Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta para sa CSS. Para sa pinakamaayong kasinatian, among girekomendar nga mogamit ka og updated nga browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Samtang, aron masiguro ang padayon nga suporta, among ipakita ang site nga walay mga style ug JavaScript.
Niini nga papel, usa ka 220GHz broadband high-power interleaved double-blade traveling wave tube ang gidisenyo ug gipamatud-an. Una, usa ka planar double-beam staggered double-blade slow-wave structure ang gisugyot. Pinaagi sa paggamit sa dual-mode operation scheme, ang transmission performance ug bandwidth halos doble sa single-mode. Ikaduha, aron matubag ang mga kinahanglanon sa taas nga output power ug mapaayo ang kalig-on sa traveling wave tube, usa ka double pencil-shaped electronic optical system ang gidisenyo, ang driving voltage kay 20~21 kV, ug ang current kay 2 × 80 mA. Mga tumong sa disenyo. Pinaagi sa paggamit sa mask part ug control electrode sa double beam gun, ang duha ka pencil beam mahimong i-focus sa ilang tagsa-tagsa ka sentro nga adunay compression ratio nga 7, ang focusing distance kay mga 0.18mm, ug ang kalig-on maayo. Ang uniform magnetic focusing system gi-optimize usab. Ang stable transmission distance sa planar double electron beam mahimong moabot sa 45 mm, ug ang focusing magnetic field kay 0.6 T, nga igo aron matabonan ang tibuok high frequency system (HFS). Dayon, aron Aron mapamatud-an ang kasayon ​​sa paggamit sa electron-optical system ug ang performance sa slow-wave structure, gihimo usab ang particle cell (PIC) simulations sa tibuok HFS. Ang mga resulta nagpakita nga ang beam-interaction system makab-ot ang peak output power nga hapit 310 W sa 220 GHz, ang optimized beam voltage kay 20.6 kV, ang beam current kay 2 × 80 mA, ang gain kay 38 dB, ug ang 3-dB bandwidth molapas sa 35 dB mga 70 GHz. Sa katapusan, gihimo ang high-precision microstructure fabrication aron mapamatud-an ang performance sa HFS, ug ang mga resulta nagpakita nga ang bandwidth ug transmission characteristics nahiuyon sa mga resulta sa simulation. Busa, ang scheme nga gisugyot niini nga papel gilauman nga makapalambo sa high-power, ultra-broadband terahertz-band radiation sources nga adunay potensyal alang sa umaabot nga mga aplikasyon.
Isip usa ka tradisyonal nga vacuum electronic device, ang traveling wave tube (TWT) adunay dili mapulihan nga papel sa daghang mga aplikasyon sama sa high-resolution radar, satellite communication systems, ug space exploration1,2,3. Bisan pa, samtang ang operating frequency mosulod sa terahertz band, ang tradisyonal nga coupled-cavity TWT ug helical TWT wala makatubag sa mga panginahanglan sa mga tawo tungod sa medyo ubos nga output power, pig-ot nga bandwidth, ug lisud nga mga proseso sa paggama. Busa, kung giunsa ang komprehensibo nga pagpauswag sa performance sa THz band nahimong usa ka gikabalak-an nga isyu alang sa daghang mga institusyon sa panukiduki sa siyensya. Sa bag-ohay nga mga tuig, ang mga nobela nga slow-wave structures (SWSs), sama sa staggered dual-blade (SDV) structures ug folded waveguide (FW) structures, nakadawat og daghang atensyon tungod sa ilang natural nga planar structures, labi na ang nobela nga SDV-SWSs nga adunay maayong potensyal. Kini nga istruktura gisugyot sa UC-Davis kaniadtong 20084. Ang planar structure dali nga mahimo gamit ang mga teknik sa pagproseso sa micro-nano sama sa computer numerical control (CNC) ug UV-LIGA, ang all-metal package structure makahatag og mas dako nga thermal capacity nga adunay mas taas nga output power. ug gain, ug ang istruktura nga sama sa waveguide makahatag usab og mas lapad nga working bandwidth. Sa pagkakaron, gipakita sa UC Davis sa unang higayon niadtong 2017 nga ang