Tak for dit besøg på Nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset understøttelse af CSS. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller slår kompatibilitetstilstand fra i Internet Explorer). I mellemtiden vil vi for at sikre fortsat understøttelse vise webstedet uden stilarter og JavaScript.
I denne artikel designes og verificeres et 220 GHz bredbånds højeffekt interleaved dobbeltbladet vandrebølgerør. Først foreslås en plan dobbeltstråle forskudt dobbeltbladet langsombølgestruktur. Ved at bruge et dobbelttilstandsdriftskema er transmissionsydelsen og båndbredden næsten dobbelt så høj som single-mode. For det andet, for at opfylde kravene til høj udgangseffekt og forbedre stabiliteten af ​​vandrebølgerøret, designes et dobbelt blyantformet elektronisk optisk system, drivspændingen er 20~21 kV, og strømmen er 2 × 80 mA. Designmål. Ved at bruge maskedelen og kontrolelektroden i dobbeltstrålekanonen kan de to blyantstråler fokuseres langs deres respektive centre med et kompressionsforhold på 7, fokuseringsafstanden er ca. 0,18 mm, og stabiliteten er god. Det ensartede magnetiske fokuseringssystem er også blevet optimeret. Den stabile transmissionsafstand for den plane dobbelte elektronstråle kan nå 45 mm, og det fokuserende magnetfelt er 0,6 T, hvilket er tilstrækkeligt til at dække hele højfrekvenssystemet (HFS). Derefter, for at For at verificere brugervenligheden af ​​det elektron-optiske system og ydeevnen af ​​den langsomme bølgestruktur blev der også udført partikelcelle (PIC) simuleringer på hele HFS'en. Resultaterne viser, at stråleinteraktionssystemet kan opnå en peak output-effekt på næsten 310 W ved 220 GHz, den optimerede strålespænding er 20,6 kV, strålestrømmen er 2 × 80 mA, forstærkningen er 38 dB, og 3-dB båndbredden overstiger 35 dB omkring 70 GHz. Endelig udføres højpræcisionsmikrostrukturfremstilling for at verificere HFS'ens ydeevne, og resultaterne viser, at båndbredden og transmissionskarakteristikaene er i god overensstemmelse med simuleringsresultaterne. Derfor forventes den foreslåede ordning i denne artikel at udvikle højtydende, ultrabredbånds terahertz-båndstrålingskilder med potentiale til fremtidige anvendelser.
Som en traditionel vakuumelektronisk enhed spiller vandrebølgerør (TWT) en uerstattelig rolle i mange anvendelser såsom højopløsningsradar, satellitkommunikationssystemer og rumudforskning1,2,3. Men efterhånden som driftsfrekvensen kommer ind i terahertz-båndet, har den traditionelle koblede kavitets-TWT og spiralformede TWT ikke været i stand til at opfylde folks behov på grund af relativt lav udgangseffekt, smal båndbredde og vanskelige fremstillingsprocesser. Derfor er det blevet et meget bekymrende spørgsmål for mange videnskabelige forskningsinstitutioner, hvordan man kan forbedre THz-båndets ydeevne omfattende. I de senere år har nye langsombølgestrukturer (SWS'er), såsom forskudte dobbeltbladsstrukturer (SDV) og foldede bølgelederstrukturer (FW), fået stor opmærksomhed på grund af deres naturlige plane strukturer, især de nye SDV-SWS'er med lovende potentiale. Denne struktur blev foreslået af UC-Davis i 20084. Den plane struktur kan let fremstilles ved hjælp af mikro-nano-behandlingsteknikker såsom computer numerisk kontrol (CNC) og UV-LIGA, og den helmetallignende pakkestruktur kan give større termisk kapacitet med højere output. effekt og forstærkning, og den bølgelederlignende struktur kan også give en bredere arbejdsbåndbredde. I øjeblikket demonstrerede UC Davis for første gang i 2017, at SDV-TWT kan generere højeffektsudgange på over 100 W og næsten 14 GHz båndbreddesignaler i G-båndet5. Disse resultater har dog stadig huller, der ikke kan opfylde de relaterede krav til høj effekt og bred båndbredde i terahertzbåndet. For UC-Davis' G-bånd SDV-TWT er der anvendt arkelektronstråler. Selvom denne ordning kan forbedre strålens strømbærende kapacitet betydeligt, er det vanskeligt at opretholde en lang transmissionsafstand på grund af ustabiliteten