Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка за CSS. За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да изключите режима на съвместимост в Internet Explorer). Междувременно, за да осигурим непрекъсната поддръжка, ще показваме сайта без стилове и JavaScript.
В тази статия е проектирана и тествана широколентова високомощна преплетена двупластова тръба за бягаща вълна с честота 220 GHz. Първо, е предложена планарна двулъчева, шахматно разположена двупластова бавновълнова структура. Чрез използване на двурежимна схема на работа, производителността на предаване и честотната лента са почти двойно по-високи от тези на еднорежимната. Второ, за да се отговорят на изискванията за висока изходна мощност и да се подобри стабилността на тръбата за бягаща вълна, е проектирана двойна електронна оптична система с форма на молив, като управляващото напрежение е 20~21 kV, а токът е 2 × 80 mA. Цели на проектирането. Чрез използване на маската и управляващия електрод в двулъчевия пистолет, двата лъча тип молив могат да бъдат фокусирани по съответните им центрове с коефициент на компресия 7, фокусното разстояние е около 0,18 mm и стабилността е добра. Равномерната магнитна фокусираща система също е оптимизирана. Стабилното разстояние на предаване на планарния двоен електронен лъч може да достигне 45 mm, а фокусиращото магнитно поле е 0,6 T, което е достатъчно за покриване на цялата високочестотна система (HFS). След това, за да се провери... За да се провери използваемостта на електронно-оптичната система и производителността на бавновълновата структура, бяха проведени и симулации на частици (PIC) върху целия HFS. Резултатите показват, че системата за взаимодействие на лъча може да постигне пикова изходна мощност от близо 310 W при 220 GHz, оптимизираното напрежение на лъча е 20,6 kV, токът на лъча е 2 × 80 mA, коефициентът на усилване е 38 dB, а честотната лента от 3 dB надвишава 35 dB около 70 GHz. Накрая е извършено високопрецизно производство на микроструктура, за да се провери производителността на HFS, и резултатите показват, че честотната лента и характеристиките на предаване са в добро съответствие с резултатите от симулацията. Следователно, предложената в тази статия схема се очаква да разработи високомощни, ултрашироколентови терагерцови радиационни източници с потенциал за бъдещи приложения.
Като традиционно вакуумно електронно устройство, тръбата с пътуваща вълна (TWT) играе незаменима роля в много приложения, като например радари с висока резолюция, сателитни комуникационни системи и космически изследвания1,2,3. Въпреки това, тъй като работната честота навлиза в терагерцовия диапазон, традиционните TWT със свързана резонаторна част и спиралните TWT не са в състояние да отговорят на нуждите на хората поради относително ниската изходна мощност, тясната честотна лента и трудните производствени процеси. Следователно, как да се подобри цялостно производителността на терагерцовия диапазон се превърна в много тревожен въпрос за много научноизследователски институции. През последните години новите бавновълнови структури (SWS), като например шахматно разположени структури с две лопатки (SDV) и структури със сгънати вълноводи (FW), получиха широко внимание поради естествените си планарни структури, особено новите SDV-SWS с обещаващ потенциал. Тази структура е предложена от UC-Davis през 2008 г.4. Планарната структура може лесно да бъде изработена чрез микро-нано техники за обработка, като например компютърно числово управление (CNC) и UV-LIGA, а изцяло металната конструкция на корпуса може да осигури по-голям топлинен капацитет с... по-висока изходна мощност и усилване, а структурата, подобна на вълновод, може да осигури и по-широка работна честотна лента. Понастоящем, през 2017 г., UC Davis демонстрира за първи път, че SDV-TWT може да генерира високомощностни изходи над 100 W и сигнали с честотна лента от близо 14 GHz в G-лентата5. Тези резултати обаче все още имат пропуски, които не могат да отговорят на съответните изисквания за висока мощност и широка честотна лента в терагерцовия диапазон. За SDV-TWT в G-лентата на UC-Davis са използвани листови електронни лъчи. Въпреки че тази схема може значително да подобри токопреносимата способност на лъча, е трудно да се поддържа голямо разстояние на предаване поради нестабилността на електронно-оптичната система на листовия лъч (EOS) и има тунел на лъча в