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In questu articulu, hè statu cuncipitu è ​​verificatu un tubu d'onda mobile à doppia lama interfogliata di alta putenza à banda larga di 220 GHz. Prima, hè pruposta una struttura à onda lenta à doppia lama sfalsata à doppia lama planare. Utilizendu un schema di funziunamentu à doppia modalità, e prestazioni di trasmissione è a larghezza di banda sò quasi u doppiu di quelle di a modalità unica. Siconda, per risponde à i requisiti di alta putenza di uscita è migliurà a stabilità di u tubu d'onda mobile, hè statu cuncipitu un sistema otticu elettronicu à doppia matita, a tensione di guida hè 20 ~ 21 kV, è a corrente hè 2 × 80 mA. Obiettivi di cuncepimentu. Utilizendu a parte di maschera è l'elettrodu di cuntrollu in a pistola à doppia lama, i dui fasci di matita ponu esse focalizati longu i so rispettivi centri cù un rapportu di compressione di 7, a distanza di focalizazione hè di circa 0,18 mm, è a stabilità hè bona. Hè statu ancu ottimizatu u sistema di focalizazione magnetica uniforme. A distanza di trasmissione stabile di u fasciu elettronicu à doppia lama planare pò ghjunghje à 45 mm, è u campu magneticu di focalizazione hè 0,6 T, chì hè sufficiente per copre tuttu u sistema d'alta frequenza (HFS). Dopu, per verificà u L'usabilità di u sistema elettronicu-otticu è e prestazioni di a struttura à onda lenta, e simulazioni di e cellule di particelle (PIC) sò state ancu realizate nantu à tuttu u HFS. I risultati mostranu chì u sistema d'interazione fasciu-fasciu pò ottene una putenza di piccu di quasi 310 W à 220 GHz, a tensione di u fasciu ottimizzata hè 20,6 kV, a corrente di u fasciu hè 2 × 80 mA, u guadagnu hè 38 dB, è a larghezza di banda di 3 dB supera i 35 dB circa 70 GHz. Infine, a fabricazione di microstrutture d'alta precisione hè realizata per verificà e prestazioni di u HFS, è i risultati mostranu chì e caratteristiche di larghezza di banda è di trasmissione sò in bon accordu cù i risultati di a simulazione. Dunque, si prevede chì u schema prupostu in questu articulu svilupperà fonti di radiazioni di banda terahertz d'alta putenza è ultra-larga cù putenziale per applicazioni future.
Cum'è un dispositivu elettronicu à vacuum tradiziunale, u tubu d'onda viaghjante (TWT) ghjoca un rolu insustituibile in parechje applicazioni cum'è u radar d'alta risoluzione, i sistemi di cumunicazione satellitare è l'esplorazione spaziale1,2,3. Tuttavia, cum'è a frequenza operativa entra in a banda terahertz, u TWT tradiziunale à cavità accoppiata è u TWT elicoidale ùn sò stati capaci di risponde à i bisogni di e persone per via di a putenza di uscita relativamente bassa, a larghezza di banda stretta è i prucessi di fabricazione difficili. Dunque, cumu migliurà cumpletamente e prestazioni di a banda THz hè diventatu un prublema assai preoccupante per parechje istituzioni di ricerca scientifica. In l'ultimi anni, e nuove strutture à onda lenta (SWS), cum'è e strutture à doppia lama sfalsata (SDV) è e strutture di guida d'onda piegata (FW), anu ricevutu una grande attenzione per via di e so strutture planari naturali, in particulare i novi SDV-SWS cù un putenziale promettente. Questa struttura hè stata pruposta da UC-Davis in u 20084. A struttura planare pò esse facilmente fabbricata da tecniche di micro-nano trasfurmazione cum'è u cuntrollu numericu per computer (CNC) è UV-LIGA, a struttura di u pacchettu tuttu in metallo pò furnisce una capacità termica più grande cù più alta putenza è guadagnu di uscita, è a struttura simile à una guida d'onda pò ancu furnisce una larghezza di banda di travagliu più larga. Attualmente, UC Davis hà dimustratu per a prima volta in u 2017 chì SDV-TWT pò generà uscite di alta putenza in più di 100 W è quasi 14 GHz signali di larghezza di banda in a banda G5. Tuttavia, questi risultati anu sempre lacune chì ùn ponu micca risponde à i