i arkstråleelektronoptiske system (EOS), og der er en overtilstandsstråletunnel, som også kan få strålen til at selvregulere. – Excitation og oscillation 6,7. For at opfylde kravene til høj udgangseffekt, bred båndbredde og god stabilitet af THz TWT foreslås en dobbeltstråle-SDV-SWS med dobbelttilstandsdrift i denne artikel. Det vil sige, at for at øge driftsbåndbredden foreslås og introduceres dobbelttilstandsdrift i denne struktur. Og for at øge udgangseffekten anvendes også en plan fordeling af dobbelte blyantstråler. Enkeltstråleradioer er relativt små på grund af vertikale størrelsesbegrænsninger. Hvis strømtætheden er for høj, skal strålestrømmen reduceres, hvilket resulterer i en relativt lav udgangseffekt. For at forbedre strålestrømmen er der opstået plan distribueret multistråle-EOS, som udnytter den laterale størrelse af SWS. På grund af den uafhængige stråletunnelering kan den plane distribuerede multistråle opnå høj udgangseffekt ved at opretholde en høj samlet strålestrøm og en lille strøm pr. stråle, hvilket kan undgå overmode-stråletunnelering sammenlignet med arkstråleenheder. Derfor er det fordelagtigt at opretholde stabiliteten af ​​det vandrende bølgerør. På baggrund af tidligere arbejde 8,9 foreslår denne artikel et G-bånd ensartet magnetfeltfokuserende dobbelt blyantstråle EOS, hvilket kan forbedre strålens stabile transmissionsafstand betydeligt og yderligere øge strålens interaktionsareal og derved forbedre udgangseffekten betydeligt.
Strukturen i denne artikel er som følger. Først beskrives SWS-celledesignet med parametre, analyse af dispersionskarakteristika og resultater af højfrekvenssimulering. Derefter designes der i henhold til enhedscellens struktur en dobbelt blyantstråle-EOS og et stråleinteraktionssystem i denne artikel. Resultater af intracellulære partikelsimuleringer præsenteres også for at verificere brugervenligheden af ​​EOS og ydeevnen af ​​SDV-TWT. Derudover præsenterer artiklen kort fremstillings- og koldtestresultaterne for at verificere korrektheden af ​​hele HFS'en. Til sidst laves et resumé.
Som en af ​​de vigtigste komponenter i TWT'en indikerer de dispersive egenskaber ved den langsomme bølgestruktur, om elektronhastigheden matcher fasehastigheden af ​​SWS'en, og dermed har stor indflydelse på stråle-bølge-interaktionen. For at forbedre ydeevnen af ​​hele TWT'en er der designet en forbedret interaktionsstruktur. Enhedscellens struktur er vist i figur 1. I betragtning af ustabiliteten af ​​pladestrålen og effektbegrænsningen af ​​den enkelte penstråle anvender strukturen en dobbelt penstråle for yderligere at forbedre udgangseffekten og driftsstabiliteten. For at øge arbejdsbåndbredden er der i mellemtiden foreslået en dobbelttilstand til SWS-drift. På grund af symmetrien i SDV-strukturen kan løsningen af ​​den elektromagnetiske feltdispersionsligning opdeles i ulige og lige tilstande. Samtidig bruges den grundlæggende ulige tilstand i lavfrekvensbåndet og den grundlæggende lige tilstand i højfrekvensbåndet til at realisere bredbåndssynkroniseringen af ​​stråleinteraktionen, hvorved arbejdsbåndbredden yderligere forbedres.
I henhold til effektkravene er hele røret designet med en drivspænding på 20 kV og en dobbeltstrålestrøm på 2 × 80 mA. For at tilpasse spændingen så tæt som muligt til SDV-SWS' driftsbåndbredde, skal vi beregne længden af ​​perioden p. Forholdet mellem strålespænding og periode er vist i ligning (1)10:
Ved at indstille faseforskydningen til 2,5π ved centerfrekvensen på 220 GHz kan perioden p beregnes til at være 0,46 mm. Figur 2a viser dispersionsegenskaberne for SWS-enhedscellen. 20 kV-strålelinjen matcher den bimodale kurve meget godt. Matchende frekvensbånd kan nå omkring 70 GHz i områderne 210-265,3 GHz (ulige tilstand) og 265,4-280 GHz (lige tilstand). Figur 2b viser den gennemsnitlige koblingsimpedans, som er større end 0,6 Ω fra 210 til 290 GHz, hvilket indikerer, at der kan forekomme stærke interaktioner i driftsbåndbredden.
