Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth gyfyngedig ar gyfer CSS. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n diffodd y modd cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn arddangos y wefan heb arddulliau a JavaScript.
Yn y papur hwn, mae tiwb tonnau teithio llafn dwbl rhyngblethedig band eang 220GHz wedi'i ddylunio a'i wirio. Yn gyntaf, cynigir strwythur tonnau araf llafn dwbl trawst dwbl gwastad planar. Trwy ddefnyddio cynllun gweithredu deuol-modd, mae'r perfformiad trosglwyddo a'r lled band bron ddwywaith cymaint â'r modd sengl. Yn ail, er mwyn bodloni gofynion pŵer allbwn uchel a gwella sefydlogrwydd y tiwb tonnau teithiol, mae system optegol electronig siâp pensil dwbl wedi'i ddylunio, mae'r foltedd gyrru yn 20 ~ 21 kV, a'r cerrynt yn 2 × 80 mA. Nodau dylunio. Trwy ddefnyddio'r rhan mwgwd a'r electrod rheoli yn y gwn trawst dwbl, gellir ffocysu'r ddau drawst pensil ar hyd eu canolfannau priodol gyda chymhareb cywasgu o 7, mae'r pellter ffocysu tua 0.18mm, ac mae'r sefydlogrwydd yn dda. Mae'r system ffocysu magnetig unffurf hefyd wedi'i optimeiddio. Gall pellter trosglwyddo sefydlog y trawst electron dwbl planar gyrraedd 45 mm, ac mae'r maes magnetig ffocysu yn 0.6 T, sy'n ddigonol i orchuddio'r system amledd uchel (HFS) gyfan. Yna, i gwirio defnyddioldeb y system electron-optegol a pherfformiad y strwythur tonnau araf, perfformiwyd efelychiadau celloedd gronynnau (PIC) ar yr HFS cyfan hefyd. Mae'r canlyniadau'n dangos y gall y system rhyngweithio trawst gyflawni pŵer allbwn brig o bron i 310 W ar 220 GHz, mae'r foltedd trawst wedi'i optimeiddio yn 20.6 kV, mae cerrynt y trawst yn 2 × 80 mA, mae'r enillion yn 38 dB, ac mae'r lled band 3-dB yn fwy na 35 dB tua 70 GHz. Yn olaf, perfformir ffugio microstrwythur manwl iawn i wirio perfformiad yr HFS, ac mae'r canlyniadau'n dangos bod y nodweddion lled band a throsglwyddo mewn cytundeb da â chanlyniadau'r efelychiad. Felly, disgwylir i'r cynllun a gynigir yn y papur hwn ddatblygu ffynonellau ymbelydredd terahertz band eang uwch-bŵer uchel gyda photensial ar gyfer cymwysiadau yn y dyfodol.
Fel dyfais electronig gwactod draddodiadol, mae tiwb tonnau teithiol (TWT) yn chwarae rhan anhepgor mewn llawer o gymwysiadau megis radar cydraniad uchel, systemau cyfathrebu lloeren, ac archwilio gofod1,2,3. Fodd bynnag, wrth i'r amledd gweithredu fynd i mewn i'r band terahertz, nid yw'r TWT ceudod cyplu traddodiadol a'r TWT troellog wedi gallu diwallu anghenion pobl oherwydd pŵer allbwn cymharol isel, lled band cul, a phrosesau gweithgynhyrchu anodd. Felly, mae sut i wella perfformiad y band THz yn gynhwysfawr wedi dod yn fater pryderus iawn i lawer o sefydliadau ymchwil wyddonol. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae strwythurau tonnau araf newydd (SWSs), megis strwythurau llafn deuol croesi (SDV) a strwythurau tywysydd tonnau plygedig (FW), wedi derbyn sylw helaeth oherwydd eu strwythurau planar naturiol, yn enwedig yr SDV-SWSs newydd gyda photensial addawol. Cynigiwyd y strwythur hwn gan UC-Davis yn 20084. Gellir cynhyrchu'r strwythur planar yn hawdd gan dechnegau prosesu micro-nano megis rheolaeth rifiadol gyfrifiadurol (CNC) ac UV-LIGA, gall y strwythur pecyn holl-fetel ddarparu capasiti thermol mwy gydag allbwn uwch. pŵer ac enillion, a gall y strwythur tebyg i donfedd hefyd ddarparu lled band gweithio ehangach. Ar hyn o bryd, dangosodd UC Davis am y tro cyntaf