Gràcies per visitar Nature.com. La versió del navegador que esteu utilitzant té compatibilitat limitada amb CSS. Per a una millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o que desactiveu el mode de compatibilitat a l'Internet Explorer). Mentrestant, per garantir una assistència continuada, mostrarem el lloc web sense estils ni JavaScript.
En aquest article, es dissenya i verifica un tub d'ona viatgera de doble fulla entrellaçada d'alta potència i banda ampla de 220 GHz. Primer, es proposa una estructura d'ona lenta de doble feix esglaonat planar. Mitjançant un esquema de funcionament de mode dual, el rendiment de transmissió i l'ample de banda són gairebé el doble que el monomode. En segon lloc, per tal de complir els requisits d'alta potència de sortida i millorar l'estabilitat del tub d'ona viatgera, es dissenya un sistema òptic electrònic en forma de doble llapis, la tensió d'accionament és de 20 ~ 21 kV i el corrent és de 2 × 80 mA. Objectius de disseny. Mitjançant l'ús de la part de màscara i l'elèctrode de control al canó de doble feix, els dos feixos de llapis es poden enfocar al llarg dels seus respectius centres amb una relació de compressió de 7, la distància d'enfocament és d'uns 0,18 mm i l'estabilitat és bona. També s'ha optimitzat el sistema d'enfocament magnètic uniforme. La distància de transmissió estable del feix d'electrons doble planar pot arribar als 45 mm i el camp magnètic d'enfocament és de 0,6 T, que és suficient per cobrir tot el sistema d'alta freqüència (HFS). A continuació, per verificar el Avaluant la usabilitat del sistema electron-òptic i el rendiment de l'estructura d'ona lenta, també es van realitzar simulacions de cel·les de partícules (PIC) a tot el HFS. Els resultats mostren que el sistema d'interacció de feix pot aconseguir una potència de sortida màxima de gairebé 310 W a 220 GHz, la tensió de feix optimitzada és de 20,6 kV, el corrent de feix és de 2 × 80 mA, el guany és de 38 dB i l'amplada de banda de 3 dB supera els 35 dB al voltant de 70 GHz. Finalment, es realitza una fabricació de microestructures d'alta precisió per verificar el rendiment del HFS, i els resultats mostren que les característiques d'amplada de banda i transmissió coincideixen amb els resultats de la simulació. Per tant, s'espera que l'esquema proposat en aquest article desenvolupi fonts de radiació de banda ultra ampla de terahertz d'alta potència amb potencial per a futures aplicacions.
Com a dispositiu electrònic de buit tradicional, el tub d'ona viatgera (TWT) juga un paper irreemplaçable en moltes aplicacions com ara el radar d'alta resolució, els sistemes de comunicació per satèl·lit i l'exploració espacial1,2,3. Tanmateix, a mesura que la freqüència de funcionament entra a la banda de terahertz, el TWT tradicional de cavitat acoblada i el TWT helicoïdal no han pogut satisfer les necessitats de les persones a causa de la potència de sortida relativament baixa, l'ample de banda estret i els processos de fabricació difícils. Per tant, com millorar completament el rendiment de la banda de THz s'ha convertit en un tema molt preocupant per a moltes institucions de recerca científica. En els darrers anys, les noves estructures d'ona lenta (SWS), com ara les estructures de doble fulla esglaonada (SDV) i les estructures de guia d'ona plegada (FW), han rebut una àmplia atenció a causa de les seves estructures planars naturals, especialment els nous SDV-SWS amb un potencial prometedor. Aquesta estructura va ser proposada per la UC-Davis el 20084. L'estructura planar es pot fabricar fàcilment mitjançant tècniques de micro-nanoprocessament com ara el control numèric per ordinador (CNC) i UV-LIGA, l'estructura del paquet totalment metàl·lic pot proporcionar una major capacitat tèrmica amb més alt potència i guany de sortida, i l'estructura semblant a una guia d'ones també pot proporcionar un ample de banda de treball més ampli. Actualment, la UC Davis va demostrar per primera vegada el 2017 que l'SDV-TWT pot generar sortides d'alta