свръхмода, което може също да доведе до саморегулиране на лъча. – Възбуждане и трептене 6,7. За да се отговорят на изискванията за висока изходна мощност, широка честотна лента и добра стабилност на THz TWT, в тази статия се предлага двулъчева SDV-SWS с двурежимна работа. Тоест, за да се увеличи работната честотна лента, в тази структура се предлага и въвежда двурежимна работа. И за да се увеличи изходната мощност, се използва и планарно разпределение на двойни лъчи тип „молив“. Еднолъчевите радиостанции тип „молив“ са относително малки поради вертикалните ограничения на размера. Ако плътността на тока е твърде висока, токът на лъча трябва да се намали, което води до относително ниска изходна мощност. За да се подобри токът на лъча, се появи планарно разпределено многолъчево EOS, което използва страничния размер на SWS. Благодарение на независимото тунелиране на лъча, планарно разпределеното многолъчево устройство може да постигне висока изходна мощност, като поддържа висок общ ток на лъча и малък ток на лъч, което може да избегне тунелиране на лъча в режим на свръхмод в сравнение с устройствата с листови лъчи. Следователно е полезно да се поддържа стабилността на тръбата с бягаща вълна. Въз основа на предишни изследвания8,9, тази статия предлага Двойно фокусиращо се EOS с молив-лъч с равномерно магнитно поле в G-лентовата лента, което може значително да подобри стабилното разстояние на предаване на лъча и допълнително да увеличи площта на взаимодействие на лъча, като по този начин значително подобри изходната мощност.
Структурата на тази статия е следната. Първо, описан е дизайнът на SWS клетката с параметри, анализ на дисперсионните характеристики и резултати от високочестотна симулация. След това, според структурата на елементарната клетка, в тази статия са проектирани двоен молив-лъчев EOS и система за взаимодействие на лъча. Представени са и резултати от вътреклетъчна симулация на частици, за да се провери използваемостта на EOS и производителността на SDV-TWT. Освен това, статията представя накратко резултатите от производството и студените тестове, за да се провери коректността на цялата HFS. Накрая е направено обобщение.
Като един от най-важните компоненти на TWT, дисперсионните свойства на бавновълновата структура показват дали скоростта на електроните съответства на фазовата скорост на SWS и по този начин оказват голямо влияние върху взаимодействието лъч-вълна. За да се подобри производителността на цялата TWT, е проектирана подобрена структура на взаимодействие. Структурата на елементарната клетка е показана на Фигура 1. Като се има предвид нестабилността на листовия лъч и ограничението на мощността на единичния лъч с перо, структурата използва двоен лъч с перо, за да подобри допълнително изходната мощност и стабилността на работа. Междувременно, за да се увеличи работната честотна лента, е предложен двоен режим за работа на SWS. Поради симетрията на SDV структурата, решението на уравнението за дисперсия на електромагнитното поле може да бъде разделено на четни и нечетни режими. В същото време, фундаменталният нечетен режим на нискочестотната лента и фундаменталният четен режим на високочестотната лента се използват за реализиране на широколентова синхронизация на взаимодействието на лъча, като по този начин допълнително се подобрява работната честотна лента.
Съгласно изискванията за захранване, цялата тръба е проектирана с управляващо напрежение 20 kV и двоен лъчев ток 2 × 80 mA. За да се съобразим напрежението възможно най-близо с работната честотна лента на SDV-SWS, трябва да изчислим дължината на периода p. Връзката между лъчевото напрежение и периода е показана в уравнение (1)10:
Чрез задаване на фазовото изместване на 2,5π при централната честота от 220 GHz, периодът p може да се изчисли на 0,46 mm. Фигура 2a показва дисперсионните свойства на елементарната клетка на SWS. Лъчевата линия от 20 kV съвпада много добре с бимодалната крива. Съвпадащите честотни ленти могат да достигнат около 70 GHz в диапазоните 210–265,3 GHz (нечетен режим) и 265,4–280 GHz (четен режим). Фигура 2b показва средния импеданс на свързване, който е по-голям от 0,6 Ω от 210 до 290 GHz, което показва, че в работната честотна лента могат да възникнат силни взаимодействия.
(а) Дисперсионни характеристики на двумодов SDV-SWS с електронна лъчева линия 20 kV. (б) Взаимодействащ импеданс на бавновълновата верига на SDV.