SDV-TWT makamugna og high-power outputs nga sobra sa 100 W ug hapit 14 GHz bandwidth signals sa G-band5. Bisan pa, kini nga mga resulta adunay gihapon mga kakulangan nga dili makatubag sa mga kinahanglanon sa high power ug lapad nga bandwidth sa terahertz band. Alang sa G-band SDV-TWT sa UC-Davis, gigamit ang mga sheet electron beam. Bisan kung kini nga pamaagi makapauswag pag-ayo sa kapasidad sa pagdala sa karon nga beam, lisud ang pagpadayon sa taas nga distansya sa transmission tungod sa kawalay kalig-on sa sheet beam electron optical system (EOS), ug adunay over-mode beam tunnel, nga mahimo usab nga hinungdan sa beam nga mag-regulate sa kaugalingon. – Excitation ug oscillation 6,7. Aron matuman ang mga kinahanglanon sa taas nga output power, lapad nga bandwidth ug maayong kalig-on sa THz TWT, usa ka dual-beam SDV-SWS nga adunay dual-mode operation ang gisugyot niini nga papel. Kana mao, aron madugangan ang operating bandwidth, ang dual-mode operation gisugyot ug gipaila niini nga istruktura. Ug, aron madugangan ang output power, usa ka planar distribution sa double pencil beams ang gigamit usab. Ang single pencil beam radios medyo gamay tungod sa vertical size constraints. Kung ang current density taas kaayo, ang beam current kinahanglan nga pakunhuran, nga moresulta sa medyo ubos nga output power. Aron mapaayo ang beam current, mitumaw ang planar distributed multibeam EOS, nga naggamit sa lateral size sa SWS. Tungod sa independent beam tunneling, ang planar distributed multi-beam makab-ot ang taas nga output power pinaagi sa pagmintinar sa taas nga total beam current ug gamay nga current kada beam, nga makalikay sa overmode beam tunneling kon itandi sa sheet-beam devices. Busa, mapuslanon ang pagmintinar sa kalig-on sa traveling wave tube. Base sa miaging trabaho 8,9, Kini nga papel nagsugyot og usa ka G-band uniform magnetic field nga nag-focus sa double pencil beam EOS, nga makapauswag pag-ayo sa lig-on nga transmission distance sa beam ug dugang nga makadugang sa beam interaction area, sa ingon makapauswag pag-ayo sa output power.
Ang istruktura niini nga papel mao ang mosunod. Una, gihulagway ang disenyo sa SWS cell nga adunay mga parameter, pag-analisar sa mga kinaiya sa dispersion ug mga resulta sa high frequency simulation. Dayon, sumala sa istruktura sa unit cell, usa ka double pencil beam EOS ug beam interaction system ang gidisenyo niini nga papel. Ang mga resulta sa intracellular particle simulation gipresentar usab aron mapamatud-an ang pagkagamit sa EOS ug ang performance sa SDV-TWT. Dugang pa, ang papel mubo nga nagpresentar sa mga resulta sa fabrication ug cold test aron mapamatud-an ang katukma sa tibuok HFS. Sa katapusan paghimo og summary.
Isip usa sa pinakaimportanteng sangkap sa TWT, ang dispersive properties sa slow-wave structure nagpakita kung ang electron velocity motakdo ba sa phase velocity sa SWS, ug busa adunay dakong impluwensya sa beam-wave interaction. Aron mapaayo ang performance sa tibuok TWT, usa ka gipauswag nga interaction structure ang gidisenyo. Ang istruktura sa unit cell gipakita sa Figure 1. Tungod sa kawalay kalig-on sa sheet beam ug sa limitasyon sa gahum sa single pen beam, ang istruktura naggamit og double pen beam aron mapaayo pa ang output power ug operation stability. Samtang, aron madugangan ang working bandwidth, usa ka dual mode ang gisugyot aron magamit ang SWS. Tungod sa symmetry sa SDV structure, ang solusyon sa electromagnetic field dispersion equation mahimong bahinon sa odd ug even modes. Sa samang higayon, ang fundamental odd mode sa low frequency band ug ang fundamental even mode sa high frequency band gigamit aron matuman ang broadband synchronization sa beam interaction, sa ingon mapaayo pa ang working bandwidth.