yn 2017 y gall SDV-TWT gynhyrchu allbynnau pŵer uchel sy'n fwy na 100 W a signalau lled band bron i 14 GHz yn y band-G5. Fodd bynnag, mae bylchau yn y canlyniadau hyn o hyd na allant fodloni'r gofynion cysylltiedig o ran pŵer uchel a lled band eang yn y band terahertz. Ar gyfer SDV-TWT band-G UC-Davis, defnyddiwyd trawstiau electron dalen. Er y gall y cynllun hwn wella gallu cario cerrynt y trawst yn sylweddol, mae'n anodd cynnal pellter trosglwyddo hir oherwydd ansefydlogrwydd system optegol electron y trawst dalen (EOS), ac mae twnnel trawst gor-fodd, a all hefyd achosi i'r trawst hunanreoleiddio. – Cyffroi ac osgiliad 6,7. Er mwyn bodloni gofynion pŵer allbwn uchel, lled band eang a sefydlogrwydd da TWT THz, cynigir SDV-SWS trawst deuol gyda gweithrediad deuol-fodd yn y papur hwn. Hynny yw, er mwyn cynyddu'r lled band gweithredu, cynigir a chyflwynir gweithrediad deuol-fodd yn y strwythur hwn. Ac, er mwyn cynyddu'r pŵer allbwn, defnyddir dosbarthiad planar o drawstiau pensil dwbl hefyd. Mae radios trawst pensil sengl yn gymharol fach oherwydd cyfyngiadau maint fertigol. Os yw'r dwysedd cerrynt yn rhy uchel, rhaid lleihau cerrynt y trawst, gan arwain at bŵer allbwn cymharol isel. I wella'r cerrynt trawst, mae EOS aml-drawst dosbarthedig planar wedi dod i'r amlwg, sy'n manteisio ar faint ochrol yr SWS. Oherwydd y twnelu trawst annibynnol, gall yr aml-drawst dosbarthedig planar gyflawni pŵer allbwn uchel trwy gynnal cerrynt trawst cyfanswm uchel a cherrynt bach fesul trawst, a all osgoi twnelu trawst gor-fodd o'i gymharu â dyfeisiau trawst dalen. Felly, mae'n fuddiol cynnal sefydlogrwydd y tiwb tonnau teithiol. Ar sail gwaith blaenorol8,9, mae'r papur hwn yn cynnig band-G trawst pensil dwbl sy'n canolbwyntio maes magnetig unffurf EOS, a all wella pellter trosglwyddo sefydlog y trawst yn fawr a chynyddu ardal rhyngweithio'r trawst ymhellach, a thrwy hynny wella'r pŵer allbwn yn fawr.
Dyma strwythur y papur hwn.Yn gyntaf, disgrifir dyluniad y gell SWS gyda pharamedrau, dadansoddiad nodweddion gwasgariad a chanlyniadau efelychu amledd uchel.Yna, yn ôl strwythur y gell uned, mae EOS trawst pensil dwbl a system rhyngweithio trawst wedi'u cynllunio yn y papur hwn.Cyflwynir canlyniadau efelychu gronynnau mewngellog hefyd i wirio defnyddioldeb EOS a pherfformiad SDV-TWT.Yn ogystal, mae'r papur yn cyflwyno'n fyr y canlyniadau cynhyrchu a'r prawf oer i wirio cywirdeb yr HFS cyfan.Yn olaf, gwnewch grynodeb.
Fel un o gydrannau pwysicaf y TWT, mae priodweddau gwasgarol y strwythur tonnau araf yn dangos a yw cyflymder yr electron yn cyfateb i gyflymder cyfnod yr SWS, ac felly mae ganddo ddylanwad mawr ar y rhyngweithio trawst-ton. Er mwyn gwella perfformiad y TWT cyfan, cynlluniwyd strwythur rhyngweithio gwell. Dangosir strwythur y gell uned yn Ffigur 1. Gan ystyried ansefydlogrwydd y trawst dalen a chyfyngiad pŵer y trawst pen sengl, mae'r strwythur yn mabwysiadu trawst pen dwbl i wella'r pŵer allbwn a sefydlogrwydd y gweithrediad ymhellach. Yn y cyfamser, er mwyn cynyddu'r lled band gweithio, cynigiwyd modd deuol i weithredu SWS. Oherwydd cymesuredd strwythur yr SDV, gellir rhannu datrysiad hafaliad gwasgariad y maes electromagnetig yn ddulliau od ac eilrif. Ar yr un pryd, defnyddir modd od sylfaenol y band amledd isel a modd eilrif sylfaenol y band amledd uchel i wireddu cydamseriad band eang rhyngweithio'r trawst, a thrwy hynny wella'r lled band gweithio ymhellach.