Важно е обаче да се отбележи, че има забранена зона между нечетните и четните модове и ние обикновено наричаме тази забранена зона стоп-лента, както е показано на Фигура 2а. Ако TWT работи близо до тази честотна лента, може да възникне силна сила на свързване на лъча, което ще доведе до нежелани трептения. В практически приложения обикновено избягваме използването на TWT близо до стоп-лентата. Вижда се обаче, че забранената зона на тази бавновълнова структура е само 0,1 GHz. Трудно е да се определи дали тази малка забранена зона причинява трептения. Следователно, стабилността на работата около стоп-лентата ще бъде изследвана в следващия раздел за PIC симулация, за да се анализира дали могат да възникнат нежелани трептения.
Моделът на целия HFS е показан на Фигура 3. Той се състои от два етапа на SDV-SWS, свързани чрез Bragg-ови рефлектори. Функцията на рефлектора е да прекъсне предаването на сигнала между двата етапа, да потисне трептенето и отражението на неработещи модове, като например модове от висок порядък, генерирани между горните и долните лопатки, като по този начин значително подобри стабилността на цялата тръба. За свързване с външната среда се използва и линеен коничен съединител за свързване на SWS към стандартен вълновод WR-4. Коефициентът на предаване на двустепенната структура се измерва чрез решаващ инструмент във времева област в софтуера за 3D симулация. Като се има предвид действителният ефект на терагерцовата лента върху материала, материалът на вакуумната обвивка първоначално е зададен на мед, а проводимостта е намалена до 2,25×107 S/m12.
Фигура 4 показва резултатите от предаването за HFS със и без линейни конусовидни съединители. Резултатите показват, че съединителят има малък ефект върху предавателните характеристики на целия HFS. Загубата на отражение (S11 < −10 dB) и загубата на вмъкване (S21 > −5 dB) на цялата система в широколентовия диапазон 207~280 GHz показват, че HFS има добри предавателни характеристики.
Като захранващ източник на вакуумни електронни устройства, електронната пушка директно определя дали устройството може да генерира достатъчна изходна мощност. В комбинация с анализа на HFS в Раздел II, трябва да се проектира двулъчева EOS, която да осигурява достатъчна мощност. В тази част, въз основа на предишна работа в W-band8,9, е проектирана двойна моливна електронна пушка, използваща планарна маска и управляващи електроди. Първо, съгласно проектните изисквания на SWS в Раздел. Както е показано на Фиг. 2, задвижващото напрежение Ua на електронните лъчи първоначално е зададено на 20 kV, токовете I на двата електронни лъча са 80 mA, а диаметърът на лъча dw на електронните лъчи е 0,13 mm. В същото време, за да се гарантира, че може да се постигне плътността на тока на електронния лъч и катода, коефициентът на компресия на електронния лъч е зададен на 7, така че плътността на тока на електронния лъч е 603 A/cm2, а плътността на тока на катода е 86 A/cm2, което може да се постигне чрез... Това се постига с помощта на нови катодни материали. Съгласно теорията на проектиране 14, 15, 16, 17, типична електронна пушка на Пиърс може да бъде еднозначно идентифицирана.
Фигура 5 показва съответно хоризонталната и вертикалната схема на електронното оръдие. Вижда се, че профилът на електронното оръдие в посока x е почти идентичен с този на типично листообразно електронно оръдие, докато в посока y двата електронни лъча са частично разделени от маската. Позициите на двата катода са съответно x = –0,155 mm, y = 0 mm и x = 0,155 mm, y = 0 mm. Съгласно проектните изисквания за степен на компресия и размер на инжектиране на електрони, размерите на двете катодни повърхности са определени на 0,91 mm × 0,13 mm.
За да се направи фокусираното електрическо поле, приемано от всеки електронен лъч в x-посока, симетрично спрямо собствения му център, в тази статия се прилага управляващ електрод към електронната пушка. Чрез задаване на напрежението на фокусиращия електрод и управляващия електрод на −20 kV и напрежението на анода на 0 V, можем да получим разпределението на траекторията на двулъчевата пушка, както е показано на Фиг. 6. Може да се види, че емитираните електрони имат добра свиваемост в y-посока и всеки електронен лъч се сближава към x-посока по собствения си център на симетрия, което показва, че управляващият електрод балансира неравномерното електрическо поле, генерирано от фокусиращия електрод.