Subay sa mga kinahanglanon sa kuryente, ang tibuok tubo gidisenyo nga adunay boltahe sa pagmaneho nga 20 kV ug doble nga beam current nga 2 × 80 mA. Aron maparehas ang boltahe kutob sa mahimo sa operating bandwidth sa SDV-SWS, kinahanglan natong kuwentahon ang gitas-on sa panahon nga p. Ang relasyon tali sa boltahe sa beam ug panahon gipakita sa equation (1)10:
Pinaagi sa pag-set sa phase shift ngadto sa 2.5π sa center frequency nga 220 GHz, ang period p mahimong makalkulo nga 0.46 mm. Gipakita sa Figure 2a ang mga dispersion properties sa SWS unit cell. Ang 20 kV beamline mohaom pag-ayo sa bimodal curve. Ang matching frequency bands mahimong moabot sa mga 70 GHz sa 210–265.3 GHz (odd mode) ug 265.4–280 GHz (even mode) ranges. Gipakita sa Figure 2b ang average coupling impedance, nga mas dako kay sa 0.6 Ω gikan sa 210 ngadto sa 290 GHz, nga nagpakita nga ang kusog nga interaksyon mahimong mahitabo sa operating bandwidth.
(a) Mga kinaiya sa pagkatibulaag sa usa ka dual-mode SDV-SWS nga adunay 20 kV electron beamline.(b) Interaction impedance sa SDV slow-wave circuit.
Apan, importante nga matikdan nga adunay band gap tali sa odd ug even modes, ug kasagaran natong gitawag kini nga band gap nga stop band, sama sa gipakita sa Figure 2a. Kon ang TWT gipadagan duol niini nga frequency band, mahimong mahitabo ang kusog nga beam coupling strength, nga mosangpot sa dili gusto nga mga oscillations. Sa praktikal nga mga aplikasyon, kasagaran natong likayan ang paggamit sa TWT duol sa stopband. Apan, makita nga ang band gap niining slow-wave structure kay 0.1 GHz lang. Lisod mahibal-an kon kining gamay nga band gap hinungdan ba sa mga oscillations. Busa, ang kalig-on sa operasyon palibot sa stop band imbestigahan sa mosunod nga PIC simulation section aron analisahon kon ang dili gusto nga mga oscillations mahimong mahitabo.
Ang modelo sa tibuok HFS gipakita sa Figure 3. Kini gilangkoban sa duha ka yugto sa SDV-SWS, nga konektado sa mga Bragg reflector. Ang gimbuhaton sa reflector mao ang pagputol sa signal transmission tali sa duha ka yugto, pagpugong sa oscillation ug reflection sa mga non-working mode sama sa high-order modes nga namugna tali sa ibabaw ug ubos nga mga blades, sa ingon nagpauswag pag-ayo sa kalig-on sa tibuok tubo. Alang sa koneksyon sa gawas nga palibot, usa ka linear tapered coupler ang gigamit usab aron ikonektar ang SWS sa usa ka WR-4 standard waveguide. Ang transmission coefficient sa two-level structure gisukod sa usa ka time domain solver sa 3D simulation software. Gikonsiderar ang aktuwal nga epekto sa terahertz band sa materyal, ang materyal sa vacuum envelope sa sinugdanan gibutang sa tumbaga, ug ang conductivity gipakunhod ngadto sa 2.25 × 107 S/m12.
Ang Figure 4 nagpakita sa mga resulta sa transmission para sa HFS nga adunay ug walay linear tapered couplers. Ang mga resulta nagpakita nga ang coupler adunay gamay nga epekto sa performance sa transmission sa tibuok HFS. Ang return loss (S11 < − 10 dB) ug insertion loss (S21 > − 5 dB) sa tibuok sistema sa 207~280 GHz broadband nagpakita nga ang HFS adunay maayong mga kinaiya sa transmission.
Isip suplay sa kuryente sa mga vacuum electronic device, ang electron gun direktang nagtino kung ang device makamugna ba og igong output power. Inubanan sa pag-analisa sa HFS sa Seksyon II, usa ka dual-beam EOS ang kinahanglan nga idisenyo aron makahatag og igong gahum. Niini nga bahin, base sa miaging trabaho sa W-band8,9, usa ka double pencil electron gun ang gidisenyo gamit ang planar mask part ug control electrodes. Una, sumala sa mga kinahanglanon sa disenyo sa SWS sa Seksyon. Sama sa gipakita sa FIG. 2, ang driving voltage nga Ua sa mga electron beam sa sinugdanan gitakda sa 20 kV, ang currents I sa duha ka electron beam parehong 80 mA, ug ang beam diameter nga dw sa mga electron beam kay 0.13 mm. Sa samang higayon, aron masiguro nga makab-ot ang current density sa electron beam ug cathode, ang compression ratio sa electron beam gitakda sa 7, busa ang current density sa electron beam kay 603 A/cm2, ug ang current density sa cathode kay 86 A/cm2, nga makab-ot pinaagi sa. Kini makab-ot gamit ang bag-ong mga materyales sa cathode. Sumala sa design theory 14, 15, 16, 17, ang usa ka tipikal nga Pierce electron gun mahimong mailhan nga talagsaon.