Yn ôl y gofynion pŵer, mae'r tiwb cyfan wedi'i gynllunio gyda foltedd gyrru o 20 kV a cherrynt trawst dwbl o 2 × 80 mA. Er mwyn paru'r foltedd mor agos â phosibl â lled band gweithredu'r SDV-SWS, mae angen i ni gyfrifo hyd y cyfnod p. Dangosir y berthynas rhwng foltedd y trawst a'r cyfnod yn hafaliad (1)10:
Drwy osod y sifftiad cyfnod i 2.5π ar amledd canolog 220 GHz, gellir cyfrifo'r cyfnod p i fod yn 0.46 mm. Mae Ffigur 2a yn dangos priodweddau gwasgariad cell uned SWS. Mae'r trawstlinell 20 kV yn cyd-fynd â'r gromlin bimodal yn dda iawn. Gall bandiau amledd cyfatebol gyrraedd tua 70 GHz yn yr ystodau 210–265.3 GHz (modd od) a 265.4–280 GHz (modd cyfartal). Mae Ffigur 2b yn dangos yr impedans cyplu cyfartalog, sy'n fwy na 0.6 Ω o 210 i 290 GHz, sy'n dangos y gall rhyngweithiadau cryf ddigwydd yn y lled band gweithredu.
(a) Nodweddion gwasgariad SDV-SWS modd deuol gyda llinell drawst electron 20 kV. (b) Rhwymiant rhyngweithio cylched tonnau araf SDV.
Fodd bynnag, mae'n bwysig nodi bod bwlch band rhwng y moddau od a'r moddau eilrif, ac fel arfer rydym yn cyfeirio at y bwlch band hwn fel y band stop, fel y dangosir yn Ffigur 2a. Os yw'r TWT yn cael ei weithredu ger y band amledd hwn, gall cryfder cyplu trawst cryf ddigwydd, a fydd yn arwain at osgiliadau diangen. Mewn cymwysiadau ymarferol, rydym yn gyffredinol yn osgoi defnyddio TWT ger y band stop. Fodd bynnag, gellir gweld mai dim ond 0.1 GHz yw bwlch band y strwythur tonnau araf hwn. Mae'n anodd pennu a yw'r bwlch band bach hwn yn achosi osgiliadau. Felly, bydd sefydlogrwydd y gweithrediad o amgylch y band stop yn cael ei ymchwilio yn yr adran efelychu PIC ganlynol i ddadansoddi a all osgiliadau diangen ddigwydd.
Dangosir model yr HFS cyfan yn Ffigur 3. Mae'n cynnwys dau gam o SDV-SWS, wedi'u cysylltu gan adlewyrchyddion Bragg. Swyddogaeth yr adlewyrchydd yw torri'r trosglwyddiad signal rhwng y ddau gam, atal osgiliad ac adlewyrchiad moddau nad ydynt yn gweithio fel moddau uchel-drefn a gynhyrchir rhwng y llafnau uchaf ac isaf, a thrwy hynny wella sefydlogrwydd y tiwb cyfan yn fawr. Ar gyfer cysylltu â'r amgylchedd allanol, defnyddir cyplydd taprog llinol hefyd i gysylltu'r SWS â thywysydd ton safonol WR-4. Mesurir cyfernod trosglwyddo'r strwythur dwy lefel gan ddatrysydd parth amser yn y feddalwedd efelychu 3D. Gan ystyried effaith wirioneddol y band terahertz ar y deunydd, mae deunydd yr amlen gwactod wedi'i osod i gopr i ddechrau, ac mae'r dargludedd wedi'i leihau i 2.25 × 107 S / m12.
Mae Ffigur 4 yn dangos y canlyniadau trosglwyddo ar gyfer HFS gyda a heb gyplyddion taprog llinol. Mae'r canlyniadau'n dangos nad oes gan y cyplydd fawr o effaith ar berfformiad trosglwyddo'r HFS cyfan. Mae'r golled dychwelyd (S11 < −10 dB) a'r golled mewnosod (S21 > −5 dB) o'r system gyfan yn y band eang 207~280 GHz yn dangos bod gan HFS nodweddion trosglwyddo da.
Fel cyflenwad pŵer dyfeisiau electronig gwactod, mae'r gwn electron yn pennu'n uniongyrchol a all y ddyfais gynhyrchu digon o bŵer allbwn. Ynghyd â'r dadansoddiad o HFS yn Adran II, mae angen dylunio EOS trawst deuol i ddarparu digon o bŵer. Yn y rhan hon, yn seiliedig ar waith blaenorol yn W-band8,9, mae gwn electron pensil dwbl wedi'i ddylunio gan ddefnyddio rhan mwgwd planar ac electrodau rheoli. Yn gyntaf, yn ôl gofynion dylunio SWS yn Adran. Fel y dangosir yn FFIG. 2, mae foltedd gyrru Ua y trawstiau electron wedi'i osod i ddechrau i 20 kV, mae ceryntau I y ddau drawst electron ill dau yn 80 mA, a diamedr trawst dw y trawstiau electron yw 0.13 mm. Ar yr un pryd, er mwyn sicrhau y gellir cyflawni dwysedd cerrynt y trawst electron a'r catod, mae cymhareb cywasgu'r trawst electron wedi'i osod i 7, felly mae dwysedd cerrynt y trawst electron yn 603 A/cm2, a dwysedd cerrynt y catod yw 86 A/cm2, y gellir ei gyflawni trwy ddefnyddio deunyddiau catod newydd. Yn ôl damcaniaeth ddylunio 14, 15, 16, 17, gellir adnabod gwn electron Pierce nodweddiadol yn unigryw.