potència superiors a 100 W i senyals d'ample de banda de gairebé 14 GHz a la banda G5. Tanmateix, aquests resultats encara tenen llacunes que no poden complir els requisits relacionats d'alta potència i ample de banda ampli a la banda de terahertz. Per a l'SDV-TWT de banda G de la UC Davis, s'han utilitzat feixos d'electrons de làmines. Tot i que aquest esquema pot millorar significativament la capacitat de càrrega de corrent del feix, és difícil mantenir una llarga distància de transmissió a causa de la inestabilitat del sistema òptic d'electrons del feix de làmines (EOS), i hi ha un túnel de feix de sobremode, que també pot fer que el feix s'autoreguli. – Excitació i oscil·lació 6,7. Per tal de complir els requisits d'alta potència de sortida, amplada de banda àmplia i bona estabilitat de la TWT de THz, en aquest article es proposa un SDV-SWS de doble feix amb funcionament de mode dual. És a dir, per augmentar l'ample de banda operatiu, es proposa i s'introdueix el funcionament de mode dual en aquesta estructura. I, per augmentar la potència de sortida, també s'utilitza una distribució planar de feixos de doble llapis. Els ràdios de feix de llapis únic són relativament petits a causa de les restriccions de mida vertical. Si la densitat de corrent és massa alta, s'ha de reduir el corrent del feix, donant lloc a una potència de sortida relativament baixa. Per millorar el corrent del feix, ha sorgit l'EOS multifeix distribuït planar, que explota la mida lateral de l'SWS. A causa de la tunelització del feix independent, el multifeix distribuït planar pot aconseguir una alta potència de sortida mantenint un corrent total de feix elevat i un petit corrent per feix, cosa que pot evitar la tunelització del feix de sobremode en comparació amb els dispositius de feix de làmina. Per tant, és beneficiós mantenir l'estabilitat del tub d'ona viatgera. Sobre la base de treballs anteriors8,9, aquest article proposa un camp magnètic uniforme de banda G. EOS de doble feix de llapis enfocat, que pot millorar considerablement la distància de transmissió estable del feix i augmentar encara més l'àrea d'interacció del feix, millorant així considerablement la potència de sortida.
L'estructura d'aquest article és la següent. Primer, es descriu el disseny de la cel·la SWS amb paràmetres, anàlisi de les característiques de dispersió i resultats de la simulació d'alta freqüència. A continuació, segons l'estructura de la cel·la unitat, en aquest article es dissenyen un sistema EOS de doble feix de llapis i un sistema d'interacció de feix. També es presenten els resultats de la simulació de partícules intracel·lulars per verificar la usabilitat de l'EOS i el rendiment de l'SDV-TWT. A més, l'article presenta breument els resultats de la fabricació i les proves en fred per verificar la correcció de tot el HFS. Finalment, es fa un resum.
Com un dels components més importants del TWT, les propietats dispersives de l'estructura d'ona lenta indiquen si la velocitat dels electrons coincideix amb la velocitat de fase del SWS i, per tant, té una gran influència en la interacció ona-feix. Per millorar el rendiment de tot el TWT, s'ha dissenyat una estructura d'interacció millorada. L'estructura de la cel·la unitària es mostra a la Figura 1. Tenint en compte la inestabilitat del feix de làmina i la limitació de potència del feix de ploma única, l'estructura adopta un feix de doble ploma per millorar encara més la potència de sortida i l'estabilitat de funcionament. Mentrestant, per augmentar l'ample de banda de treball, s'ha proposat un mode dual per al funcionament del SWS. A causa de la simetria de l'estructura SDV, la solució de l'equació de dispersió del camp electromagnètic es pot dividir en modes parell i senar. Al mateix temps, el mode senar fonamental de la banda de baixa freqüència i el mode parell fonamental de la banda d'alta freqüència s'utilitzen per aconseguir la sincronització de banda ampla de la interacció del feix, millorant així encara més l'ample de banda de treball.
