўнае нулю, што даказвае, што ўплыў папярочнага магнітнага поля на электронны пучок нязначны. Каб прадухіліць магнітнае насычэнне полюсных наканечнікаў, неабходна вывучыць напружанасць магнітнага поля ўнутры полюсных наканечнікаў. На малюнку 14c паказана абсалютнае значэнне размеркавання магнітнага поля ўнутры полюснага наканечніка. Відаць, што абсалютнае значэнне напружанасці магнітнага поля складае менш за 1,2 Тл, што паказвае на тое, што магнітнае насычэнне полюснага наканечніка не адбудзецца.
Размеркаванне напружанасці магнітнага поля для Br = 1,3 Тл. (a) Восевае размеркаванне поля. (b) Бакавое размеркаванне поля By ў напрамку z. (c) Абсалютнае значэнне размеркавання поля ўнутры полюснага наканечніка.
На аснове модуля CST PS аптымізавана восевае адноснае становішча падвойнай прамянёвай гарматы і факусуючай сістэмы. Згодна з спасылкай 9 і мадэляваннем, аптымальнае месцазнаходжанне - гэта месца, дзе анодны наканечнік перакрывае полюсны наканечнік у аддаленні ад магніта. Аднак было ўстаноўлена, што калі рэманентнасць была ўстаноўлена на 1,3 Тл, прапусканне электроннага пучка не магло дасягнуць 99%. Пры павелічэнні рэманентнасці да 1,4 Тл факусуючае магнітнае поле павялічылася да 6500 Гс. Траекторыі пучка на плоскасцях xoz і yoz паказаны на малюнку 15. Відаць, што пучок мае добрую прапускальнасць, малыя флуктуацыі і адлегласць прапускання больш за 45 мм.
Траекторыі падвойных алоўкавых прамянёў пад аднароднай магнітнай сістэмай з Br = 1,4 Тл. (а) плоскасць xoz. (б) лятальны апарат yoz.
На малюнку 16 паказаны папярочны сячэнне пучка ў розных пазіцыях ад катода. Відаць, што форма сячэння пучка ў факусуючай сістэме добра захоўваецца, а дыяметр сячэння не моцна змяняецца. На малюнку 17 паказаны абалонкі пучка ў напрамках x і y адпаведна. Відаць, што флуктуацыя пучка ў абодвух напрамках вельмі малая. На малюнку 18 паказаны вынікі мадэлявання току пучка. Вынікі паказваюць, што ток складае каля 2 × 80 мА, што адпавядае разліковаму значэнню ў канструкцыі электроннай гарматы.
Папярочны сячэнне электроннага пучка (з сістэмай факусоўкі) у розных пазіцыях ад катода.
Улічваючы шэраг праблем, такіх як памылкі зборкі, ваганні напружання і змены напружанасці магнітнага поля ў практычных апрацоўчых прымяненнях, неабходна прааналізаваць адчувальнасць факусуючай сістэмы. Паколькі паміж анодным наканечнікам і полюсным наканечнікам у рэальнай апрацоўцы існуе зазор, гэты зазор неабходна ўсталяваць пры мадэляванні. Значэнне зазору было ўстаноўлена на 0,2 мм, і на малюнку 19a паказаны абалонка прамяня і ток прамяня ў напрамку y. Гэты вынік паказвае, што змена абалонкі прамяня неістотная, і ток прамяня амаль не змяняецца. Такім чынам, сістэма неадчувальная да памылак зборкі. Для ваганняў напружання кіравання дыяпазон памылак усталяваны на ±0,5 кВ. На малюнку 19b паказаны вынікі параўнання. Відаць, што змена напружання мала ўплывае на абалонку прамяня. Дыяпазон памылак усталяваны ад -0,02 да +0,03 Тл для змяненняў напружанасці магнітнага поля. Вынікі параўнання паказаны на малюнку 20. Відаць, што абалонка прамяня амаль не змяняецца, што азначае, што ўся сістэма факусавання неадчувальная да змяненняў напружанасці магнітнага поля.