Mae Ffigur 5 yn dangos y diagramau sgematig llorweddol a fertigol o'r gwn, yn y drefn honno. Gellir gweld bod proffil y gwn electron yn y cyfeiriad-x bron yn union yr un fath â phroffil gwn electron nodweddiadol tebyg i ddalen, tra yn y cyfeiriad-y mae'r ddau drawst electron wedi'u gwahanu'n rhannol gan y mwgwd. Mae safleoedd y ddau gatod ar x = – 0.155 mm, y = 0 mm ac x = 0.155 mm, y = 0 mm, yn y drefn honno. Yn ôl gofynion dylunio'r gymhareb gywasgu a maint chwistrelliad electron, pennir bod dimensiynau'r ddau arwyneb catod yn 0.91 mm × 0.13 mm.
Er mwyn gwneud y maes trydan ffocysedig a dderbynnir gan bob trawst electron yn y cyfeiriad-x yn gymesur o amgylch ei ganol ei hun, mae'r papur hwn yn rhoi electrod rheoli ar y gwn electron. Drwy osod foltedd yr electrod ffocysedig a'r electrod rheoli i −20 kV, a foltedd yr anod i 0 V, gallwn gael dosbarthiad trajectory'r gwn trawst deuol, fel y dangosir yn Ffig. 6. Gellir gweld bod gan yr electronau a allyrrir gywasgedd da yn y cyfeiriad-y, ac mae pob trawst electron yn cydgyfeirio tuag at y cyfeiriad-x ar hyd ei ganol cymesuredd ei hun, sy'n dangos bod yr electrod rheoli yn cydbwyso'r maes trydan anghyfartal a gynhyrchir gan yr electrod ffocysedig.
Mae Ffigur 7 yn dangos amlen y trawst yn y cyfeiriadau x ac y. Mae'r canlyniadau'n dangos bod pellter taflunio'r trawst electron yn y cyfeiriad-x yn wahanol i'r un yn y cyfeiriad-y. Mae'r pellter taflu yn y cyfeiriad-x tua 4mm, ac mae'r pellter taflu yn y cyfeiriad-y yn agos at 7mm. Felly, dylid dewis y pellter taflu gwirioneddol rhwng 4 a 7 mm. Mae Ffigur 8 yn dangos trawsdoriad y trawst electron 4.6 mm o wyneb y catod. Gallwn weld bod siâp y trawsdoriad agosaf at drawst electron crwn safonol. Mae'r pellter rhwng y ddau drawst electron yn agos at y 0.31 mm a gynlluniwyd, ac mae'r radiws tua 0.13 mm, sy'n bodloni'r gofynion dylunio. Mae Ffigur 9 yn dangos canlyniadau efelychu cerrynt y trawst. Gellir gweld bod y ddau gerrynt trawst yn 76mA, sy'n cytuno'n dda â'r 80mA a gynlluniwyd.
O ystyried amrywiad y foltedd gyrru mewn cymwysiadau ymarferol, mae angen astudio sensitifrwydd foltedd y model hwn. Yn yr ystod foltedd o 19.8 ~ 20.6 kV, ceir yr amlenni cerrynt a cherrynt y trawst, fel y dangosir yn Ffigur 1 a Ffigur 1.10 ac 11. O'r canlyniadau, gellir gweld nad oes gan y newid yn y foltedd gyrru unrhyw effaith ar amlen y trawst electron, a dim ond o 0.74 i 0.78 A y mae cerrynt y trawst electron yn newid. Felly, gellir ystyried bod gan y gwn electron a ddyluniwyd yn y papur hwn sensitifrwydd da i foltedd.
Effaith amrywiadau foltedd gyrru ar amlenni trawst cyfeiriad-x ac-y.