(a) Dispersionskarakteristika for en dual-mode SDV-SWS med en 20 kV elektronstrålelinje. (b) Interaktionsimpedans for SDV-langsombølgekredsløbet.
Det er dog vigtigt at bemærke, at der er et båndgab mellem den ulige og lige tilstand, og vi refererer normalt til dette båndgab som stopbåndet, som vist i figur 2a. Hvis TWT'en betjenes nær dette frekvensbånd, kan der forekomme stærk strålekoblingsstyrke, hvilket vil føre til uønskede svingninger. I praktiske anvendelser undgår vi generelt at bruge TWT nær stopbåndet. Det kan dog ses, at båndgabet for denne langsombølgestruktur kun er 0,1 GHz. Det er vanskeligt at afgøre, om dette lille båndgab forårsager svingninger. Derfor vil driftsstabiliteten omkring stopbåndet blive undersøgt i det følgende PIC-simuleringsafsnit for at analysere, om der kan forekomme uønskede svingninger.
Modellen af ​​hele HFS er vist i figur 3. Den består af to trin af SDV-SWS, forbundet af Bragg-reflektorer. Reflektorens funktion er at afskære signaltransmissionen mellem de to trin, undertrykke oscillationen og refleksionen af ​​ikke-fungerende tilstande, såsom højere ordens tilstande genereret mellem de øvre og nedre blade, hvorved stabiliteten af ​​hele røret forbedres betydeligt. Til forbindelse til det eksterne miljø bruges en lineær konisk kobler også til at forbinde SWS til en WR-4 standardbølgeleder. Transmissionskoefficienten for den to-niveau struktur måles af en tidsdomæneløser i 3D-simuleringssoftwaren. I betragtning af den faktiske effekt af terahertzbåndet på materialet indstilles materialet i vakuumhylsteret oprindeligt til kobber, og ledningsevnen reduceres til 2,25 × 107 S/m12.
Figur 4 viser transmissionsresultaterne for HFS med og uden lineære koniske koblere. Resultaterne viser, at kobleren har ringe effekt på transmissionsydelsen for hele HFS'en. Returtabet (S11 < −10 dB) og indsættelsestabet (S21 > −5 dB) for hele systemet i 207~280 GHz bredbåndet viser, at HFS har gode transmissionsegenskaber.
Som strømforsyning til elektroniske vakuumenheder bestemmer elektronkanonen direkte, om enheden kan generere tilstrækkelig udgangseffekt. Kombineret med analysen af ​​HFS i afsnit II skal en dobbeltstråle-EOS designes til at levere tilstrækkelig strøm. I denne del, baseret på tidligere arbejde i W-båndet8,9, designes en dobbelt blyantelektronkanon ved hjælp af en plan maskedel og kontrolelektroder. Først, i henhold til designkravene i SWS i afsnittet. Som vist i FIG. 2, drivspændingen Ua for elektronstrålerne er initialt indstillet til 20 kV, strømmene I for de to elektronstråler er begge 80 mA, og strålediameteren dw for elektronstrålerne er 0,13 mm. Samtidig, for at sikre at strømtætheden for elektronstrålen og katoden kan opnås, er kompressionsforholdet for elektronstrålen indstillet til 7, så strømtætheden for elektronstrålen er 603 A/cm2, og strømtætheden for katoden er 86 A/cm2, hvilket kan opnås ved hjælp af nye katodematerialer. I henhold til designteori 14, 15, 16, 17 kan en typisk Pierce-elektronkanon identificeres entydigt.
Figur 5 viser henholdsvis de vandrette og lodrette skematiske diagrammer af pistolen. Det kan ses, at profilen af ​​elektronkanonen i x-retningen er næsten identisk med profilen af ​​en typisk pladelignende elektronkanon, mens de to elektronstråler i y-retningen er delvist adskilt af masken. Positionerne af de to katoder er henholdsvis x = – 0,155 mm, y = 0 mm og x = 0,155 mm, y = 0 mm. I henhold til designkravene til kompressionsforhold og elektroninjektionsstørrelse er dimensionerne af de to katodeoverflader bestemt til at være 0,91 mm × 0,13 mm.