Ang Figure 5 nagpakita sa pinahigda ug bertikal nga eskematiko nga mga diagram sa pusil, matag usa. Makita nga ang profile sa electron gun sa x-direction halos parehas sa usa ka tipikal nga sheet-like electron gun, samtang sa y-direction ang duha ka electron beam partially nga gibulag sa mask. Ang mga posisyon sa duha ka cathode anaa sa x = – 0.155 mm, y = 0 mm ug x = 0.155 mm, y = 0 mm, matag usa. Sumala sa mga kinahanglanon sa disenyo sa compression ratio ug gidak-on sa electron injection, ang mga dimensyon sa duha ka cathode surface gitino nga 0.91 mm × 0.13 mm.
Aron mahimong simetriko ang naka-focus nga electric field nga nadawat sa matag electron beam sa x-direction libot sa kaugalingon niining sentro, kini nga papel naggamit og control electrode sa electron gun. Pinaagi sa pagtakda sa boltahe sa focusing electrode ug sa control electrode ngadto sa −20 kV, ug ang boltahe sa anode ngadto sa 0 V, atong makuha ang trajectory distribution sa dual beam gun, sama sa gipakita sa Fig. 6. Makita nga ang mga gipagawas nga electron adunay maayong compressibility sa y-direction, ug ang matag electron beam nagtagbo padulong sa x-direction subay sa kaugalingon niining sentro sa symmetry, nga nagpakita nga ang control electrode nagbalanse sa dili patas nga electric field nga namugna sa focusing electrode.
Ang Figure 7 nagpakita sa beam envelope sa x ug y nga direksyon. Ang mga resulta nagpakita nga ang projection distance sa electron beam sa x-direction lahi sa y-direction. Ang throw distance sa x direction mga 4mm, ug ang throw distance sa y direction duol sa 7mm. Busa, ang aktuwal nga throw distance kinahanglan pilion tali sa 4 ug 7 mm. Ang Figure 8 nagpakita sa cross-section sa electron beam sa 4.6 mm gikan sa cathode surface. Makita nato nga ang porma sa cross section mao ang pinakaduol sa standard circular electron beam. Ang distansya tali sa duha ka electron beam duol sa gidisenyo nga 0.31 mm, ug ang radius mga 0.13 mm, nga nakab-ot ang mga kinahanglanon sa disenyo. Ang Figure 9 nagpakita sa mga resulta sa simulation sa beam current. Makita nga ang duha ka beam currents kay 76mA, nga nahiuyon sa gidisenyo nga 80mA.
Tungod sa pag-usab-usab sa boltahe sa pagmaneho sa praktikal nga mga aplikasyon, gikinahanglan nga tun-an ang pagkasensitibo sa boltahe niini nga modelo. Sa han-ay sa boltahe nga 19.8 ~ 20.6 kV, nakuha ang mga sobre sa karon ug beam current, sama sa gipakita sa Figure 1 ug Figure 1.10 ug 11. Gikan sa mga resulta, makita nga ang pagbag-o sa boltahe sa pagmaneho walay epekto sa sobre sa electron beam, ug ang karon sa electron beam mausab lamang gikan sa 0.74 ngadto sa 0.78 A. Busa, mahimong isipon nga ang electron gun nga gidisenyo niini nga papel adunay maayong pagkasensitibo sa boltahe.
Ang epekto sa pag-usab-usab sa boltahe sa x- ug y-direction beam envelopes.
Ang uniporme nga magnetic focusing field usa ka komon nga permanenteng magnet focusing system. Tungod sa uniporme nga magnetic field distribution sa tibuok beam channel, kini angay kaayo alang sa axisymmetric electron beams. Niini nga seksyon, usa ka uniporme nga magnetic focusing system alang sa pagmintinar sa long-distance transmission sa double pencil beams ang gisugyot. Pinaagi sa pag-analisar sa namugna nga magnetic field ug beam envelope, ang design scheme sa focusing system gisugyot, ug ang sensitivity problem gitun-an. Sumala sa stable transmission theory sa usa ka single pencil beam18,19, ang Brillouin magnetic field value mahimong makalkulo pinaagi sa equation (2). Niini nga papel, gigamit usab namo kini nga equivalence aron mabanabana ang magnetic field sa usa ka laterally distributed double pencil beam. Inubanan sa electron gun nga gidisenyo niini nga papel, ang gikalkulo nga magnetic field value mga 4000 Gs. Sumala sa Ref. 20, 1.5-2 ka pilo sa gikalkulo nga value ang kasagarang gipili sa praktikal nga mga disenyo.