Фигура 7 показва обвивката на лъча в посоките x и y. Резултатите показват, че разстоянието на проекция на електронния лъч в посока x е различно от това в посока y. Разстоянието на проекция в посока x е около 4 mm, а разстоянието на проекция в посока y е близо до 7 mm. Следователно, действителното разстояние на проекция трябва да се избере между 4 и 7 mm. Фигура 8 показва напречното сечение на електронния лъч на 4,6 mm от повърхността на катода. Виждаме, че формата на напречното сечение е най-близка до стандартен кръгъл електронен лъч. Разстоянието между двата електронни лъча е близо до проектираните 0,31 mm, а радиусът е около 0,13 mm, което отговаря на проектните изисквания. Фигура 9 показва резултатите от симулацията на тока на лъча. Вижда се, че двата тока на лъча са 76 mA, което е в добро съответствие с проектираните 80 mA.
Като се имат предвид колебанията на задвижващото напрежение в практическите приложения, е необходимо да се проучи чувствителността на този модел към напрежение. В диапазона на напрежение от 19,8 ~ 20,6 kV се получават обвивките на тока и тока на лъча, както е показано на Фигура 1 и Фигура 1.10 и 11. От резултатите може да се види, че промяната на задвижващото напрежение няма ефект върху обвивката на електронния лъч, а токът на електронния лъч се променя само от 0,74 до 0,78 A. Следователно може да се счита, че електронната пушка, проектирана в тази статия, има добра чувствителност към напрежение.
Влиянието на флуктуациите на задвижващото напрежение върху обвивките на лъча в посока x и y.
Еднородното магнитно фокусиращо поле е често срещана система за фокусиране с постоянен магнит. Поради еднородното разпределение на магнитното поле в целия канал на лъча, то е много подходящо за осесиметрични електронни лъчи. В този раздел е предложена еднородна магнитна фокусираща система за поддържане на предаването на двойни моливни лъчи на дълги разстояния. Чрез анализ на генерираното магнитно поле и обвивката на лъча е предложена схема на проектиране на фокусиращата система и е изследван проблемът с чувствителността. Съгласно теорията за стабилно предаване на единичен моливни лъч18,19, стойността на магнитното поле на Брилюен може да се изчисли чрез уравнение (2). В тази статия ние също използваме тази еквивалентност, за да оценим магнитното поле на странично разпределен двоен моливни лъч. В комбинация с електронния пистолет, проектиран в тази статия, изчислената стойност на магнитното поле е около 4000 Gs. Според Ref. 20, в практическите проекти обикновено се избира 1,5-2 пъти изчислената стойност.
Фигура 12 показва структурата на система за фокусиране с равномерно магнитно поле. Синята част е постоянният магнит, намагнитен в аксиална посока. Изборът на материал е NdFeB или FeCoNi. Остатъчната магнитна напрегнатост Br, зададена в симулационния модел, е 1,3 T, а пропускливостта е 1,05. За да се осигури стабилно предаване на лъча в цялата верига, дължината на магнита първоначално е зададена на 70 mm. Освен това, размерът на магнита в посока x определя дали напречното магнитно поле в канала на лъча е равномерно, което изисква размерът в посока x да не може да бъде твърде малък. В същото време, като се има предвид цената и теглото на цялата тръба, размерът на магнита не трябва да бъде твърде голям. Следователно, магнитите първоначално са зададени на 150 mm × 150 mm × 70 mm. Междувременно, за да се гарантира, че цялата верига с бавни вълни може да бъде поставена във фокусиращата система, разстоянието между магнитите е зададено на 20 mm.
През 2015 г. Пурна Чандра Панда21 предложи полюсен накрайник с нов стъпаловиден отвор в равномерна магнитна фокусираща система, което може допълнително да намали величината на изтичане на магнитен поток към катода и напречното магнитно поле, генерирано в отвора на полюсния накрайник. В тази статия добавяме стъпаловидна структура към полюсния накрайник на фокусиращата система. Дебелината на полюсния накрайник първоначално е зададена на 1,5 мм, височината и ширината на трите стъпала са 0,5 мм, а разстоянието между отворите на полюсния накрайник е 2 мм, както е показано на Фигура 13.