requisiti correlati di alta putenza è larga larghezza di banda in a banda terahertz. Per SDV-TWT in banda G di UC-Davis, sò stati aduprati fasci di elettroni in fogli. Ancu se questu schema pò migliurà significativamente a capacità di carica di corrente di u fasciu, hè difficiule di mantene una longa distanza di trasmissione per via di l'instabilità di u sistema otticu elettronicu di u fasciu in fogli (EOS), è ci hè un tunnel di fasciu di sovramodalità, chì pò ancu causà l'autoregulazione di u fasciu. – Eccitazione è oscillazione 6,7. Per risponde à i requisiti di alta putenza di uscita, larga larghezza di banda è bona stabilità di THz TWT, in questu articulu hè prupostu un SDV-SWS à doppiu fasciu cù funziunamentu à doppia modalità. Vale à dì, per aumentà a larghezza di banda operativa, hè prupostu è introduttu in questa struttura un funziunamentu à doppia modalità. È, per aumentà a putenza di uscita, hè ancu aduprata una distribuzione planare di fasci à doppia matita. I radio à fasciu unicu sò relativamente chjuchi per via di i vincoli di dimensione verticale. Se a densità di corrente hè troppu alta, a corrente di u fasciu deve esse ridutta, risultendu in una putenza di uscita relativamente bassa. Per migliurà a corrente di u fasciu, hè natu un EOS multifasciu distribuitu planare, chì sfrutta a dimensione laterale di u SWS. A causa di u tunneling di u fasciu indipendente, u multifasciu distribuitu planare pò ottene una alta putenza di uscita mantenendu una alta corrente di fasciu tutale è una piccula corrente per fasciu, chì pò evità u tunneling di u fasciu di sovramodalità paragunatu à i dispositivi à fasciu di foglia. Dunque, hè benefiziu mantene a stabilità di u tubu d'onda viaghjante. Sulla basa di u travagliu precedente8,9, questu articulu propone un campu magneticu uniforme in banda G. EOS à doppia matita focalizzata, chì pò migliurà assai a distanza di trasmissione stabile di u fasciu è aumentà ulteriormente l'area d'interazione di u fasciu, migliorandu cusì assai a putenza di uscita.
A struttura di questu articulu hè a seguente. Prima, si descrive u cuncepimentu di a cellula SWS cù i parametri, l'analisi di e caratteristiche di dispersione è i risultati di a simulazione d'alta frequenza. Dopu, secondu a struttura di a cellula unitaria, un EOS à doppiu fasciu di matita è un sistema d'interazione di fasciu sò cuncipiti in questu articulu. I risultati di a simulazione di particelle intracellulari sò ancu presentati per verificà l'usabilità di EOS è e prestazioni di SDV-TWT. Inoltre, l'articulu presenta brevemente i risultati di a fabricazione è di e prove à fretu per verificà a currettezza di tuttu u HFS. Infine, fà un riassuntu.
Cum'è unu di i cumpunenti i più impurtanti di u TWT, e proprietà dispersive di a struttura à onda lenta indicanu se a velocità di l'elettrone currisponde à a velocità di fase di u SWS, è dunque hà una grande influenza nantu à l'interazzione fasciu-onda. Per migliurà e prestazioni di tuttu u TWT, hè stata cuncipita una struttura d'interazzione migliorata. A struttura di a cellula unitaria hè mostrata in a Figura 1. Cunsiderendu l'instabilità di u fasciu di foglia è a limitazione di putenza di u fasciu à penna unica, a struttura adotta un fasciu à doppia penna per migliurà ulteriormente a putenza di uscita è a stabilità di funziunamentu. Intantu, per aumentà a larghezza di banda di travagliu, hè stata pruposta una modalità duale per u funziunamentu di SWS. A causa di a simmetria di a struttura SDV, a suluzione di l'equazione di dispersione di u campu elettromagneticu pò esse divisa in modi pari è dispari. À u listessu tempu, u modu dispari fundamentale di a banda di bassa frequenza è u modu paru fundamentale di a banda d'alta frequenza sò aduprati per realizà a sincronizazione à banda larga di l'interazzione di u fasciu, migliurendu cusì ulteriormente a larghezza di banda di travagliu.