Ang Figure 12 nagpakita sa istruktura sa usa ka uniporme nga magnetic field focusing field system. Ang asul nga bahin mao ang permanenteng magnet nga gi-magnetize sa axial direction. Ang materyal nga gipili mao ang NdFeB o FeCoNi. Ang remanence Br nga gibutang sa simulation model kay 1.3 T ug ang permeability kay 1.05. Aron masiguro ang lig-on nga transmission sa beam sa tibuok circuit, ang gitas-on sa magnet sa sinugdanan gitakda sa 70 mm. Dugang pa, ang gidak-on sa magnet sa x direction ang nagtino kung ang transverse magnetic field sa beam channel kay uniporme, nga nagkinahanglan nga ang gidak-on sa x direction dili mahimong gamay ra kaayo. Sa samang higayon, gikonsiderar ang gasto ug ang gibug-aton sa tibuok tube, ang gidak-on sa magnet dili angay nga dako kaayo. Busa, ang mga magnet sa sinugdanan gitakda sa 150 mm × 150 mm × 70 mm. Samtang, aron masiguro nga ang tibuok slow-wave circuit mahimong ibutang sa focusing system, ang distansya tali sa mga magnet gitakda sa 20mm.
Niadtong 2015, si Purna Chandra Panda21 nagsugyot og usa ka pole piece nga adunay bag-ong stepped hole sa usa ka uniform magnetic focusing system, nga makapamenos pa sa gidak-on sa flux leakage ngadto sa cathode ug sa transverse magnetic field nga namugna sa pole piece hole. Niini nga papel, among gidugang ang usa ka stepped structure sa pole piece sa focusing system. Ang gibag-on sa pole piece sa sinugdanan gitakda sa 1.5mm, ang gitas-on ug gilapdon sa tulo ka steps kay 0.5mm, ug ang gilay-on tali sa mga pole piece hole kay 2mm, sama sa gipakita sa Figure 13.
Ang Figure 14a nagpakita sa axial magnetic field distribution ubay sa centerlines sa duha ka electron beams. Makita nga ang magnetic field forces ubay sa duha ka electron beams parehas. Ang magnetic field value kay mga 6000 Gs, nga 1.5 ka pilo sa theoretical Brillouin field aron madugangan ang transmission ug focusing performance. Sa samang higayon, ang magnetic field sa cathode halos 0, nga nagpakita nga ang pole piece adunay maayong epekto sa pagpugong sa magnetic flux leakage. Ang Figure 14b nagpakita sa transverse magnetic field distribution By sa z direction sa ibabaw nga ngilit sa duha ka electron beams. Makita nga ang transverse magnetic field ubos sa 200 Gs sa pole piece hole lang, samtang sa slow-wave circuit, ang transverse magnetic field halos zero, nga nagpamatuod nga ang impluwensya sa transverse magnetic field sa electron beam gamay ra. Aron malikayan ang magnetic saturation sa pole pieces, kinahanglan nga tun-an ang magnetic field strength sulod sa pole pieces. Ang Figure 14c nagpakita sa absolute value sa magnetic field distribution sulod sa pole piece. Makita nga ang absolute value sa magnetic field ang kusog ubos sa 1.2T, nga nagpakita nga ang magnetic saturation sa piraso sa poste dili mahitabo.
Distribusyon sa kusog sa magnetic field para sa Br = 1.3 T.(a) Distribusyon sa axial field.(b) Distribusyon sa lateral field By sa direksyon nga z.(c) Absolute value sa distribusyon sa field sulod sa pole piece.