Mae maes ffocysu magnetig unffurf yn system ffocysu magnet parhaol gyffredin. Oherwydd y dosbarthiad maes magnetig unffurf ledled sianel y trawst, mae'n addas iawn ar gyfer trawstiau electron echelin-gymesur. Yn yr adran hon, cynigir system ffocysu magnetig unffurf ar gyfer cynnal trosglwyddiad pellter hir trawstiau pensil dwbl. Trwy ddadansoddi'r maes magnetig a'r amlen trawst a gynhyrchir, cynigir cynllun dylunio'r system ffocysu, ac astudir y broblem sensitifrwydd. Yn ôl damcaniaeth trosglwyddo sefydlog trawst pensil sengl18,19, gellir cyfrifo gwerth maes magnetig Brillouin gan hafaliad (2). Yn y papur hwn, rydym hefyd yn defnyddio'r cywerthedd hwn i amcangyfrif maes magnetig trawst pensil dwbl wedi'i ddosbarthu'n ochrol. Wedi'i gyfuno â'r gwn electron a ddyluniwyd yn y papur hwn, mae'r gwerth maes magnetig cyfrifedig tua 4000 Gs. Yn ôl Cyf. 20, fel arfer dewisir 1.5-2 gwaith y gwerth cyfrifedig mewn dyluniadau ymarferol.
Mae Ffigur 12 yn dangos strwythur system maes ffocysu maes magnetig unffurf. Y rhan las yw'r magnet parhaol wedi'i fagneteiddio i'r cyfeiriad echelinol. Dewis deunydd yw NdFeB neu FeCoNi. Y Br gweddilliol a osodwyd yn y model efelychu yw 1.3 T a'r athreiddedd yw 1.05. Er mwyn sicrhau trosglwyddiad sefydlog y trawst yn y gylched gyfan, mae hyd y magnet wedi'i osod i ddechrau i 70 mm. Yn ogystal, mae maint y magnet i gyfeiriad x yn pennu a yw'r maes magnetig traws yn sianel y trawst yn unffurf, sy'n ei gwneud yn ofynnol na all y maint i gyfeiriad x fod yn rhy fach. Ar yr un pryd, o ystyried cost a phwysau'r tiwb cyfan, ni ddylai maint y magnet fod yn rhy fawr. Felly, mae'r magnetau wedi'u gosod i ddechrau i 150 mm × 150 mm × 70 mm. Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau y gellir gosod y gylched tonnau araf gyfan yn y system ffocysu, mae'r pellter rhwng y magnetau wedi'i osod i 20mm.
Yn 2015, cynigiodd Purna Chandra Panda21 ddarn polyn gyda thwll grisiog newydd mewn system ffocysu magnetig unffurf, a all leihau ymhellach faint y gollyngiad fflwcs i'r catod a'r maes magnetig traws a gynhyrchir wrth dwll y darn polyn. Yn y papur hwn, rydym yn ychwanegu strwythur grisiog at ddarn polyn y system ffocysu. Mae trwch y darn polyn wedi'i osod i ddechrau i 1.5mm, mae uchder a lled y tair cam yn 0.5mm, a'r pellter rhwng tyllau'r darn polyn yw 2mm, fel y dangosir yn Ffigur 13.
Mae Ffigur 14a yn dangos dosbarthiad y maes magnetig echelinol ar hyd llinellau canol y ddau drawst electron. Gellir gweld bod grymoedd y maes magnetig ar hyd y ddau drawst electron yn gyfartal. Mae gwerth y maes magnetig tua 6000 Gs, sydd 1.5 gwaith y maes Brillouin damcaniaethol i gynyddu perfformiad trosglwyddo a ffocysu. Ar yr un pryd, mae'r maes magnetig wrth y catod bron yn 0, sy'n dangos bod gan y darn polyn effaith dda ar atal gollyngiadau fflwcs magnetig. Mae Ffigur 14b yn dangos dosbarthiad y maes magnetig traws By yn y cyfeiriad z ar ymyl uchaf y ddau drawst electron. Gellir gweld bod y maes magnetig traws yn llai na 200 Gs yn unig wrth dwll y darn polyn, tra yn y gylched tonnau araf, mae'r maes magnetig traws bron yn sero, sy'n profi bod dylanwad y maes magnetig traws ar y trawst electron yn ddibwys. Er mwyn atal dirlawnder magnetig y darnau polyn, mae angen astudio cryfder y maes magnetig y tu mewn i'r darnau polyn. Mae Ffigur 14c yn dangos gwerth absoliwt dosbarthiad y maes magnetig y tu mewn i'r darn polyn. Gellir gweld mai gwerth absoliwt cryfder y maes magnetig yw llai nag 1.2T, sy'n dangos na fydd dirlawnder magnetig y darn polyn yn digwydd.
Dosbarthiad cryfder maes magnetig ar gyfer Br = 1.3 T. (a) Dosbarthiad maes echelinol. (b) Dosbarthiad maes ochrol By i gyfeiriad z. (c) Gwerth absoliwt dosbarthiad maes o fewn y darn polyn.