Sicondu i requisiti di putenza, tuttu u tubu hè cuncipitu cù una tensione di guida di 20 kV è una corrente à doppiu fasciu di 2 × 80 mA. Per abbinà a tensione u più vicinu pussibule à a larghezza di banda operativa di u SDV-SWS, avemu bisognu di calculà a lunghezza di u periodu p. A relazione trà a tensione di u fasciu è u periodu hè mostrata in l'equazione (1)10:
Impostendu u cambiamentu di fase à 2,5π à a frequenza centrale di 220 GHz, u periodu p pò esse calculatu à 0,46 mm. A Figura 2a mostra e proprietà di dispersione di a cellula unitaria SWS. A linea di fasciu di 20 kV currisponde assai bè à a curva bimodale. E bande di frequenza currispondenti ponu ghjunghje à circa 70 GHz in l'intervalli 210-265,3 GHz (modu dispari) è 265,4-280 GHz (modu paru). A Figura 2b mostra l'impedenza media di accoppiamentu, chì hè più grande di 0,6 Ω da 210 à 290 GHz, ciò chì indica chì ponu accade forti interazioni in a larghezza di banda operativa.
(a) Caratteristiche di dispersione di un SDV-SWS bimodale cù una linea di fasciu elettronicu di 20 kV. (b) Impedenza d'interazione di u circuitu à onda lenta SDV.
Tuttavia, hè impurtante nutà chì ci hè una lacuna di banda trà i modi pari è dispari, è di solitu ci riferemu à sta lacuna di banda cum'è a banda di stop, cum'è mostratu in a Figura 2a. Se u TWT hè operatu vicinu à sta banda di frequenza, pò accade una forte forza di accoppiamentu di u fasciu, chì porterà à oscillazioni indesiderate. In applicazioni pratiche, generalmente evitemu di utilizà TWT vicinu à a banda di stop. Tuttavia, si pò vede chì a lacuna di banda di sta struttura à onda lenta hè solu 0,1 GHz. Hè difficiule di determinà se sta piccula lacuna di banda provoca oscillazioni. Dunque, a stabilità di u funziunamentu intornu à a banda di stop serà investigata in a seguente sezione di simulazione PIC per analizà se ponu accade oscillazioni indesiderate.
U mudellu di tuttu u HFS hè mostratu in a Figura 3. Si compone di duie tappe di SDV-SWS, cunnesse da riflettori di Bragg. A funzione di u riflettore hè di taglià a trasmissione di u signale trà e duie tappe, supprime l'oscillazione è a riflessione di i modi micca funziunanti cum'è i modi di ordine altu generati trà e lame superiore è inferiore, migliurendu cusì assai a stabilità di tuttu u tubu. Per a cunnessione à l'ambiente esternu, un accoppiatore lineare affusolatu hè ancu utilizatu per cunnette u SWS à una guida d'onda standard WR-4. U coefficientu di trasmissione di a struttura à dui livelli hè misuratu da un risolutore di duminiu di u tempu in u software di simulazione 3D. Cunsiderendu l'effettu reale di a banda terahertz nantu à u materiale, u materiale di l'involucro di u vacuum hè inizialmente impostu à u rame, è a cunduttività hè ridutta à 2,25 × 107 S / m12.
A figura 4 mostra i risultati di trasmissione per HFS cù è senza accoppiatori lineari affusolati. I risultati mostranu chì l'accoppiatore hà pocu effettu nantu à e prestazioni di trasmissione di tuttu l'HFS. A perdita di ritornu (S11 < − 10 dB) è a perdita d'inserzione (S21 > − 5 dB) di tuttu u sistema in a banda larga 207~280 GHz mostranu chì HFS hà bone caratteristiche di trasmissione.