Base sa CST PS module, ang axial relative position sa dual beam gun ug sa focusing system na-optimize. Sumala sa Ref. 9 ug mga simulation, ang labing maayong lokasyon mao ang dapit diin ang anode piece nagsapaw sa pole piece palayo sa magnet. Apan, nakita nga kon ang remanence gibutang sa 1.3T, ang transmittance sa electron beam dili makaabot sa 99%. Pinaagi sa pagdugang sa remanence ngadto sa 1.4 T, ang focusing magnetic field motaas ngadto sa 6500 Gs. Ang beam trajectories sa xoz ug yoz planees gipakita sa Figure 15. Makita nga ang beam adunay maayong transmission, gamay nga fluctuation, ug transmission distance nga labaw sa 45mm.
Mga trajectory sa doble nga mga silaw sa lapis ubos sa usa ka homogenous nga sistema sa magnetiko nga adunay Br = 1.4 T.(a) xoz nga eroplano.(b) yoz nga eroplano.
Ang Figure 16 nagpakita sa cross-section sa beam sa lain-laing mga posisyon layo sa cathode. Makita nga ang porma sa beam section sa focusing system maayo ang pagkamentinar, ug ang diametro sa section wala kaayo mausab. Ang Figure 17 nagpakita sa beam envelopes sa x ug y nga direksyon, matag usa. Makita nga ang pag-usab-usab sa beam sa duha ka direksyon gamay ra kaayo. Ang Figure 18 nagpakita sa mga resulta sa simulation sa beam current. Ang mga resulta nagpakita nga ang current mga 2 × 80 mA, nga nahiuyon sa gikalkulo nga bili sa disenyo sa electron gun.
Ang cross section sa electron beam (nga adunay focusing system) sa lain-laing mga posisyon layo sa cathode.
Tungod sa sunod-sunod nga mga problema sama sa mga sayop sa pag-assemble, pag-usab-usab sa boltahe, ug mga pagbag-o sa kusog sa magnetic field sa praktikal nga mga aplikasyon sa pagproseso, gikinahanglan nga analisahon ang pagkasensitibo sa sistema sa pag-focus. Tungod kay adunay kal-ang tali sa piraso sa anode ug sa piraso sa pole sa aktuwal nga pagproseso, kini nga kal-ang kinahanglan nga ibutang sa simulation. Ang bili sa kal-ang gibutang sa 0.2 mm ug ang Figure 19a nagpakita sa beam envelope ug beam current sa direksyon nga y. Kini nga resulta nagpakita nga ang pagbag-o sa beam envelope dili hinungdanon ug ang beam current halos dili mausab. Busa, ang sistema dili sensitibo sa mga sayop sa pag-assemble. Alang sa pag-usab-usab sa boltahe sa pagmaneho, ang range sa error gibutang sa ±0.5 kV. Ang Figure 19b nagpakita sa mga resulta sa pagtandi. Makita nga ang pagbag-o sa boltahe adunay gamay nga epekto sa beam envelope. Ang range sa error gibutang gikan sa -0.02 hangtod +0.03 T alang sa mga pagbag-o sa kusog sa magnetic field. Ang mga resulta sa pagtandi gipakita sa Figure 20. Makita nga ang beam envelope halos dili mausab, nga nagpasabut nga ang tibuuk nga EOS dili sensitibo sa mga pagbag-o sa kusog sa magnetic field.
Ang resulta sa beam envelope ug current ubos sa usa ka uniporme nga magnetic focusing system.(a) Ang assembly tolerance kay 0.2 mm.(b) Ang driving voltage fluctuation kay ±0.5 kV.
Beam envelope ubos sa usa ka uniporme nga magnetic focusing system nga adunay axial magnetic field strength fluctuations gikan sa 0.63 ngadto sa 0.68 T.
Aron masiguro nga ang sistema sa pag-focus nga gidisenyo niini nga papel mohaom sa HFS, gikinahanglan nga ihiusa ang sistema sa pag-focus ug ang HFS alang sa panukiduki. Ang Figure 21 nagpakita sa pagtandi sa mga beam envelope nga adunay ug walay HFS loaded. Ang mga resulta nagpakita nga ang beam envelope wala kaayo mausab kung ang tibuok HFS loaded. Busa, ang sistema sa pag-focus angay alang sa traveling wave tube HFS sa disenyo sa ibabaw.