Фигура 14а показва аксиалното разпределение на магнитното поле по централните линии на двата електронни лъча. Вижда се, че силите на магнитното поле по двата електронни лъча са равни. Стойността на магнитното поле е около 6000 Gs, което е 1,5 пъти теоретичното поле на Брилюен, за да се увеличи пропускането и фокусирането. В същото време магнитното поле на катода е почти 0, което показва, че полюсният накрайник има добър ефект върху предотвратяването на изтичане на магнитен поток. Фигура 14b показва напречното разпределение на магнитното поле By в посока z в горния ръб на двата електронни лъча. Вижда се, че напречното магнитно поле е по-малко от 200 Gs само в отвора на полюсния накрайник, докато в бавновълновата верига напречното магнитно поле е почти нулево, което доказва, че влиянието на напречното магнитно поле върху електронния лъч е незначително. За да се предотврати магнитното насищане на полюсните накрайници, е необходимо да се изследва силата на магнитното поле вътре в полюсните накрайници. Фигура 14c показва абсолютната стойност на разпределението на магнитното поле вътре в полюсния накрайник. Вижда се, че абсолютната стойност на силата на магнитното поле е по-малко от 1,2 T, което показва, че магнитното насищане на полюсния накрайник няма да настъпи.
Разпределение на силата на магнитното поле за Br = 1,3 T. (a) Аксиално разпределение на полето. (b) Странично разпределение на полето By в посока z. (c) Абсолютна стойност на разпределението на полето в полюсния накрайник.
Въз основа на CST PS модула, аксиалното относително положение на двулъчевия пистолет и фокусиращата система е оптимизирано. Според Ref. 9 и симулации, оптималното местоположение е там, където анодната част се припокрива с полюсната част, далеч от магнита. Установено е обаче, че ако остатъчната магнитна индукция е зададена на 1,3 T, пропускливостта на електронния лъч не може да достигне 99%. Чрез увеличаване на остатъчната магнитна индукция до 1,4 T, фокусиращото магнитно поле ще се увеличи до 6500 Gs. Траекториите на лъча в равнините xoz и yoz са показани на Фигура 15. Вижда се, че лъчът има добро пропускане, малки колебания и разстояние на пропускане по-голямо от 45 mm.
Траектории на двойни моливни лъчи под хомогенна магнитна система с Br = 1.4 T. (a) равнина xoz. (b) летателен апарат yoz.
Фигура 16 показва напречното сечение на лъча в различни позиции, отдалечени от катода. Вижда се, че формата на сечението на лъча във фокусиращата система е добре запазена и диаметърът на сечението не се променя много. Фигура 17 показва обвивките на лъча съответно в посоките x и y. Вижда се, че флуктуацията на лъча в двете посоки е много малка. Фигура 18 показва резултатите от симулацията на тока на лъча. Резултатите показват, че токът е около 2 × 80 mA, което е в съответствие с изчислената стойност в конструкцията на електронната пушка.
Напречно сечение на електронния лъч (с фокусираща система) на различни позиции, далеч от катода.
Като се имат предвид редица проблеми, като грешки при сглобяване, колебания на напрежението и промени в силата на магнитното поле в практически приложения за обработка, е необходимо да се анализира чувствителността на фокусиращата система. Тъй като при реална обработка има разстояние между анодния накрайник и полюсния накрайник, това разстояние трябва да се зададе в симулацията. Стойността на разстоянието е зададена на 0,2 mm и Фигура 19a показва обвивката на лъча и тока на лъча в посока y. Този резултат показва, че промяната в обвивката на лъча не е значителна и токът на лъча почти не се променя. Следователно, системата е нечувствителна към грешки при сглобяване. За колебанията на управляващото напрежение диапазонът на грешките е зададен на ±0,5 kV. Фигура 19b показва резултатите от сравнението. Вижда се, че промяната на напрежението има малък ефект върху обвивката на лъча. Диапазонът на грешките е зададен от -0,02 до +0,03 T за промени в силата на магнитното поле. Резултатите от сравнението са показани на Фигура 20. Вижда се, че обвивката на лъча почти не се променя, което означава, че целият EOS е нечувствителен към промени в силата на магнитното поле.