Cum'è l'alimentazione di i dispusitivi elettronichi à vacuum, u cannone elettronicu determina direttamente se u dispusitivu pò generà abbastanza putenza di uscita. Cumbinatu cù l'analisi di HFS in a Sezione II, un EOS à doppiu fasciu deve esse cuncipitu per furnisce una putenza sufficiente. In questa parte, basatu annantu à u travagliu precedente in W-band8,9, un cannone elettronicu à doppia matita hè cuncipitu utilizendu una parte di maschera planare è elettrodi di cuntrollu. Prima, secondu i requisiti di cuncepimentu di SWS in a Sezione. Cum'è mostratu in FIG. 2, a tensione di guida Ua di i fasci elettronichi hè inizialmente fissata à 20 kV, e currenti I di i dui fasci elettronichi sò tramindui 80 mA, è u diametru di u fasciu dw di i fasci elettronichi hè 0,13 mm. À u listessu tempu, per assicurà chì a densità di corrente di u fasciu elettronicu è di u catodu pò esse ottenuta, u rapportu di cumpressione di u fasciu elettronicu hè fissatu à 7, dunque a densità di corrente di u fasciu elettronicu hè 603 A/cm2, è a densità di corrente di u catodu hè 86 A/cm2, chì pò esse ottenuta da Questu hè ottenutu aduprendu novi materiali catodici. Sicondu a teoria di cuncepimentu 14, 15, 16, 17, un tipicu cannone elettronicu Pierce pò esse identificatu in modu unicu.
A figura 5 mostra i diagrammi schematici urizzuntali è verticali di a pistola, rispettivamente. Si pò vede chì u prufilu di a pistola elettronica in a direzzione x hè guasi identicu à quellu di una tipica pistola elettronica in forma di foglia, mentre chì in a direzzione y i dui fasci di elettroni sò parzialmente separati da a maschera. E pusizioni di i dui catodi sò rispettivamente à x = – 0,155 mm, y = 0 mm è x = 0,155 mm, y = 0 mm. Sicondu i requisiti di cuncepimentu di u rapportu di cumpressione è di a dimensione di l'iniezione di l'elettroni, e dimensioni di e duie superfici catodiche sò determinate à 0,91 mm × 0,13 mm.
Per fà chì u campu elettricu focalizatu ricevutu da ogni fasciu d'elettroni in a direzzione x sia simmetricu intornu à u so propiu centru, questu articulu applica un elettrodu di cuntrollu à u cannone elettronicu. Impostendu a tensione di l'elettrodu di focalizazione è di l'elettrodu di cuntrollu à -20 kV, è a tensione di l'anodu à 0 V, pudemu ottene a distribuzione di a traiettoria di u cannone à doppiu fasciu, cum'è mostratu in a Fig. 6. Si pò vede chì l'elettroni emessi anu una bona cumpressibilità in a direzzione y, è ogni fasciu d'elettroni converge versu a direzzione x longu u so propiu centru di simmetria, ciò chì indica chì l'elettrodu di cuntrollu equilibra u campu elettricu ineguale generatu da l'elettrodu di focalizazione.
A Figura 7 mostra l'inviluppu di u fasciu in e direzzione x è y. I risultati mostranu chì a distanza di pruiezione di u fasciu di elettroni in a direzzione x hè diversa da quella in a direzzione y. A distanza di pruiezione in a direzzione x hè di circa 4 mm, è a distanza di pruiezione in a direzzione y hè vicina à 7 mm. Dunque, a distanza di pruiezione effettiva deve esse scelta trà 4 è 7 mm. A Figura 8 mostra a sezione trasversale di u fasciu di elettroni à 4,6 mm da a superficia di u catodu. Pudemu vede chì a forma di a sezione trasversale hè a più vicina à un fasciu di elettroni circulare standard. A distanza trà i dui fasci di elettroni hè vicina à i 0,31 mm cuncipiti, è u raghju hè di circa 0,13 mm, chì risponde à i requisiti di cuncepimentu. A Figura 9 mostra i risultati di simulazione di a corrente di u fasciu. Si pò vede chì e duie currenti di u fasciu sò 76 mA, chì hè in bon accordu cù i 80 mA cuncipiti.
Cunsiderendu a fluttuazione di a tensione di guida in l'applicazioni pratiche, hè necessariu studià a sensibilità à a tensione di stu mudellu. In a gamma di tensione di 19,8 ~ 20,6 kV, si ottenenu l'inviluppi di corrente è di corrente di u fasciu, cum'è mostratu in a Figura 1 è in a Figura 1.10 è 11. Da i risultati, si pò vede chì u cambiamentu di a tensione di guida ùn hà micca effettu nantu à l'inviluppu di u fasciu di elettroni, è a corrente di u fasciu di elettroni cambia solu da 0,74 à 0,78 A. Dunque, si pò cunsiderà chì u cannone elettronicu cuncipitu in questu articulu hà una bona sensibilità à a tensione.