Aron mapamatud-an ang katukma sa EOS nga gisugyot sa Seksyon III ug imbestigahan ang performance sa 220 GHz SDV-TWT, gihimo ang 3D-PIC simulation sa beam-wave interaction. Tungod sa mga limitasyon sa simulation software, wala namo madugang ang tibuok EOS sa HFS. Busa, ang electron gun gipulihan sa usa ka katumbas nga emitting surface nga adunay diametro nga 0.13mm ug distansya tali sa duha ka surface nga 0.31mm, parehas nga mga parameter sa electron gun nga gidisenyo sa ibabaw. Tungod sa insensitivity ug maayong stability sa EOS, ang driving voltage mahimong ma-optimize sa husto aron makab-ot ang labing maayo nga output power sa PIC simulation. Ang mga resulta sa simulation nagpakita nga ang saturated output power ug gain makuha sa driving voltage nga 20.6 kV, beam current nga 2 × 80 mA (603 A/cm2), ug input power nga 0.05 W.
Aron makuha ang pinakamaayong output signal, kinahanglan usab nga i-optimize ang gidaghanon sa mga siklo. Ang pinakamaayong output power makuha kung ang gidaghanon sa duha ka yugto kay 42 + 48 ka siklo, sama sa gipakita sa Figure 22a. Usa ka 0.05 W nga input signal ang gi-amplify ngadto sa 314 W nga adunay gain nga 38 dB. Ang output power spectrum nga nakuha pinaagi sa Fast Fourier Transform (FFT) kay puro, nga moabot sa peaking sa 220 GHz. Ang Figure 22b nagpakita sa axial position distribution sa electron energy sa SWS, diin kadaghanan sa mga electron mawad-an og enerhiya. Kini nga resulta nagpakita nga ang SDV-SWS maka-convert sa kinetic energy sa mga electron ngadto sa RF signals, sa ingon makatuman sa signal amplification.
Ang signal sa output sa SDV-SWS sa 220 GHz.(a) Gahum sa output nga adunay gilakip nga spectrum.(b) Pag-apod-apod sa enerhiya sa mga electron uban sa electron beam sa katapusan sa SWS inset.
Ang Figure 23 nagpakita sa output power bandwidth ug gain sa usa ka dual-mode dual-beam SDV-TWT. Ang output performance mahimong mapaayo pa pinaagi sa pag-sweep sa mga frequency gikan sa 200 ngadto sa 275 GHz ug pag-optimize sa drive voltage. Kini nga resulta nagpakita nga ang 3-dB bandwidth makatabon sa 205 ngadto sa 275 GHz, nga nagpasabot nga ang dual-mode operation makapalapad pag-ayo sa operating bandwidth.
Apan, sumala sa Fig. 2a, nahibal-an nato nga adunay stop band tali sa odd ug even modes, nga mahimong mosangpot sa dili gusto nga mga oscillations. Busa, ang work stability palibot sa mga stop kinahanglan nga tun-an. Ang mga Figures 24a-c mao ang 20 ns simulation results sa 265.3 GHz, 265.35 GHz, ug 265.4 GHz, matag usa. Makita nga bisan kung ang mga resulta sa simulation adunay pipila ka mga pag-usab-usab, ang output power medyo lig-on. Ang spectrum gipakita usab sa Figure 24 matag usa, ang spectrum puro. Kini nga mga resulta nagpakita nga walay self-oscillation duol sa stopband.
Kinahanglan ang paghimo ug pagsukod aron mapamatud-an ang katukma sa tibuok HFS. Niini nga bahin, ang HFS gihimo gamit ang computer numerical control (CNC) nga teknolohiya nga adunay diametro sa himan nga 0.1 mm ug katukma sa machining nga 10 μm. Ang materyal para sa high-frequency nga istruktura gihatag sa oxygen-free high-conductivity (OFHC) nga tumbaga. Gipakita sa Figure 25a ang gihimo nga istruktura. Ang tibuok istruktura adunay gitas-on nga 66.00 mm, gilapdon nga 20.00 mm ug gitas-on nga 8.66 mm. Walo ka pin holes ang giapod-apod sa palibot sa istruktura. Gipakita sa Figure 25b ang istruktura pinaagi sa scanning electron microscopy (SEM). Ang mga blades niini nga istruktura parehas nga gihimo ug adunay maayong surface roughness. Human sa tukma nga pagsukod, ang kinatibuk-ang sayop sa machining ubos sa 5%, ug ang surface roughness mga 0.4μm. Ang istruktura sa machining nakab-ot ang mga kinahanglanon sa disenyo ug katukma.