Segons els requisits de potència, tot el tub està dissenyat amb una tensió d'accionament de 20 kV i un corrent de doble feix de 2 × 80 mA. Per tal que la tensió coincideixi el més possible amb l'amplada de banda operativa de l'SDV-SWS, cal calcular la longitud del període p. La relació entre la tensió del feix i el període es mostra a l'equació (1)10:
Si s'estableix el canvi de fase a 2,5π a la freqüència central de 220 GHz, es pot calcular que el període p és de 0,46 mm. La figura 2a mostra les propietats de dispersió de la cel·la unitària SWS. La línia de llum de 20 kV coincideix molt bé amb la corba bimodal. Les bandes de freqüència coincidents poden arribar a uns 70 GHz en els rangs de 210–265,3 GHz (mode senar) i 265,4–280 GHz (mode parell). La figura 2b mostra la impedància d'acoblament mitjana, que és superior a 0,6 Ω de 210 a 290 GHz, cosa que indica que es poden produir interaccions fortes a l'amplada de banda operativa.
(a) Característiques de dispersió d'un SDV-SWS de mode dual amb una línia de llum d'electrons de 20 kV. (b) Impedància d'interacció del circuit d'ona lenta SDV.
Tanmateix, és important tenir en compte que hi ha un interval de banda entre els modes parell i senar, i normalment ens referim a aquest interval de banda com a banda d'aturada, com es mostra a la Figura 2a. Si el TWT funciona a prop d'aquesta banda de freqüència, es pot produir una forta força d'acoblament del feix, que provocarà oscil·lacions no desitjades. En aplicacions pràctiques, generalment evitem utilitzar TWT a prop de la banda d'aturada. Tanmateix, es pot veure que l'interval de banda d'aquesta estructura d'ona lenta és de només 0,1 GHz. És difícil determinar si aquest petit interval de banda provoca oscil·lacions. Per tant, l'estabilitat del funcionament al voltant de la banda d'aturada s'investigarà a la següent secció de simulació PIC per analitzar si es poden produir oscil·lacions no desitjades.
El model de tot el HFS es mostra a la Figura 3. Consta de dues etapes de SDV-SWS, connectades per reflectors de Bragg. La funció del reflector és tallar la transmissió del senyal entre les dues etapes, suprimir l'oscil·lació i la reflexió dels modes que no funcionen, com ara els modes d'ordre alt generats entre les pales superior i inferior, millorant així considerablement l'estabilitat de tot el tub. Per a la connexió amb l'entorn extern, també s'utilitza un acoblador cònic lineal per connectar el SWS a una guia d'ones estàndard WR-4. El coeficient de transmissió de l'estructura de dos nivells es mesura mitjançant un solucionador de domini temporal al programari de simulació 3D. Tenint en compte l'efecte real de la banda de terahertz sobre el material, el material de l'embolcall de buit s'estableix inicialment en coure i la conductivitat es redueix a 2,25 × 107 S/m12.
La figura 4 mostra els resultats de transmissió per a HFS amb i sense acobladors cònics lineals. Els resultats mostren que l'acoblador té poc efecte sobre el rendiment de transmissió de tot el HFS. La pèrdua de retorn (S11 < −10 dB) i la pèrdua d'inserció (S21 > −5 dB) de tot el sistema en la banda ampla de 207~280 GHz mostren que el HFS té bones característiques de transmissió.