For at gøre det fokuserede elektriske felt, der modtages af hver elektronstråle i x-retningen, symmetrisk omkring dens eget centrum, anvender denne artikel en kontrolelektrode på elektronkanonen. Ved at indstille spændingen på fokuseringselektroden og kontrolelektroden til -20 kV og anodens spænding til 0 V, kan vi opnå banefordelingen af ​​dobbeltstrålekanonen, som vist i figur 6. Det kan ses, at de udsendte elektroner har god kompressibilitet i y-retningen, og hver elektronstråle konvergerer mod x-retningen langs dens eget symmetricentrum, hvilket indikerer, at kontrolelektroden afbalancerer det ulige elektriske felt, der genereres af fokuseringselektroden.
Figur 7 viser stråleomkredsen i x- og y-retningerne. Resultaterne viser, at elektronstrålens projektionsafstand i x-retningen er forskellig fra den i y-retningen. Kasteafstanden i x-retningen er omkring 4 mm, og kasteafstanden i y-retningen er tæt på 7 mm. Derfor bør den faktiske kasteafstand vælges mellem 4 og 7 mm. Figur 8 viser elektronstrålens tværsnit 4,6 mm fra katodeoverfladen. Vi kan se, at tværsnittets form er tættest på en standard cirkulær elektronstråle. Afstanden mellem de to elektronstråler er tæt på de designede 0,31 mm, og radius er omkring 0,13 mm, hvilket opfylder designkravene. Figur 9 viser simuleringsresultaterne af strålestrømmen. Det kan ses, at de to strålestrømme er 76 mA, hvilket stemmer godt overens med de designede 80 mA.
I betragtning af udsvingene i drivspændingen i praktiske anvendelser er det nødvendigt at undersøge spændingsfølsomheden af ​​denne model. I spændingsområdet 19,8 ~ 20,6 kV opnås strøm- og strålestrømsindhyllingskurverne, som vist i figur 1 og figur 1.10 og 11. Ud fra resultaterne kan det ses, at ændringen i drivspændingen ikke har nogen effekt på elektronstråleindhyllingskurven, og elektronstrålestrømmen ændrer sig kun fra 0,74 til 0,78 A. Derfor kan det anses, at den elektronkanon, der er designet i denne artikel, har en god spændingsfølsomhed.
Effekten af ​​​​drivspændingsfluktuationer på strålekonvolutterne i x- og y-retningen.
Et ensartet magnetisk fokuseringsfelt er et almindeligt permanentmagnetfokuseringssystem. På grund af den ensartede magnetfeltfordeling i hele strålekanalen er det meget velegnet til aksesymmetriske elektronstråler. I dette afsnit foreslås et ensartet magnetisk fokuseringssystem til at opretholde langdistancetransmission af dobbelte blyantstråler. Ved at analysere det genererede magnetfelt og strålehylsteret foreslås designskemaet for fokuseringssystemet, og følsomhedsproblemet undersøges. I henhold til den stabile transmissionsteori for en enkelt blyantstråle18,19 kan Brillouins magnetfeltværdi beregnes ved hjælp af ligning (2). I denne artikel bruger vi også denne ækvivalens til at estimere magnetfeltet for en lateralt fordelt dobbelt blyantstråle. Kombineret med den elektronkanon, der er designet i denne artikel, er den beregnede magnetfeltværdi omkring 4000 Gs. I henhold til Ref. 20 vælges normalt 1,5-2 gange den beregnede værdi i praktiske designs.
Figur 12 viser strukturen af ​​et ensartet magnetfeltfokuseringssystem. Den blå del er den permanente magnet magnetiseret i aksial retning. Materialevalget er NdFeB eller FeCoNi. Remanensen Br, der er indstillet i simuleringsmodellen, er 1,3 T, og permeabiliteten er 1,05. For at sikre stabil transmission af strålen i hele kredsløbet, er magnetens længde initialt indstillet til 70 mm. Derudover bestemmer magnetens størrelse i x-retningen, om det tværgående magnetfelt i strålekanalen er ensartet, hvilket kræver, at størrelsen i x-retningen ikke må være for lille. Samtidig bør magnetens størrelse, i betragtning af omkostningerne og vægten af ​​hele røret, ikke være for stor. Derfor er magneterne initialt indstillet til 150 mm × 150 mm × 70 mm. For at sikre, at hele langsombølgekredsløbet kan placeres i fokuseringssystemet, er afstanden mellem magneterne indstillet til 20 mm.
I 2015 foreslog Purna Chandra Panda21 et polstykke med et nyt trinhul i et ensartet magnetisk fokuseringssystem, som yderligere kan reducere størrelsen af ​​fluxlækage til katoden og det tværgående magnetfelt, der genereres ved polstykkehullet. I denne artikel tilføjer vi en trinstruktur til fokuseringssystemets polstykke. Tykkelsen af ​​polstykket er oprindeligt indstillet til 1,5 mm, højden og bredden af ​​de tre trin er 0,5 mm, og afstanden mellem polstykkehullerne er 2 mm, som vist i figur 13.