Ang Figure 26 nagpakita sa pagtandi tali sa aktuwal nga mga resulta sa pagsulay ug mga simulation sa performance sa transmission. Ang Port 1 ug Port 2 sa Figure 26a katumbas sa input ug output ports sa HFS, matag usa, ug katumbas sa Port 1 ug Port 4 sa Figure 3. Ang aktuwal nga mga resulta sa pagsukod sa S11 mas maayo gamay kaysa sa mga resulta sa simulation. Sa samang higayon, ang gisukod nga mga resulta sa S21 mas grabe gamay. Ang hinungdan mahimong tungod kay ang material conductivity nga gibutang sa simulation taas kaayo ug ang surface roughness human sa aktuwal nga machining dili maayo. Sa kinatibuk-an, ang gisukod nga mga resulta nahiuyon sa mga resulta sa simulation, ug ang transmission bandwidth nakab-ot ang kinahanglanon nga 70 GHz, nga nagpamatuod sa posibilidad ug katukma sa gisugyot nga dual-mode SDV-TWT. Busa, inubanan sa aktuwal nga proseso sa paghimo ug mga resulta sa pagsulay, ang ultra-broadband dual-beam SDV-TWT nga disenyo nga gisugyot niini nga papel mahimong magamit alang sa sunod nga paghimo ug mga aplikasyon.
Niini nga papel, usa ka detalyado nga disenyo sa usa ka planar distribution nga 220 GHz dual-beam SDV-TWT ang gipresentar. Ang kombinasyon sa dual-mode operation ug dual-beam excitation dugang nga nagdugang sa operating bandwidth ug output power. Ang fabrication ug cold test gihimo usab aron mapamatud-an ang katukma sa tibuok HFS. Ang aktuwal nga mga resulta sa pagsukod nahiuyon sa mga resulta sa simulation. Alang sa gidisenyo nga two-beam EOS, usa ka mask section ug control electrodes ang gigamit nga magkauban aron makahimo og two-pencil beam. Ubos sa gidisenyo nga uniform focusing magnetic field, ang electron beam mahimong lig-on nga mapadala sa lagyong mga distansya nga adunay maayong porma. Sa umaabot, ang produksiyon ug pagsulay sa EOS himuon, ug ang thermal test sa tibuok TWT himuon usab. Kini nga SDV-TWT design scheme nga gisugyot niini nga papel hingpit nga naghiusa sa kasamtangan nga hamtong nga teknolohiya sa pagproseso sa eroplano, ug nagpakita sa dako nga potensyal sa mga indikasyon sa performance ug pagproseso ug pag-assemble. Busa, kini nga papel nagtuo nga ang planar nga istruktura lagmit nga mahimong uso sa pag-uswag sa mga vacuum electronic device sa terahertz band.
Kadaghanan sa hilaw nga datos ug mga modelo sa pag-analisa niini nga pagtuon gilakip niini nga papel. Ang dugang nga may kalabutan nga impormasyon mahimong makuha gikan sa katugbang nga tagsulat kung adunay makatarunganon nga hangyo.
Gamzina, D. et al. Nanoscale CNC machining sa sub-terahertz vacuum electronics. IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. ug Paoloni, C. UV-LIGA microfabrication sa mga sub-terahertz waveguide gamit ang multilayer SU-8 photoresist.J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 THz technology roadmap.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 Kusgan nga pagpugong sa pagkaylap sa plasmonic wave pinaagi sa ultra-broadband staggered double-grating waveguides.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Pagpasundayag sa usa ka Nano CNC Machined 220-GHz Traveling Wave Tube Amplifier. IEEE Trans. electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Pag-imbestiga sa kawalay kalig-on sa diocotron sa walay kinutuban nga gilapdon nga sheet electron beams gamit ang macroscopic cold fluid model theory. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Si Galdetskiy, AV sa oportunidad sa pagdugang sa bandwidth pinaagi sa planar layout sa beam sa usa ka multibeam klystron. Sa ika-12 nga IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Disenyo sa tulo ka beam electron gun nga adunay narrow beam splitting plane distribution sa W-band staggered double-blade traveling wave tube[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 Planar distributed three-beam electron optical system nga adunay narrow beam separation para sa W-band fundamental mode TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Panukiduki sa Interleaved Double-Blade Traveling Wave Tube nga adunay Millimeter-Wave Sheet Beams 20-22 (PhD, Beihang University, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Pagtuon sa kalig-on sa interaksyon sa beam-wave sa usa ka G-band interleaved dual-blade traveling wave tube.2018 Ika-43 nga Internasyonal nga Komperensya sa Infrared Millimeter ug Terahertz Waves, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).