Yn seiliedig ar y modiwl CST PS, mae safle cymharol echelinol y gwn trawst deuol a'r system ffocysu wedi'i optimeiddio. Yn ôl Cyf. 9 ac efelychiadau, y lleoliad gorau posibl yw lle mae'r darn anod yn gorgyffwrdd â'r darn polyn i ffwrdd o'r magnet. Fodd bynnag, canfuwyd pe bai'r gweddillion wedi'i osod i 1.3T, na allai trosglwyddiad y trawst electron gyrraedd 99%. Drwy gynyddu'r gweddillion i 1.4 T, bydd y maes magnetig ffocysu yn cynyddu i 6500 Gs. Dangosir llwybrau'r trawst ar yr awyrennau xoz ac yoz yn Ffigur 15. Gellir gweld bod gan y trawst drosglwyddiad da, amrywiad bach, a phellter trosglwyddo sy'n fwy na 45mm.
Trajectorïau trawstiau pensil dwbl o dan system magnetig homogenaidd gyda Br = 1.4 T. (a) awyren xoz. (b) awyren yoz.
Mae Ffigur 16 yn dangos trawsdoriad y trawst mewn gwahanol safleoedd i ffwrdd o'r catod. Gellir gweld bod siâp adran y trawst yn y system ffocysu wedi'i gynnal yn dda, ac nad yw diamedr yr adran yn newid llawer. Mae Ffigur 17 yn dangos amlenni'r trawst yn y cyfeiriadau x ac y, yn y drefn honno. Gellir gweld bod amrywiad y trawst yn y ddau gyfeiriad yn fach iawn. Mae Ffigur 18 yn dangos canlyniadau efelychu cerrynt y trawst. Mae'r canlyniadau'n dangos bod y cerrynt tua 2 × 80 mA, sy'n gyson â'r gwerth a gyfrifwyd yn nyluniad y gwn electron.
Trawstoriad trawst electron (gyda system ffocysu) mewn gwahanol safleoedd i ffwrdd o'r catod.
O ystyried cyfres o broblemau megis gwallau cydosod, amrywiadau foltedd, a newidiadau yng nghryfder y maes magnetig mewn cymwysiadau prosesu ymarferol, mae angen dadansoddi sensitifrwydd y system ffocysu. Gan fod bwlch rhwng y darn anod a'r darn polyn mewn prosesu gwirioneddol, mae angen gosod y bwlch hwn yn yr efelychiad. Gosodwyd gwerth y bwlch i 0.2 mm ac mae Ffigur 19a yn dangos amlen y trawst a cherrynt y trawst i gyfeiriad y. Mae'r canlyniad hwn yn dangos nad yw'r newid yn amlen y trawst yn arwyddocaol ac nad yw cerrynt y trawst yn newid fawr ddim. Felly, mae'r system yn ansensitif i wallau cydosod. Ar gyfer amrywiad y foltedd gyrru, mae'r ystod gwall wedi'i gosod i ±0.5 kV. Mae Ffigur 19b yn dangos y canlyniadau cymharu. Gellir gweld nad oes gan y newid foltedd fawr o effaith ar amlen y trawst. Mae'r ystod gwall wedi'i gosod o -0.02 i +0.03 T ar gyfer newidiadau yng nghryfder y maes magnetig. Dangosir y canlyniadau cymharu yn Ffigur 20. Gellir gweld nad yw amlen y trawst yn newid fawr ddim, sy'n golygu bod yr EOS cyfan yn ansensitif i newidiadau yng nghryfder y maes magnetig.
Amlen trawst a chanlyniadau cerrynt o dan system ffocysu magnetig unffurf. (a) Goddefgarwch y cydosodiad yw 0.2 mm. (b) Yr amrywiad foltedd gyrru yw ±0.5 kV.
Amlen trawst o dan system ffocysu magnetig unffurf gydag amrywiadau cryfder maes magnetig echelinol yn amrywio o 0.63 i 0.68 T.
Er mwyn sicrhau y gall y system ffocysu a ddyluniwyd yn y papur hwn gyd-fynd â HFS, mae angen cyfuno'r system ffocysu a'r HFS ar gyfer ymchwil. Mae Ffigur 21 yn dangos cymhariaeth o amlenni trawst gyda a heb HFS wedi'u llwytho. Mae'r canlyniadau'n dangos nad yw amlen y trawst yn newid llawer pan fydd yr HFS cyfan wedi'i lwytho. Felly, mae'r system ffocysu yn addas ar gyfer y tiwb tonnau teithiol HFS o'r dyluniad uchod.