L'effettu di e fluttuazioni di a tensione di guida nantu à l'inviluppi di u fasciu in e direzioni x è y.
Un campu di focalizazione magnetica uniforme hè un sistema cumunu di focalizazione à magneti permanenti. A causa di a distribuzione uniforme di u campu magneticu in tuttu u canale di u fasciu, hè assai adattatu per i fasci elettronichi assialsimmetrici. In questa sezione, hè prupostu un sistema di focalizazione magnetica uniforme per mantene a trasmissione à longa distanza di fasci à doppia matita. Analizendu u campu magneticu generatu è l'inviluppu di u fasciu, hè prupostu u schema di cuncepimentu di u sistema di focalizazione, è hè studiatu u prublema di sensibilità. Sicondu a teoria di trasmissione stabile di un fasciu à doppia matita18,19, u valore di u campu magneticu Brillouin pò esse calculatu da l'equazione (2). In questu articulu, usemu ancu sta equivalenza per stimà u campu magneticu di un fasciu à doppia matita distribuitu lateralmente. Cumbinatu cù u cannone elettronicu cuncipitu in questu articulu, u valore di u campu magneticu calculatu hè di circa 4000 Gs. Sicondu a Ref. 20, 1,5-2 volte u valore calculatu hè generalmente sceltu in i disinni pratichi.
A figura 12 mostra a struttura di un sistema di campu di focalizazione di campu magneticu uniforme. A parte blu hè u magnetu permanente magnetizatu in a direzzione assiale. A selezzione di u materiale hè NdFeB o FeCoNi. A remanenza Br impostata in u mudellu di simulazione hè 1,3 T è a permeabilità hè 1,05. Per assicurà a trasmissione stabile di u fasciu in tuttu u circuitu, a lunghezza di u magnetu hè inizialmente impostata à 70 mm. Inoltre, a dimensione di u magnetu in a direzzione x determina se u campu magneticu trasversale in u canale di u fasciu hè uniforme, ciò chì richiede chì a dimensione in a direzzione x ùn pò esse troppu chjuca. À u listessu tempu, cunsiderendu u costu è u pesu di tuttu u tubu, a dimensione di u magnetu ùn deve esse troppu grande. Dunque, i magneti sò inizialmente impostati à 150 mm × 150 mm × 70 mm. Intantu, per assicurà chì tuttu u circuitu à onda lenta pò esse piazzatu in u sistema di focalizazione, a distanza trà i magneti hè impostata à 20 mm.
In u 2015, Purna Chandra Panda21 hà prupostu una pezza polare cù un novu foru à gradini in un sistema di focalizazione magnetica uniforme, chì pò riduce ulteriormente a magnitudine di a perdita di flussu versu u catodu è u campu magneticu trasversale generatu à u foru di a pezza polare. In questu articulu, aghjustemu una struttura à gradini à a pezza polare di u sistema di focalizazione. U spessore di a pezza polare hè inizialmente fissatu à 1,5 mm, l'altezza è a larghezza di i trè gradini sò 0,5 mm, è a distanza trà i fori di a pezza polare hè di 2 mm, cum'è mostratu in a Figura 13.