Figur 14a viser den aksiale magnetfeltfordeling langs centerlinjerne af de to elektronstråler. Det kan ses, at magnetfeltkræfterne langs de to elektronstråler er ens. Magnetfeltværdien er omkring 6000 Gs, hvilket er 1,5 gange det teoretiske Brillouin-felt for at øge transmissions- og fokuseringsydelsen. Samtidig er magnetfeltet ved katoden næsten 0, hvilket indikerer, at polstykket har en god effekt på at forhindre magnetisk fluxlækage. Figur 14b viser den tværgående magnetfeltfordeling By i z-retningen ved den øvre kant af de to elektronstråler. Det kan ses, at det tværgående magnetfelt kun er mindre end 200 Gs ved polstykkehullet, mens det tværgående magnetfelt i langsombølgekredsløbet er næsten nul, hvilket beviser, at det tværgående magnetfelts indflydelse på elektronstrålen er ubetydelig. For at forhindre magnetisk mætning af polstykkerne er det nødvendigt at undersøge magnetfeltstyrken inde i polstykkerne. Figur 14c viser den absolutte værdi af magnetfeltfordelingen inde i polstykket. Det kan ses, at den absolutte værdi af magnetfeltstyrken er mindre end 1,2 T, hvilket indikerer, at magnetisk mætning af polstykket ikke vil forekomme.
Magnetisk feltstyrkefordeling for Br = 1,3 T. (a) Aksial feltfordeling. (b) Lateral feltfordeling By i z-retningen. (c) Absolut værdi af feltfordelingen i polstykket.
Baseret på CST PS-modulet er den aksiale relative position af dobbeltstrålekanonen og fokuseringssystemet optimeret. Ifølge Ref. 9 og simuleringer er den optimale placering, hvor anodestykket overlapper polstykket væk fra magneten. Det blev imidlertid konstateret, at hvis remanensen blev indstillet til 1,3 T, kunne elektronstrålens transmittans ikke nå 99 %. Ved at øge remanensen til 1,4 T vil det fokuserende magnetfelt blive øget til 6500 Gs. Strålebanerne på xoz- og yoz-planerne er vist i figur 15. Det kan ses, at strålen har god transmission, lille fluktuation og en transmissionsafstand på over 45 mm.
Baner for dobbelte blyantstråler under et homogent magnetisk system med Br = 1,4 T. (a) xoz plan. (b) yoz luftfartøj.
Figur 16 viser tværsnittet af strålen på forskellige positioner væk fra katoden. Det kan ses, at formen af ​​strålesektionen i fokuseringssystemet er velholdt, og sektionsdiameteren ændrer sig ikke meget. Figur 17 viser stråleindhylningshylstrene i henholdsvis x- og y-retningerne. Det kan ses, at strålens fluktuation i begge retninger er meget lille. Figur 18 viser simuleringsresultaterne af strålestrømmen. Resultaterne viser, at strømmen er omkring 2 × 80 mA, hvilket stemmer overens med den beregnede værdi i elektronkanondesignet.
Elektronstråletværsnit (med fokuseringssystem) på forskellige positioner væk fra katoden.
I betragtning af en række problemer såsom samlingsfejl, spændingsudsving og ændringer i magnetfeltstyrken i praktiske behandlingsapplikationer, er det nødvendigt at analysere fokuseringssystemets følsomhed. Fordi der er et mellemrum mellem anodestykket og polstykket under den faktiske behandling, skal dette mellemrum indstilles i simuleringen. Mellemrumsværdien blev sat til 0,2 mm, og figur 19a viser stråleindhylningen og strålestrømmen i y-retningen. Dette resultat viser, at ændringen i stråleindhylningen ikke er signifikant, og strålestrømmen ændrer sig næsten ikke. Derfor er systemet ufølsomt over for samlingsfejl. For udsvingene i drivspændingen er fejlområdet indstillet til ±0,5 kV. Figur 19b viser sammenligningsresultaterne. Det kan ses, at spændingsændringen har ringe effekt på stråleindhylningen. Fejlområdet er indstillet fra -0,02 til +0,03 T for ændringer i magnetfeltstyrken. Sammenligningsresultaterne er vist i figur 20. Det kan ses, at stråleindhylningen næsten ikke ændrer sig, hvilket betyder, at hele EOS er ufølsom over for ændringer i magnetfeltstyrken.