Вынікі абгінаючай прамяня і току пры аднастайнай магнітнай факусуючай сістэме. (a) Дапушчальнае адхіленне зборкі складае 0,2 мм. (b) Ваганні напружання кіравання складаюць ±0,5 кВ.
Абалонка прамяня пры аднастайнай магнітнай факусуючай сістэме з восевымі ваганнямі напружанасці магнітнага поля ад 0,63 да 0,68 Тл.
Каб гарантаваць, што сістэма факусоўкі, распрацаваная ў гэтай працы, можа сумяшчацца з HFS, неабходна аб'яднаць сістэму факусоўкі і HFS для даследавання. На малюнку 21 паказана параўнанне абалонкі прамяня з загружанай HFS і без яе. Вынікі паказваюць, што абалонка прамяня не моцна змяняецца пры загрузцы ўсёй HFS. Такім чынам, сістэма факусоўкі падыходзіць для HFS з бегучай хваляй вышэйапісанай канструкцыі.
Каб праверыць правільнасць ураўнаважанай мадэлі (УАС), прапанаванай у раздзеле III, і даследаваць прадукцыйнасць SDV-ЛБВ на 220 ГГц, было праведзена 3D-PIC-мадэляванне ўзаемадзеяння прамяня і хвалі. З-за абмежаванняў праграмнага забеспячэння для мадэлявання мы не змаглі дадаць усю УАС у HFS. Таму электронная гармата была заменена эквівалентнай выпраменьвальнай паверхняй з дыяметрам 0,13 мм і адлегласцю паміж двума паверхнямі 0,31 мм, з такімі ж параметрамі, як і ў электроннай гарматы, распрацаванай вышэй. Дзякуючы неадчувальнасці і добрай стабільнасці УАС, напружанне кіравання можа быць належным чынам аптымізавана для дасягнення найлепшай выходнай магутнасці ў PIC-мадэляванні. Вынікі мадэлявання паказваюць, што насычаная выходная магутнасць і каэфіцыент узмацнення могуць быць атрыманы пры напружанні кіравання 20,6 кВ, току прамяня 2 × 80 мА (603 А/см2) і ўваходнай магутнасці 0,05 Вт.
Каб атрымаць найлепшы выхадны сігнал, неабходна аптымізаваць і колькасць цыклаў. Найлепшая выхадная магутнасць атрымліваецца, калі колькасць двух каскадаў складае 42 + 48 цыклаў, як паказана на малюнку 22a. Уваходны сігнал магутнасцю 0,05 Вт узмацняецца да 314 Вт з каэфіцыентам узмацнення 38 дБ. Спектр выхадной магутнасці, атрыманы з дапамогай хуткага пераўтварэння Фур'е (FFT), чысты, з пікам на частаце 220 ГГц. На малюнку 22b паказана размеркаванне энергіі электронаў па восях у SWS, прычым большасць электронаў губляюць энергію. Гэты вынік паказвае, што SDV-SWS можа пераўтвараць кінетычную энергію электронаў у радыёчастотныя сігналы, тым самым рэалізуючы ўзмацненне сігналу.
Выхадны сігнал SDV-SWS на частаце 220 ГГц. (a) Выхадная магутнасць з улікам спектру. (b) Размеркаванне энергіі электронаў з электронным пучком у канцы ўстаўкі SWS.
На малюнку 23 паказаны дыяпазон паласы выходнай магутнасці і каэфіцыент узмацнення двухрэжымнага двухпрамянёвага SDV-ЛБВ. Выхадныя характарыстыкі можна яшчэ больш палепшыць, змяніўшы частоты ад 200 да 275 ГГц і аптымізуючы напружанне кіравання. Гэты вынік паказвае, што паласа паласы 3 дБ можа ахопліваць дыяпазон ад 205 да 275 ГГц, што азначае, што двухрэжымная праца можа значна пашырыць рабочую паласу паласы паласы.