A figura 14a mostra a distribuzione di u campu magneticu assiale longu à e linee centrali di i dui fasci di elettroni. Si pò vede chì e forze di u campu magneticu longu à i dui fasci di elettroni sò uguali. U valore di u campu magneticu hè circa 6000 Gs, chì hè 1,5 volte u campu teoricu di Brillouin per aumentà e prestazioni di trasmissione è di focalizazione. À u listessu tempu, u campu magneticu à u catodu hè guasi 0, ciò chì indica chì u pezzu polare hà un bon effettu per impedisce a perdita di flussu magneticu. A figura 14b mostra a distribuzione di u campu magneticu trasversale By in a direzzione z à u bordu superiore di i dui fasci di elettroni. Si pò vede chì u campu magneticu trasversale hè menu di 200 Gs solu à u foru di u pezzu polare, mentre chì in u circuitu à onda lenta, u campu magneticu trasversale hè guasi zero, ciò chì dimostra chì l'influenza di u campu magneticu trasversale nantu à u fasciu di elettroni hè trascurabile. Per impedisce a saturazione magnetica di i pezzi polari, hè necessariu studià a forza di u campu magneticu in l'internu di i pezzi polari. A figura 14c mostra u valore assolutu di a distribuzione di u campu magneticu in l'internu di u pezzu polare. Si pò vede chì u valore assolutu di a forza di u campu magneticu hè menu di 1,2 T, ciò chì indica chì a saturazione magnetica di a pezza polare ùn si verificarà micca.
Distribuzione di a forza di u campu magneticu per Br = 1,3 T. (a) Distribuzione di u campu assiale. (b) Distribuzione laterale di u campu By in a direzzione z. (c) Valore assolutu di a distribuzione di u campu in u pezzu polare.
Basatu annantu à u modulu CST PS, a pusizione relativa assiale di u cannone à doppiu fasciu è di u sistema di focalizazione hè ottimizzata. Sicondu a Ref. 9 è e simulazioni, a pusizione ottima hè induve u pezzu anodicu si sovrappone à u pezzu polare luntanu da u magnetu. Tuttavia, hè statu trovu chì se a remanenza era impostata à 1,3 T, a trasmittanza di u fasciu di elettroni ùn pudia ghjunghje à 99%. Aumentendu a remanenza à 1,4 T, u campu magneticu di focalizazione serà aumentatu à 6500 Gs. E traiettorie di u fasciu nantu à i piani xoz è yoz sò mostrate in a Figura 15. Si pò vede chì u fasciu hà una bona trasmissione, una piccula fluttuazione è una distanza di trasmissione più grande di 45 mm.
Traiettorie di fasci à doppia matita sottu à un sistema magneticu omogeneu cù Br = 1,4 T. (a) pianu xoz. (b) aereo yoz.
A figura 16 mostra a sezione trasversale di u fasciu in diverse pusizioni luntanu da u catodu. Si pò vede chì a forma di a sezione di u fasciu in u sistema di focalizazione hè ben mantenuta, è u diametru di a sezione ùn cambia micca assai. A figura 17 mostra l'inviluppi di u fasciu in e direzzione x è y, rispettivamente. Si pò vede chì a fluttuazione di u fasciu in e duie direzzione hè assai chjuca. A figura 18 mostra i risultati di a simulazione di a corrente di u fasciu. I risultati mostranu chì a corrente hè circa 2 × 80 mA, chì hè coerente cù u valore calculatu in u disignu di u cannone elettronicu.
Sezione trasversale di u fasciu di elettroni (cù sistema di focalizazione) in diverse pusizioni luntanu da u catodu.
Cunsiderendu una seria di prublemi cum'è l'errori di assemblaggio, e fluttuazioni di tensione è i cambiamenti in a forza di u campu magneticu in l'applicazioni pratiche di trasfurmazione, hè necessariu analizà a sensibilità di u sistema di focalizazione. Siccome ci hè un spaziu trà u pezzu anodicu è u pezzu polare in u trasfurmazione attuale, questu spaziu deve esse impostu in a simulazione. U valore di u spaziu hè statu impostu à 0,2 mm è a Figura 19a mostra l'inviluppu di u fasciu è a corrente di u fasciu in a direzzione y. Questu risultatu mostra chì u cambiamentu in l'inviluppu di u fasciu ùn hè micca significativu è a corrente di u fasciu ùn cambia guasi. Dunque, u sistema hè insensibile à l'errori di assemblaggio. Per a fluttuazione di a tensione di guida, l'intervallu di errore hè impostu à ± 0,5 kV. A Figura 19b mostra i risultati di paragone. Si pò vede chì u cambiamentu di tensione hà pocu effettu nantu à l'inviluppu di u fasciu. L'intervallu di errore hè impostu da -0,02 à +0,03 T per i cambiamenti in a forza di u campu magneticu. I risultati di paragone sò mostrati in a Figura 20. Si pò vede chì l'inviluppu di u fasciu ùn cambia guasi, ciò significa chì tuttu l'EOS hè insensibile à i cambiamenti in a forza di u campu magneticu.