Er mwyn gwirio cywirdeb yr EOS a gynigiwyd yn Adran III ac ymchwilio i berfformiad yr SDV-TWT 220 GHz, perfformir efelychiad 3D-PIC o ryngweithio trawst-ton. Oherwydd cyfyngiadau meddalwedd efelychu, nid oeddem yn gallu ychwanegu'r EOS cyfan at HFS. Felly, disodlwyd y gwn electron ag arwyneb allyrru cyfatebol gyda diamedr o 0.13mm a phellter rhwng y ddau arwyneb o 0.31mm, yr un paramedrau â'r gwn electron a ddyluniwyd uchod. Oherwydd ansensitifrwydd a sefydlogrwydd da EOS, gellir optimeiddio'r foltedd gyrru yn iawn i gyflawni'r pŵer allbwn gorau yn yr efelychiad PIC. Mae'r canlyniadau efelychu yn dangos y gellir cael y pŵer allbwn dirlawn a'r enillion ar foltedd gyrru o 20.6 kV, cerrynt trawst o 2 × 80 mA (603 A/cm2), a phŵer mewnbwn o 0.05 W.
Er mwyn cael y signal allbwn gorau, mae angen optimeiddio nifer y cylchoedd hefyd. Ceir y pŵer allbwn gorau pan fydd nifer y ddau gam yn 42 + 48 cylch, fel y dangosir yn Ffigur 22a. Mae signal mewnbwn 0.05 W yn cael ei fwyhau i 314 W gydag enillion o 38 dB. Mae'r sbectrwm pŵer allbwn a geir gan Drawsffurfiad Fourier Cyflym (FFT) yn bur, gan gyrraedd uchafbwynt o 220 GHz. Mae Ffigur 22b yn dangos dosbarthiad safle echelinol ynni electronau yn y SWS, gyda'r rhan fwyaf o'r electronau'n colli ynni. Mae'r canlyniad hwn yn dangos y gall yr SDV-SWS drosi ynni cinetig electronau yn signalau RF, a thrwy hynny wireddu mwyhad signal.
Signal allbwn SDV-SWS ar 220 GHz. (a) Pŵer allbwn gyda sbectrwm wedi'i gynnwys. (b) Dosbarthiad ynni electronau gyda'r trawst electron ar ddiwedd y mewnosodiad SWS.
Mae Ffigur 23 yn dangos lled band pŵer allbwn ac enillion SDV-TWT trawst deuol-fodd. Gellir gwella perfformiad allbwn ymhellach trwy ysgubo amleddau o 200 i 275 GHz ac optimeiddio'r foltedd gyrru. Mae'r canlyniad hwn yn dangos y gall y lled band 3-dB gwmpasu 205 i 275 GHz, sy'n golygu y gall gweithrediad deuol-fodd ehangu'r lled band gweithredu yn fawr.
Fodd bynnag, yn ôl Ffig. 2a, gwyddom fod band stop rhwng y moddau od a'r moddau eilrif, a all arwain at osgiliadau diangen. Felly, mae angen astudio sefydlogrwydd gwaith o amgylch y stopiau. Mae Ffigurau 24a-c yn ganlyniadau efelychu 20 ns ar 265.3 GHz, 265.35 GHz, a 265.4 GHz, yn y drefn honno. Gellir gweld, er bod gan y canlyniadau efelychu rai amrywiadau, bod y pŵer allbwn yn gymharol sefydlog. Dangosir y sbectrwm hefyd yn Ffigur 24 yn y drefn honno, mae'r sbectrwm yn bur. Mae'r canlyniadau hyn yn dangos nad oes hunan-osgiliad ger y band stop.
Mae angen cynhyrchu a mesur i wirio cywirdeb yr HFS cyfan. Yn y rhan hon, mae'r HFS wedi'i gynhyrchu gan ddefnyddio technoleg rheoli rhifiadol cyfrifiadurol (CNC) gyda diamedr offeryn o 0.1 mm a chywirdeb peiriannu o 10 μm. Darperir y deunydd ar gyfer y strwythur amledd uchel gan gopr dargludedd uchel di-ocsigen (OFHC). Mae Ffigur 25a yn dangos y strwythur wedi'i gynhyrchu. Mae gan y strwythur cyfan hyd o 66.00 mm, lled o 20.00 mm ac uchder o 8.66 mm. Mae wyth twll pin wedi'u dosbarthu o amgylch y strwythur. Mae Ffigur 25b yn dangos y strwythur trwy ficrosgopeg electron sganio (SEM). Mae llafnau'r strwythur hwn wedi'u cynhyrchu'n unffurf ac mae ganddynt garwedd arwyneb da. Ar ôl mesur manwl gywir, mae'r gwall peiriannu cyffredinol yn llai na 5%, ac mae'r garwedd arwyneb tua 0.4μm. Mae'r strwythur peiriannu yn bodloni'r gofynion dylunio a chywirdeb.