Резултати за обвивката на лъча и тока при равномерна магнитна фокусираща система. (a) Толерансът на сглобяване е 0,2 mm. (b) Колебанието на управляващото напрежение е ±0,5 kV.
Обвивка на лъча при равномерна магнитна фокусираща система с аксиални флуктуации на магнитното поле в диапазона от 0,63 до 0,68 T.
За да се гарантира, че фокусиращата система, проектирана в тази статия, може да съответства на HFS, е необходимо да се комбинират фокусиращата система и HFS за изследване. Фигура 21 показва сравнение на обвивките на лъча със и без зареден HFS. Резултатите показват, че обвивката на лъча не се променя много, когато целият HFS е зареден. Следователно, фокусиращата система е подходяща за HFS с тръба за бягаща вълна от горния дизайн.
За да се провери коректността на предложения в Раздел III EOS и да се изследва производителността на 220 GHz SDV-TWT, е извършена 3D-PIC симулация на взаимодействието лъч-вълна. Поради ограниченията на симулационния софтуер, не успяхме да добавим целия EOS към HFS. Следователно, електронната пушка беше заменена с еквивалентна излъчваща повърхност с диаметър 0,13 mm и разстояние между двете повърхности 0,31 mm, същите параметри като на електронната пушка, проектирана по-горе. Поради нечувствителността и добрата стабилност на EOS, задвижващото напрежение може да бъде правилно оптимизирано, за да се постигне най-добра изходна мощност в PIC симулацията. Резултатите от симулацията показват, че наситената изходна мощност и усилване могат да бъдат получени при задвижващо напрежение 20,6 kV, лъчев ток 2 × 80 mA (603 A/cm2) и входна мощност 0,05 W.
За да се получи най-добрият изходен сигнал, е необходимо да се оптимизира и броят на циклите. Най-добрата изходна мощност се получава, когато броят на двата етапа е 42 + 48 цикъла, както е показано на Фигура 22a. Входен сигнал от 0,05 W се усилва до 314 W с коефициент на усилване от 38 dB. Спектърът на изходната мощност, получен чрез бързо преобразуване на Фурие (FFT), е чист, с пик при 220 GHz. Фигура 22b показва аксиалното разпределение на енергията на електроните в SWS, като повечето електрони губят енергия. Този резултат показва, че SDV-SWS може да преобразува кинетичната енергия на електроните в радиочестотни сигнали, като по този начин реализира усилване на сигнала.
Изходен сигнал на SDV-SWS при 220 GHz. (a) Изходна мощност с включен спектър. (b) Енергийно разпределение на електроните с електронния лъч в края на вложката на SWS.
Фигура 23 показва честотната лента на изходната мощност и усилването на двумодов двулъчев SDV-TWT. Изходните характеристики могат да бъдат допълнително подобрени чрез промяна на честотите от 200 до 275 GHz и оптимизиране на захранващото напрежение. Този резултат показва, че честотната лента от 3 dB може да покрие от 205 до 275 GHz, което означава, че работата в двурежим може значително да разшири работната честотна лента.
Въпреки това, според Фиг. 2а, знаем, че има зона на спиране между нечетните и четните модове, което може да доведе до нежелани трептения. Следователно, стабилността на работата около зоните на спиране трябва да се проучи. Фигури 24а-в са резултатите от 20 ns симулация съответно при 265,3 GHz, 265,35 GHz и 265,4 GHz. Може да се види, че въпреки че резултатите от симулацията имат някои флуктуации, изходната мощност е относително стабилна. Спектърът е показан също на Фигура 24 съответно, като спектърът е чист. Тези резултати показват, че няма самоколебания в близост до зоната на спиране.
Изработката и измерванията са необходими, за да се провери коректността на целия HFS. В тази част HFS е изработен с помощта на технология за компютърно числово управление (CNC) с диаметър на инструмента 0,1 мм и точност на обработка 10 μm. Материалът за високочестотната структура е осигурен от безкислородна високопроводима (OFHC) мед. Фигура 25a показва изработената структура. Цялата структура е с дължина 66,00 мм, ширина 20,00 мм и височина 8,66 мм. Осем отвора за щифтове са разпределени по цялата структура. Фигура 25b показва структурата чрез сканираща електронна микроскопия (SEM). Лопатките на тази структура са равномерно произведени и имат добра грапавост на повърхността. След прецизно измерване общата грешка при обработката е по-малка от 5%, а грапавостта на повърхността е около 0,4 μm. Структурата на обработката отговаря на изискванията за дизайн и прецизност.