Inviluppu di u fasciu è risultati di corrente sottu un sistema di focalizzazione magnetica uniforme. (a) A tolleranza di assemblaggio hè di 0,2 mm. (b) A fluttuazione di a tensione di guida hè di ± 0,5 kV.
Inviluppu di u fasciu sottu un sistema di focalizazione magnetica uniforme cù fluttuazioni di l'intensità di u campu magneticu assiale chì varianu da 0,63 à 0,68 T.
Per assicurà chì u sistema di focalizazione cuncipitu in questu articulu possi currisponde à HFS, hè necessariu cumminà u sistema di focalizazione è HFS per a ricerca. A Figura 21 mostra una paragone di l'inviluppi di u fasciu cù è senza HFS caricatu. I risultati mostranu chì l'inviluppu di u fasciu ùn cambia micca assai quandu tuttu l'HFS hè caricatu. Dunque, u sistema di focalizazione hè adattatu per u tubu d'onda viaghjante HFS di u disignu sopra.
Per verificà a currettezza di l'EOS prupostu in a Sezione III è investigà e prestazioni di u SDV-TWT à 220 GHz, hè stata realizata una simulazione 3D-PIC di l'interazione onda-fascio. A causa di limitazioni di u software di simulazione, ùn simu stati capaci di aghjunghje tuttu l'EOS à HFS. Dunque, u cannone elettronicu hè statu rimpiazzatu cù una superficia emittente equivalente cù un diametru di 0,13 mm è una distanza trà e duie superfici di 0,31 mm, i stessi parametri di u cannone elettronicu cuncipitu sopra. A causa di l'insensibilità è di a bona stabilità di l'EOS, a tensione di guida pò esse ottimizzata currettamente per ottene a migliore putenza di uscita in a simulazione PIC. I risultati di a simulazione mostranu chì a putenza di uscita saturata è u guadagnu ponu esse ottenuti à una tensione di guida di 20,6 kV, una corrente di fascio di 2 × 80 mA (603 A/cm2) è una putenza d'entrata di 0,05 W.
Per ottene u megliu signale di uscita, u numeru di cicli deve ancu esse ottimizatu. A megliu putenza di uscita si ottiene quandu u numeru di duie tappe hè 42 + 48 cicli, cum'è mostratu in a Figura 22a. Un signale d'entrata di 0,05 W hè amplificatu à 314 W cù un guadagnu di 38 dB. U spettru di putenza di uscita ottenutu da a Trasformata Rapida di Fourier (FFT) hè puru, cù un piccu di 220 GHz. A Figura 22b mostra a distribuzione di a pusizione assiale di l'energia elettronica in u SWS, cù a maiò parte di l'elettroni chì perdenu energia. Stu risultatu indica chì l'SDV-SWS pò cunvertisce l'energia cinetica di l'elettroni in signali RF, realizendu cusì l'amplificazione di u signale.
Segnale di uscita SDV-SWS à 220 GHz. (a) Potenza di uscita cù spettru inclusu. (b) Distribuzione di l'energia di l'elettroni cù u fasciu di elettroni à a fine di l'insertu SWS.
A figura 23 mostra a larghezza di banda di putenza di uscita è u guadagnu di un SDV-TWT à doppiu fasciu à doppia modalità. E prestazioni di uscita ponu esse ulteriormente migliorate spazzendu e frequenze da 200 à 275 GHz è ottimizendu a tensione di pilotaggio. Stu risultatu mostra chì a larghezza di banda di 3 dB pò copre da 205 à 275 GHz, ciò chì significa chì u funziunamentu à doppia modalità pò allargà assai a larghezza di banda operativa.
Tuttavia, secondu a Fig. 2a, sapemu chì ci hè una banda di stop trà i modi pari è dispari, chì pò purtà à oscillazioni indesiderate. Dunque, a stabilità di u travagliu intornu à i stop deve esse studiata. E Figure 24a-c sò i risultati di a simulazione di 20 ns à 265,3 GHz, 265,35 GHz è 265,4 GHz, rispettivamente. Si pò vede chì, ancu s'è i risultati di a simulazione anu qualchì fluttuazione, a putenza di uscita hè relativamente stabile. U spettru hè ancu mostratu in a Figura 24 rispettivamente, u spettru hè puru. Quessi risultati indicanu chì ùn ci hè micca autooscillazione vicinu à a banda di stop.