Mae Ffigur 26 yn dangos y gymhariaeth rhwng canlyniadau profion gwirioneddol ac efelychiadau o berfformiad trosglwyddo. Mae Porthladd 1 a Phorthladd 2 yn Ffigur 26a yn cyfateb i borthladdoedd mewnbwn ac allbwn yr HFS, yn y drefn honno, ac maent yn gyfwerth â Phorthladd 1 a Phorthladd 4 yn Ffigur 3. Mae canlyniadau mesur gwirioneddol S11 ychydig yn well na chanlyniadau'r efelychiad. Ar yr un pryd, mae canlyniadau mesuredig yr S21 ychydig yn waeth. Y rheswm am hyn efallai yw bod dargludedd y deunydd a osodwyd yn yr efelychiad yn rhy uchel a bod garwedd yr wyneb ar ôl peiriannu gwirioneddol yn wael. Ar y cyfan, mae'r canlyniadau mesuredig yn cytuno'n dda â chanlyniadau'r efelychiad, ac mae lled band y trosglwyddo yn bodloni'r gofyniad o 70 GHz, sy'n gwirio hyfywedd a chywirdeb yr SDV-TWT modd deuol arfaethedig. Felly, ynghyd â'r broses weithgynhyrchu a chanlyniadau profion gwirioneddol, gellir defnyddio'r dyluniad SDV-TWT trawst deuol band eang uwch a gynigir yn y papur hwn ar gyfer weithgynhyrchu a chymwysiadau dilynol.
Yn y papur hwn, cyflwynir dyluniad manwl o SDV-TWT trawst deuol dosbarthiad planar 220 GHz. Mae'r cyfuniad o weithrediad deuol-fodd a chyffroi trawst deuol yn cynyddu'r lled band gweithredu a'r pŵer allbwn ymhellach. Cynhelir y prawf cynhyrchu a'r prawf oer hefyd i wirio cywirdeb yr HFS cyfan. Mae'r canlyniadau mesur gwirioneddol yn cytuno'n dda â'r canlyniadau efelychu. Ar gyfer yr EOS dau drawst a ddyluniwyd, defnyddiwyd adran mwgwd ac electrodau rheoli gyda'i gilydd i gynhyrchu trawst dau bensil. O dan y maes magnetig ffocysu unffurf a ddyluniwyd, gellir trosglwyddo'r trawst electron yn sefydlog dros bellteroedd hir gyda siâp da. Yn y dyfodol, cynhelir cynhyrchu a phrofi EOS, a chynhelir prawf thermol yr TWT cyfan hefyd. Mae'r cynllun dylunio SDV-TWT hwn a gynigir yn y papur hwn yn cyfuno'n llawn y dechnoleg prosesu plân aeddfed gyfredol, ac yn dangos potensial mawr mewn dangosyddion perfformiad a phrosesu a chydosod. Felly, mae'r papur hwn yn credu mai'r strwythur planar sydd fwyaf tebygol o ddod yn duedd datblygu dyfeisiau electronig gwactod yn y band terahertz.
Mae'r rhan fwyaf o'r data crai a'r modelau dadansoddol yn yr astudiaeth hon wedi'u cynnwys yn y papur hwn. Gellir cael rhagor o wybodaeth berthnasol gan yr awdur cyfatebol ar gais rhesymol.
Gamzina, D. et al.Peiriannu CNC nanosgâl o electroneg gwactod is-terahertz.IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. a Paoloni, C. Microffabrigo UV-LIGA o dywysyddion tonnau is-terahertz gan ddefnyddio ffotowrthsefyll amlhaen SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 Map ffordd technoleg THz.J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR a Luhmann, NC Cyfyngiad cryf ar ledaeniad tonnau plasmonig trwy donnau gratio dwbl croesliniog band eang uwch-eang.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al.Perfformiad Mwyhadur Tiwb Tonnau Teithio 220-GHz wedi'i Beiriannu gan CNC Nano. IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. a Ruan, CJ Ymchwilio i ansefydlogrwydd diocotron trawstiau electron dalen anfeidrol o led gan ddefnyddio damcaniaeth model hylif oer macrosgopig. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV ar y cyfle i gynyddu lled band trwy gynllun planar y trawst mewn klystron aml-drawst. Yn 12fed Gynhadledd Ryngwladol IEEE ar Electroneg Gwactod, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al.Dyluniad gynnau electron tair trawst gyda dosbarthiad plân hollti trawst cul mewn tiwb tonnau teithiol llafn dwbl wedi'i gamliwio band-W[J].Science.Rep. 11, 940.https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB a Ruan, CJ System optegol electron tair trawst dosbarthedig planar gyda gwahaniad trawst cul ar gyfer modd sylfaenol band-W TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Ymchwil ar Diwb Tonnau Teithio Dwbl-Lafen Rhyngddalennog gyda Thrawstiau Dalen Tonnau Milimetr 20-22 (PhD, Prifysgol Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. a He, Y. Astudiaeth ar sefydlogrwydd rhyngweithio trawst-ton tiwb tonnau teithiol deuol-lafn rhyngblethog band-G. 43ain Gynhadledd Ryngwladol 2018 ar Donnau Milimetr a Therahertz Is-goch, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).