Com a font d'alimentació dels dispositius electrònics de buit, el canó d'electrons determina directament si el dispositiu pot generar prou potència de sortida. Combinat amb l'anàlisi de HFS a la Secció II, cal dissenyar un EOS de doble feix per proporcionar prou potència. En aquesta part, basant-se en treballs anteriors a la banda W8,9, es dissenya un canó d'electrons de doble llapis utilitzant una part de màscara plana i elèctrodes de control. Primer, segons els requisits de disseny de SWS a la Secció. Com es mostra a la FIG. 2, la tensió d'accionament Ua dels feixos d'electrons s'estableix inicialment a 20 kV, els corrents I dels dos feixos d'electrons són de 80 mA i el diàmetre del feix dw dels feixos d'electrons és de 0,13 mm. Al mateix temps, per tal de garantir que es pugui aconseguir la densitat de corrent del feix d'electrons i del càtode, la relació de compressió del feix d'electrons s'estableix a 7, de manera que la densitat de corrent del feix d'electrons és de 603 A/cm2 i la densitat de corrent del càtode és de 86 A/cm2, cosa que es pot aconseguir mitjançant l'ús de nous materials de càtode. Segons la teoria de disseny 14, 15, 16, 17, es pot identificar de manera única un canó d'electrons Pierce típic.
La figura 5 mostra els diagrames esquemàtics horitzontal i vertical del canó, respectivament. Es pot veure que el perfil del canó d'electrons en la direcció x és gairebé idèntic al d'un canó d'electrons típic en forma de làmina, mentre que en la direcció y els dos feixos d'electrons estan parcialment separats per la màscara. Les posicions dels dos càtodes són a x = –0,155 mm, y = 0 mm i x = 0,155 mm, y = 0 mm, respectivament. D'acord amb els requisits de disseny de la relació de compressió i la mida d'injecció d'electrons, les dimensions de les dues superfícies del càtode es determinen com a 0,91 mm × 0,13 mm.
Per tal de fer que el camp elèctric enfocat rebut per cada feix d'electrons en la direcció x sigui simètric respecte al seu propi centre, aquest article aplica un elèctrode de control al canó d'electrons. En establir el voltatge de l'elèctrode d'enfocament i l'elèctrode de control a −20 kV, i el voltatge de l'ànode a 0 V, podem obtenir la distribució de la trajectòria del canó de doble feix, tal com es mostra a la figura 6. Es pot veure que els electrons emesos tenen una bona compressibilitat en la direcció y, i cada feix d'electrons convergeix cap a la direcció x al llarg del seu propi centre de simetria, cosa que indica que l'elèctrode de control equilibra el camp elèctric desigual generat per l'elèctrode d'enfocament.
La figura 7 mostra l'envolupant del feix en les direccions x i y. Els resultats mostren que la distància de projecció del feix d'electrons en la direcció x és diferent de la de la direcció y. La distància de projecció en la direcció x és d'uns 4 mm i la distància de projecció en la direcció y és propera als 7 mm. Per tant, la distància de projecció real s'ha de triar entre 4 i 7 mm. La figura 8 mostra la secció transversal del feix d'electrons a 4,6 mm de la superfície del càtode. Podem veure que la forma de la secció transversal és la més propera a un feix d'electrons circular estàndard. La distància entre els dos feixos d'electrons és propera als 0,31 mm dissenyats i el radi és d'uns 0,13 mm, cosa que compleix els requisits de disseny. La figura 9 mostra els resultats de la simulació del corrent del feix. Es pot veure que els dos corrents del feix són de 76 mA, cosa que concorda amb els 80 mA dissenyats.
Tenint en compte la fluctuació de la tensió d'accionament en aplicacions pràctiques, cal estudiar la sensibilitat a la tensió d'aquest model. En el rang de tensió de 19,8 ~ 20,6 kV, s'obtenen les envolvents de corrent i corrent de feix, tal com es mostra a la Figura 1 i a la Figura 1.10 i 11. A partir dels resultats, es pot veure que el canvi de tensió d'accionament no té cap efecte sobre l'envolvent del feix d'electrons, i el corrent del feix d'electrons només canvia de 0,74 a 0,78 A. Per tant, es pot considerar que el canó d'electrons dissenyat en aquest article té una bona sensibilitat a la tensió.
L'efecte de les fluctuacions de la tensió de conducció sobre les envolupants del feix en les direccions x i y.