A fabricazione è a misurazione sò necessarie per verificà a currettezza di tuttu u HFS. In questa parte, u HFS hè fabricatu cù a tecnulugia di cuntrollu numericu per computer (CNC) cù un diametru di l'utensile di 0,1 mm è una precisione di machinazione di 10 μm. U materiale per a struttura à alta frequenza hè furnitu da rame à alta conducibilità senza ossigenu (OFHC). A figura 25a mostra a struttura fabbricata. Tutta a struttura hà una lunghezza di 66,00 mm, una larghezza di 20,00 mm è un'altezza di 8,66 mm. Ottu fori di perni sò distribuiti intornu à a struttura. A figura 25b mostra a struttura per microscopia elettronica à scansione (SEM). E lame di sta struttura sò prodotte uniformemente è anu una bona rugosità superficiale. Dopu una misurazione precisa, l'errore generale di machinazione hè inferiore à u 5%, è a rugosità superficiale hè di circa 0,4 μm. A struttura di machinazione risponde à i requisiti di cuncepimentu è di precisione.
A Figura 26 mostra a paragone trà i risultati di e prove attuali è e simulazioni di e prestazioni di trasmissione. U Portu 1 è u Portu 2 in a Figura 26a currispondenu rispettivamente à i porti d'entrata è di uscita di l'HFS, è sò equivalenti à u Portu 1 è u Portu 4 in a Figura 3. I risultati di misurazione attuali di S11 sò ligeramente megliu cà i risultati di a simulazione. À u listessu tempu, i risultati misurati di S21 sò ligeramente peghju. A ragione pò esse chì a cunduttività di u materiale impostata in a simulazione hè troppu alta è a rugosità di a superficia dopu a machinazione attuale hè scarsa. In generale, i risultati misurati sò in bon accordu cù i risultati di a simulazione, è a larghezza di banda di trasmissione risponde à u requisitu di 70 GHz, ciò chì verifica a fattibilità è a currettezza di u SDV-TWT dual-mode prupostu. Dunque, cumminatu cù u prucessu di fabricazione attuale è i risultati di e prove, u disignu SDV-TWT dual-beam à banda ultra larga prupostu in questu documentu pò esse adupratu per a fabricazione è l'applicazioni successive.
In questu articulu, hè presentatu un cuncepimentu dettagliatu di un SDV-TWT à doppia fascia à distribuzione planare di 220 GHz. A cumbinazione di u funziunamentu à doppia modalità è di l'eccitazione à doppia fascia aumenta ulteriormente a larghezza di banda operativa è a putenza di uscita. A fabricazione è a prova à fretu sò ancu realizate per verificà a currettezza di tuttu l'HFS. I risultati di a misurazione attuale sò in bon accordu cù i risultati di a simulazione. Per l'EOS à duie fascie cuncipitu, una sezione di maschera è elettrodi di cuntrollu sò stati aduprati inseme per pruduce un fasciu à duie matite. Sottu à u campu magneticu di focalizazione uniforme cuncipitu, u fasciu di elettroni pò esse trasmessu stabilmente nantu à lunghe distanze cù una bona forma. In u futuru, a pruduzzione è a prova di l'EOS seranu realizate, è a prova termica di tuttu u TWT serà ancu realizata. Stu schema di cuncepimentu SDV-TWT prupostu in questu articulu combina cumpletamente l'attuale tecnulugia di trasfurmazione di u pianu maturu, è mostra un grande putenziale in l'indicatori di prestazione è in a trasfurmazione è l'assemblea. Dunque, questu articulu crede chì a struttura planare hè più prubabile di diventà a tendenza di sviluppu di i dispositivi elettronichi à vuoto in a banda terahertz.
A maiò parte di i dati grezzi è di i mudelli analitichi di questu studiu sò stati inclusi in questu articulu. Ulteriori informazioni pertinenti ponu esse ottenute da l'autore currispundente nantu à una dumanda raghjonevule.
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