Аднак, згодна з мал. 2a, мы ведаем, што паміж няцотнай і цотнай модамі існуе паласа стрымлівання, якая можа прывесці да непажаданых ваганняў. Такім чынам, неабходна вывучыць стабільнасць працы вакол паласы стрымлівання. Малюнкі 24a-c - гэта вынікі мадэлявання 20 нс на частотах 265,3 ГГц, 265,35 ГГц і 265,4 ГГц адпаведна. Можна бачыць, што, нягледзячы на ​​некаторыя ваганні вынікаў мадэлявання, выходная магутнасць адносна стабільная. Спектр таксама паказаны на малюнку 24 адпаведна, спектр чысты. Гэтыя вынікі паказваюць, што няма аўтаваганняў паблізу паласы стрымлівання.
Выраб і вымярэнні неабходныя для праверкі правільнасці ўсёй высокачастотнай сістэмы (HFS). У гэтай частцы HFS вырабляецца з выкарыстаннем тэхналогіі лікавага праграмнага кіравання (ЧПУ) з дыяметрам інструмента 0,1 мм і дакладнасцю апрацоўкі 10 мкм. Матэрыялам для высокачастотнай структуры з'яўляецца бескіслародная высокаправодная (OFHC) медзь. На малюнку 25a паказана вырабленая структура. Уся структура мае даўжыню 66,00 мм, шырыню 20,00 мм і вышыню 8,66 мм. Восем адтулін для штыфтоў размеркаваны па ўсёй структуры. На малюнку 25b паказана структура, атрыманая з дапамогай сканіруючай электроннай мікраскапіі (SEM). Лопасці гэтай структуры выраблены аднастайна і маюць добрую шурпатасць паверхні. Пасля дакладнага вымярэння агульная памылка апрацоўкі складае менш за 5%, а шурпатасць паверхні складае каля 0,4 мкм. Апрацоўваная структура адпавядае патрабаванням да канструкцыі і дакладнасці.
На малюнку 26 паказана параўнанне фактычных вынікаў выпрабаванняў і мадэлявання характарыстык перадачы. Порт 1 і порт 2 на малюнку 26a адпавядаюць уваходнаму і выходнаму портам HFS адпаведна і эквівалентныя порту 1 і порту 4 на малюнку 3. Фактычныя вынікі вымярэнняў S11 крыху лепшыя за вынікі мадэлявання. У той жа час вынікі вымярэнняў S21 крыху горшыя. Прычынай можа быць занадта высокая праводнасць матэрыялу, усталяваная ў мадэляванні, і нізкая шурпатасць паверхні пасля фактычнай апрацоўкі. У цэлым, вынікі вымярэнняў добра адпавядаюць вынікам мадэлявання, а прапускная здольнасць перадачы адпавядае патрабаванням 70 ГГц, што пацвярджае магчымасць і правільнасць прапанаванага двухрэжымнага SDV-LWT. Такім чынам, у спалучэнні з фактычным працэсам вырабу і вынікамі выпрабаванняў, прапанаваная ў гэтай працы ультрашырокапалосная двухпрамянёвая канструкцыя SDV-LWT можа быць выкарыстана для наступнага вырабу і прымянення.