Un camp d'enfocament magnètic uniforme és un sistema d'enfocament d'imants permanents comú. A causa de la distribució uniforme del camp magnètic al llarg del canal del feix, és molt adequat per a feixos d'electrons axisimètrics. En aquesta secció, es proposa un sistema d'enfocament magnètic uniforme per mantenir la transmissió a llarga distància de feixos de doble llapis. Analitzant el camp magnètic generat i l'envoltant del feix, es proposa l'esquema de disseny del sistema d'enfocament i s'estudia el problema de sensibilitat. Segons la teoria de transmissió estable d'un sol feix de llapis18,19, el valor del camp magnètic de Brillouin es pot calcular mitjançant l'equació (2). En aquest article, també utilitzem aquesta equivalència per estimar el camp magnètic d'un feix de doble llapis distribuït lateralment. Combinat amb el canó d'electrons dissenyat en aquest article, el valor del camp magnètic calculat és d'uns 4000 Gs. Segons la Ref. 20, en dissenys pràctics se sol triar 1,5-2 vegades el valor calculat.
La figura 12 mostra l'estructura d'un sistema de camp d'enfocament de camp magnètic uniforme. La part blava és l'imant permanent magnetitzat en la direcció axial. La selecció del material és NdFeB o FeCoNi. La remanència Br establerta en el model de simulació és d'1,3 T i la permeabilitat és d'1,05. Per tal de garantir la transmissió estable del feix en tot el circuit, la longitud de l'imant s'estableix inicialment en 70 mm. A més, la mida de l'imant en la direcció x determina si el camp magnètic transversal al canal del feix és uniforme, cosa que requereix que la mida en la direcció x no pugui ser massa petita. Al mateix temps, tenint en compte el cost i el pes de tot el tub, la mida de l'imant no ha de ser massa gran. Per tant, els imants s'estableixen inicialment en 150 mm × 150 mm × 70 mm. Mentrestant, per garantir que tot el circuit d'ona lenta es pugui col·locar al sistema d'enfocament, la distància entre els imants s'estableix en 20 mm.
El 2015, Purna Chandra Panda21 va proposar una peça polar amb un nou forat esglaonat en un sistema d'enfocament magnètic uniforme, que pot reduir encara més la magnitud de la fuita de flux al càtode i el camp magnètic transversal generat al forat de la peça polar. En aquest article, afegim una estructura esglaonada a la peça polar del sistema d'enfocament. El gruix de la peça polar s'estableix inicialment en 1,5 mm, l'alçada i l'amplada dels tres esglaons són de 0,5 mm i la distància entre els forats de la peça polar és de 2 mm, com es mostra a la Figura 13.
La figura 14a mostra la distribució axial del camp magnètic al llarg de les línies centrals dels dos feixos d'electrons. Es pot veure que les forces del camp magnètic al llarg dels dos feixos d'electrons són iguals. El valor del camp magnètic és d'uns 6000 Gs, que és 1,5 vegades el camp teòric de Brillouin per augmentar el rendiment de transmissió i enfocament. Al mateix temps, el camp magnètic al càtode és gairebé 0, cosa que indica que la peça polar té un bon efecte per prevenir les fuites de flux magnètic. La figura 14b mostra la distribució transversal del camp magnètic By en la direcció z a la vora superior dels dos feixos d'electrons. Es pot veure que el camp magnètic transversal és inferior a 200 Gs només al forat de la peça polar, mentre que en el circuit d'ona lenta, el camp magnètic transversal és gairebé zero, cosa que demostra que la influència del camp magnètic transversal sobre el feix d'electrons és insignificant. Per evitar la saturació magnètica de les peces polars, cal estudiar la intensitat del camp magnètic dins de les peces polars. La figura 14c mostra el valor absolut de la distribució del camp magnètic dins de la peça polar. Es pot veure que el valor absolut de la intensitat del camp magnètic és menys d'1,2 T, cosa que indica que no es produirà la saturació magnètica de la peça polar.
Distribució de la intensitat del camp magnètic per a Br = 1,3 T. (a) Distribució axial del camp. (b) Distribució lateral del camp By en la direcció z. (c) Valor absolut de la distribució del camp dins de la peça polar.