Фигура 26 показва сравнението между действителните резултати от тестовете и симулациите на предавателната производителност. Порт 1 и Порт 2 на Фигура 26a съответстват съответно на входните и изходните портове на HFS и са еквивалентни на Порт 1 и Порт 4 на Фигура 3. Действителните резултати от измерванията на S11 са малко по-добри от резултатите от симулацията. В същото време, измерените резултати на S21 са малко по-лоши. Причината може да е, че проводимостта на материала, зададена в симулацията, е твърде висока и грапавостта на повърхността след действителната обработка е лоша. Като цяло, измерените резултати са в добро съответствие с резултатите от симулацията, а честотната лента на предаване отговаря на изискването от 70 GHz, което потвърждава осъществимостта и коректността на предложения двурежимен SDV-TWT. Следователно, в комбинация с действителния производствен процес и резултатите от тестовете, предложената в тази статия ултрашироколентова двулъчева SDV-TWT конструкция може да се използва за последващо производство и приложения.
В тази статия е представен подробен проект на планарна разпределителна 220 GHz двулъчева SDV-TWT. Комбинацията от двоен режим на работа и двулъчево възбуждане допълнително увеличава работната честотна лента и изходната мощност. Извършени са също така производство и студено изпитване, за да се провери коректността на целия HFS. Действителните резултати от измерванията са в добро съответствие с резултатите от симулацията. За проектираната двулъчева EOS, маска и контролни електроди са използвани заедно за създаване на двумоливов лъч. При проектираното равномерно фокусиращо магнитно поле, електронният лъч може да се предава стабилно на дълги разстояния с добра форма. В бъдеще ще се извършва производство и изпитване на EOS, както и термично изпитване на цялата TWT. Тази схема за проектиране на SDV-TWT, предложена в тази статия, напълно комбинира настоящата зряла технология за обработка на равнини и показва голям потенциал в показателите за производителност, обработката и сглобяването. Следователно, тази статия смята, че планарната структура е най-вероятно да се превърне в тенденция за развитие на вакуумни електронни устройства в терагерцовия диапазон.
Повечето от суровите данни и аналитичните модели в това проучване са включени в тази статия. Допълнителна релевантна информация може да бъде получена от съответния автор при разумно искане.
Гамзина, Д. и др. Наномащабна CNC обработка на субтерахерцова вакуумна електроника. IEEE Trans. Електронни устройства. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. и Paoloni, C. UV-LIGA микропроизводство на субтерахерцови вълноводи с помощта на многослоен SU-8 фоторезист. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 Пътна карта за THz технология. 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 Силно ограничаване на разпространението на плазмонни вълни чрез ултрашироколентови, шахматно разположени вълноводи с двойна решетка.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Производителност на нано CNC обработен 220-GHz тръбен усилвател. IEEE Trans. electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Изследване на диокотроновата нестабилност на безкрайно широки листови електронни лъчи с помощта на макроскопска теория на студения флуид. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Галдецки, А.В. относно възможността за увеличаване на честотната лента чрез планарно разположение на лъча в многолъчев клистрон. В 12-та Международна конференция на IEEE по вакуумна електроника, Бангалор, Индия, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Проектиране на трилъчеви електронни оръдия с тясно разпределение на равнината на разделяне на лъча в W-лентова тръба с двойно острие и стъпаловидно разположена движеща се вълна [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 Планарна разпределена трилъчева електронно-оптична система с тясно разделяне на лъчите за W-диапазонна фундаментална TWT. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Жан, М. Изследване на преплетена двулопаткова тръба с пътуваща вълна с милиметрови вълнови листови греди 20-22 (доктор, Университет Бейханг, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Изследване на стабилността на взаимодействието лъч-вълна на G-лентова преплетена двулопаткова тръба за пътуващи вълни. 2018 43-та Международна конференция за инфрачервени милиметрови и терагерцови вълни, Нагоя. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).