У гэтай працы прадстаўлена падрабязная канструкцыя планарнага размеркавальнага двухпрамянёвага SDV-ЛБВ з частатой 220 ГГц. Спалучэнне двухрэжымнай працы і двухпрамянёвага ўзбуджэння яшчэ больш павялічвае працоўную паласу прапускання і выходную магутнасць. Таксама праводзяцца выраб і халодныя выпрабаванні для праверкі правільнасці ўсёй сістэмы высокага напружання (HFS). Фактычныя вынікі вымярэнняў добра адпавядаюць вынікам мадэлявання. Для распрацаванай двухпрамянёвай энергасістэмы (ЭАС) маскавая секцыя і кіруючыя электроды выкарыстоўваліся разам для стварэння двухалоўкавага прамяня. Ва ўмовах распрацаванага аднастайнага факусуючага магнітнага поля электронны прамень можа стабільна перадавацца на вялікія адлегласці з добрай формай. У будучыні будуць праведзены вытворчасць і выпрабаванні ЭАС, а таксама цеплавыя выпрабаванні ўсёй ЛБВ. Гэтая схема канструкцыі SDV-ЛБВ, прапанаваная ў гэтай працы, цалкам спалучае ў сабе сучасную развітую тэхналогію апрацоўкі плоскасцей і дэманструе вялікі патэнцыял у паказчыках прадукцыйнасці, апрацоўцы і зборцы. Такім чынам, у гэтай працы лічыцца, што планарная структура, хутчэй за ўсё, стане тэндэнцыяй развіцця вакуумных электронных прылад у тэрагерцавым дыяпазоне.
Большая частка неапрацаваных дадзеных і аналітычных мадэляў гэтага даследавання былі ўключаны ў гэты артыкул. Дадатковую адпаведную інфармацыю можна атрымаць у адпаведнага аўтара па разумным запыце.
Гамзіна, Д. і інш. Нанамаштабная апрацоўка субтэрагерцавай вакуумнай электронікі на станках з ЧПУ. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Малекабадзі, А. і Паалоні, К. Мікравытворчасць субтэрагерцавых хваляводаў метадам УФ-LIGA з выкарыстаннем шматслаёвага фотарэзіста SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Дылан, С.С. і інш. 2017. Дарожная карта развіцця ТГц-тэхналогіі. J. ​​Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Шын, Ю.М., Барнет, Л.Р. і Луман, Н.К. Моцнае абмежаванне распаўсюджвання плазмонных хваль праз ультрашырокапалосныя шахматна размешчаныя хвалеводы з падвойнай рашоткай.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Бэйг, А. і інш. Прадукцыйнасць нана-апрацоўванага лямпнага ўзмацняльніка бягучай хвалі 220 ГГц, які працуе на станках з ЧПУ. IEEE Trans. Электронныя прылады. 64, 590–592 (2017).
Хан, Ю. і Руан, К. Дж. Даследаванне дыякотроннай нестабільнасці бясконца шырокіх пластовых электронных пучкоў з выкарыстаннем макраскапічнай тэорыі мадэляў халоднай вадкасці. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Галдэцкі, А.В. аб магчымасці павелічэння прапускной здольнасці шляхам планарнай размяшчэння прамяня ў шматпрамянёвым клістроне. У 12-й Міжнароднай канферэнцыі IEEE па вакуумнай электроніцы, Бангалор, Індыя, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Нгуен, К.Дж. і інш. Распрацоўка трохпрамянёвых электронных гармат з вузкім размеркаваннем плоскасці падзелу прамяня ў двухлопасцевай трубцы бегучай хвалі W-дыяпазону са ступенчатым размяшчэннем [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Ван, П.П., Су, Ю.Ю., Чжан, З., Ван, У.Б. і Руан, К.Дж. Планарная размеркаваная трохпрамянёвая электронна-аптычная сістэма з вузкім падзелам прамянёў для W-дыяпазону фундаментальнай моды ЛБВ. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Чжан, М. Даследаванне двухлопасцевай трубкі бегучай хвалі з ліставымі бэлькамі міліметровага дыяпазону 20-22 (доктарская дысертацыя, Бэйханскі ўніверсітэт, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Даследаванне стабільнасці ўзаемадзеяння прамяня і хвалі двухлопасцевай трубкі бегучай хвалі з перамяжоўваннем у G-дыяпазоне. 2018 43-я Міжнародная канферэнцыя па інфрачырвоных міліметровых і тэрагерцавых хвалях, Нагоя. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).