Basant-se en el mòdul CST PS, la posició relativa axial del canó de doble feix i el sistema d'enfocament està optimitzada. Segons la referència 9 i les simulacions, la ubicació òptima és on la peça de l'ànode se superposa a la peça polar lluny de l'imant. Tanmateix, es va trobar que si la remanència s'establia a 1,3 T, la transmitància del feix d'electrons no podia arribar al 99%. En augmentar la remanència a 1,4 T, el camp magnètic d'enfocament augmentarà a 6500 Gs. Les trajectòries del feix als plans xoz i yoz es mostren a la figura 15. Es pot veure que el feix té una bona transmissió, una petita fluctuació i una distància de transmissió superior a 45 mm.
Trajectòries de feixos de doble llapis sota un sistema magnètic homogeni amb Br = 1,4 T. (a) pla xoz. (b) aeronaus yoz.
La figura 16 mostra la secció transversal del feix en diferents posicions allunyades del càtode. Es pot veure que la forma de la secció del feix en el sistema d'enfocament es manté bé i el diàmetre de la secció no canvia gaire. La figura 17 mostra les envolvents del feix en les direccions x i y, respectivament. Es pot veure que la fluctuació del feix en ambdues direccions és molt petita. La figura 18 mostra els resultats de la simulació del corrent del feix. Els resultats mostren que el corrent és d'uns 2 × 80 mA, cosa que és coherent amb el valor calculat en el disseny del canó d'electrons.
Secció transversal del feix d'electrons (amb sistema d'enfocament) en diferents posicions allunyades del càtode.
Tenint en compte una sèrie de problemes com ara errors de muntatge, fluctuacions de voltatge i canvis en la intensitat del camp magnètic en aplicacions de processament pràctiques, cal analitzar la sensibilitat del sistema d'enfocament. Com que hi ha un espai entre la peça ànode i la peça polar en el processament real, cal establir aquest espai a la simulació. El valor del espai es va establir a 0,2 mm i la Figura 19a mostra l'envolupant del feix i el corrent del feix en la direcció y. Aquest resultat mostra que el canvi en l'envolupant del feix no és significatiu i el corrent del feix gairebé no canvia. Per tant, el sistema és insensible als errors de muntatge. Per a la fluctuació de la tensió d'accionament, el rang d'error s'estableix a ±0,5 kV. La Figura 19b mostra els resultats de la comparació. Es pot veure que el canvi de voltatge té poc efecte sobre l'envolupant del feix. El rang d'error s'estableix de -0,02 a +0,03 T per als canvis en la intensitat del camp magnètic. Els resultats de la comparació es mostren a la Figura 20. Es pot veure que l'envolupant del feix gairebé no canvia, cosa que significa que tot l'EOS és insensible als canvis en la intensitat del camp magnètic.
Envolvent del feix i resultats de corrent sota un sistema d'enfocament magnètic uniforme. (a) La tolerància de muntatge és de 0,2 mm. (b) La fluctuació de la tensió d'accionament és de ±0,5 kV.
Envoltant del feix sota un sistema d'enfocament magnètic uniforme amb fluctuacions de la intensitat del camp magnètic axial que oscil·len entre 0,63 i 0,68 T.
Per tal de garantir que el sistema d'enfocament dissenyat en aquest article pugui coincidir amb el HFS, cal combinar el sistema d'enfocament i el HFS per a la recerca. La figura 21 mostra una comparació de les envolvents del feix amb i sense HFS carregat. Els resultats mostren que l'envolvent del feix no canvia gaire quan es carrega tot el HFS. Per tant, el sistema d'enfocament és adequat per al tub d'ona viatgera HFS del disseny anterior.
Per verificar la correcció de l'EOS proposat a la Secció III i investigar el rendiment del SDV-TWT de 220 GHz, es realitza una simulació 3D-PIC de la interacció ona-feix. A causa de les limitacions del programari de simulació, no vam poder afegir tot l'EOS a HFS. Per tant, el canó d'electrons es va substituir per una superfície emissora equivalent amb un diàmetre de 0,13 mm i una distància entre les dues superfícies de 0,31 mm, els mateixos paràmetres que el canó d'electrons dissenyat anteriorment. A causa de la insensibilitat i la bona estabilitat de l'EOS, la tensió de conducció es pot optimitzar correctament per aconseguir la millor potència de sortida a la simulació PIC. Els resultats de la simulació mostren que la potència de sortida saturada i el guany es poden obtenir a una tensió de conducció de 20,6 kV, un corrent de feix de 2 × 80 mA (603 A/cm2) i una potència d'entrada de 0,05 W.
Per obtenir el millor senyal de sortida, també cal optimitzar el nombre de cicles. La millor potència de sortida s'obté quan el nombre de dues etapes és de 42 + 48 cicles, com es mostra a la Figura 22a. Un senyal d'entrada de 0,05 W s'amplifica a 314 W amb un guany de 38 dB. L'espectre de potència de sortida obtingut per Transformada Ràpida de Fourier (FFT) és pur, amb un màxim de 220 GHz. La Figura 22b mostra la distribució de posició axial de l'energia dels electrons al SWS, amb la majoria dels electrons perdent energia. Aquest resultat indica que l'SDV-SWS pot convertir l'energia cinètica dels electrons en senyals de RF, aconseguint així l'amplificació del senyal.
Senyal de sortida SDV-SWS a 220 GHz. (a) Potència de sortida amb espectre inclòs. (b) Distribució d'energia dels electrons amb el feix d'electrons al final de la inserció SWS.
La figura 23 mostra l'amplada de banda de potència de sortida i el guany d'un SDV-TWT de doble feix de mode dual. El rendiment de sortida es pot millorar encara més mitjançant l'escombrat de freqüències de 200 a 275 GHz i l'optimització del voltatge d'accionament. Aquest resultat mostra que l'amplada de banda de 3 dB pot cobrir de 205 a 275 GHz, cosa que significa que el funcionament en mode dual pot ampliar considerablement l'amplada de banda operativa.
Tanmateix, segons la figura 2a, sabem que hi ha una banda d'aturada entre els modes parell i senar, que pot provocar oscil·lacions no desitjades. Per tant, cal estudiar l'estabilitat del treball al voltant de les aturades. Les figures 24a-c són els resultats de la simulació de 20 ns a 265,3 GHz, 265,35 GHz i 265,4 GHz, respectivament. Es pot veure que, tot i que els resultats de la simulació tenen algunes fluctuacions, la potència de sortida és relativament estable. L'espectre també es mostra a la figura 24 respectivament, l'espectre és pur. Aquests resultats indiquen que no hi ha autooscil·lació prop de la banda d'aturada.
La fabricació i el mesurament són necessaris per verificar la correcció de tot el HFS. En aquesta part, el HFS es fabrica mitjançant tecnologia de control numèric per ordinador (CNC) amb un diàmetre d'eina de 0,1 mm i una precisió de mecanitzat de 10 μm. El material per a l'estructura d'alta freqüència és coure d'alta conductivitat sense oxigen (OFHC). La figura 25a mostra l'estructura fabricada. Tota l'estructura té una longitud de 66,00 mm, una amplada de 20,00 mm i una alçada de 8,66 mm. Vuit forats de passador es distribueixen al voltant de l'estructura. La figura 25b mostra l'estructura mitjançant microscòpia electrònica de rastreig (SEM). Les fulles d'aquesta estructura es produeixen uniformement i tenen una bona rugositat superficial. Després d'un mesurament precís, l'error de mecanitzat global és inferior al 5% i la rugositat superficial és d'uns 0,4 μm. L'estructura de mecanitzat compleix els requisits de disseny i precisió.
La figura 26 mostra la comparació entre els resultats reals de les proves i les simulacions del rendiment de transmissió. El port 1 i el port 2 de la figura 26a corresponen als ports d'entrada i sortida del HFS, respectivament, i són equivalents al port 1 i al port 4 de la figura 3. Els resultats reals de les mesures de l'S11 són lleugerament millors que els resultats de la simulació. Al mateix temps, els resultats mesurats de l'S21 són lleugerament pitjors. El motiu pot ser que la conductivitat del material establerta a la simulació és massa alta i la rugositat de la superfície després del mecanitzat real és deficient. En general, els resultats mesurats coincideixen amb els resultats de la simulació, i l'ample de banda de transmissió compleix el requisit de 70 GHz, cosa que verifica la viabilitat i la correcció del SDV-TWT de mode dual proposat. Per tant, combinat amb el procés de fabricació real i els resultats de les proves, el disseny SDV-TWT de doble feix de banda ultra ampla proposat en aquest article es pot utilitzar per a posteriors fabricació i aplicacions.
En aquest article, es presenta un disseny detallat d'un SDV-TWT de doble feix de distribució planar de 220 GHz. La combinació del funcionament de doble mode i l'excitació de doble feix augmenta encara més l'ample de banda operatiu i la potència de sortida. També es duen a terme la fabricació i la prova en fred per verificar la correcció de tot el HFS. Els resultats reals de la mesura coincideixen amb els resultats de la simulació. Per a l'EOS de dos feixs dissenyat, s'han utilitzat junts una secció de màscara i elèctrodes de control per produir un feix de dos llapis. Sota el camp magnètic d'enfocament uniforme dissenyat, el feix d'electrons es pot transmetre de manera estable a llargues distàncies amb bona forma. En el futur, es durà a terme la producció i les proves de l'EOS, i també es durà a terme la prova tèrmica de tot el TWT. Aquest esquema de disseny SDV-TWT proposat en aquest article combina completament la tecnologia de processament pla madura actual i mostra un gran potencial en indicadors de rendiment i processament i muntatge. Per tant, aquest article creu que l'estructura planar és més probable que es converteixi en la tendència de desenvolupament dels dispositius electrònics de buit a la banda de terahertz.
La majoria de les dades en brut i els models analítics d'aquest estudi s'han inclòs en aquest article. Es pot obtenir més informació rellevant de l'autor corresponent si es sol·licita de manera raonable.
Gamzina, D. et al. Mecanitzat CNC a nanoescala d'electrònica de buit a subterahertz. IEEE Trans.electronic Devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. i Paoloni, C. Microfabricació UV-LIGA de guies d'ones de subterahertz utilitzant fotorresina multicapa SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. Full de ruta tecnològica de 2017 THz. J. Physics. D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR i Luhmann, NC Fort confinament de la propagació d'ones plasmòniques mitjançant guies d'ones de doble xarxa esglaonades de banda ultra ampla.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Rendiment d'un amplificador de tubs d'ona viatgera de 220 GHz mecanitzat per nano CNC. IEEE Trans.electronic Devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. i Ruan, CJ. Investigació de la inestabilitat diocotrònica de feixos d'electrons de làmines infinitament amples mitjançant la teoria macroscòpica de models de fluids freds. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV sobre l'oportunitat d'augmentar l'amplada de banda mitjançant la disposició planar del feix en un clistró multifeix. A la 12a Conferència Internacional IEEE sobre Electrònica del Buit, Bangalore, Índia, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Disseny de canons d'electrons de tres feixs amb distribució de pla de divisió de feix estret en un tub d'ona viatgera de doble fulla esglaonada en banda W [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB i Ruan, CJ Sistema òptic d'electrons de tres feixs distribuïts planars amb separació de feix estreta per a TWT de mode fonamental de banda W. IEEE Trans.electronic devices. 68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Recerca sobre tubs d'ona viatgera de doble fulla entrellaçats amb feixos de làmines d'ona mil·limètrica 20-22 (Doctorat, Universitat de Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. i He, Y. Estudi sobre l'estabilitat de la interacció ona-feix d'un tub d'ona viatgera de doble fulla entrellaçada en banda G. 43a Conferència Internacional de 2018 sobre Ones Infraroges Mil·limètriques i de Terahertz, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).