Stråleindhylnings- og strømresultater under et ensartet magnetisk fokuseringssystem. (a) Samlingstolerancen er 0,2 mm. (b) Drivspændingsfluktuationen er ±0,5 kV.
Strålehylster under et ensartet magnetisk fokuseringssystem med aksiale magnetiske feltstyrkefluktuationer i intervallet 0,63 til 0,68 T.
For at sikre, at det fokuseringssystem, der er designet i denne artikel, kan matche HFS, er det nødvendigt at kombinere fokuseringssystemet og HFS til forskning. Figur 21 viser en sammenligning af stråleindhyllingsområder med og uden HFS belastet. Resultaterne viser, at stråleindhyllingsområdet ikke ændrer sig meget, når hele HFS'en er belastet. Derfor er fokuseringssystemet egnet til HFS'en med vandrebølgerør i ovenstående design.
For at verificere rigtigheden af ​​den EOS, der er foreslået i afsnit III, og undersøge ydeevnen af ​​220 GHz SDV-TWT'en, udføres en 3D-PIC-simulering af stråle-bølge-interaktion. På grund af begrænsninger i simuleringssoftwaren kunne vi ikke tilføje hele EOS'en til HFS. Derfor blev elektronkanonen erstattet med en tilsvarende udstrålende overflade med en diameter på 0,13 mm og en afstand mellem de to overflader på 0,31 mm, de samme parametre som den ovenfor designede elektronkanon. På grund af EOS' ufølsomhed og gode stabilitet kan drivspændingen optimeres korrekt for at opnå den bedste udgangseffekt i PIC-simuleringen. Simuleringsresultaterne viser, at den mættede udgangseffekt og forstærkning kan opnås ved en drivspænding på 20,6 kV, en strålestrøm på 2 × 80 mA (603 A/cm2) og en indgangseffekt på 0,05 W.
For at opnå det bedste udgangssignal skal antallet af cyklusser også optimeres. Den bedste udgangseffekt opnås, når antallet af to trin er 42 + 48 cyklusser, som vist i figur 22a. Et 0,05 W indgangssignal forstærkes til 314 W med en forstærkning på 38 dB. Udgangseffektspektret opnået ved Fast Fourier Transform (FFT) er rent og topper ved 220 GHz. Figur 22b viser den aksiale positionsfordeling af elektronenergi i SWS, hvor de fleste elektroner mister energi. Dette resultat indikerer, at SDV-SWS kan konvertere elektronernes kinetiske energi til RF-signaler og derved realisere signalforstærkning.
SDV-SWS udgangssignal ved 220 GHz. (a) Udgangseffekt med inkluderet spektrum. (b) Energifordeling af elektroner med elektronstrålen for enden af ​​SWS-indsatsen.
Figur 23 viser udgangseffektbåndbredden og forstærkningen for en dual-mode dual-beam SDV-TWT. Udgangsydelsen kan forbedres yderligere ved at justere frekvenserne fra 200 til 275 GHz og optimere drivspændingen. Dette resultat viser, at 3-dB båndbredden kan dække 205 til 275 GHz, hvilket betyder, at dual-mode-drift kan udvide driftsbåndbredden betydeligt.
Ifølge figur 2a ved vi imidlertid, at der er et stopbånd mellem den ulige og lige tilstand, hvilket kan føre til uønskede svingninger. Derfor skal arbejdsstabilitet omkring stoppene undersøges. Figur 24a-c er 20 ns simuleringsresultaterne ved henholdsvis 265,3 GHz, 265,35 GHz og 265,4 GHz. Det kan ses, at selvom simuleringsresultaterne har nogle udsving, er udgangseffekten relativt stabil. Spektret er også vist i figur 24, hvor spektret er rent. Disse resultater indikerer, at der ikke er nogen selvsvingning nær stopbåndet.
Fremstilling og måling er nødvendige for at verificere korrektheden af ​​hele HFS'en. I denne del fremstilles HFS'en ved hjælp af computer numerisk styringsteknologi (CNC) med en værktøjsdiameter på 0,1 mm og en bearbejdningsnøjagtighed på 10 μm. Materialet til højfrekvensstrukturen er leveret af iltfrit højkonduktivt (OFHC) kobber. Figur 25a viser den fremstillede struktur. Hele strukturen har en længde på 66,00 mm, en bredde på 20,00 mm og en højde på 8,66 mm. Otte huller er fordelt rundt om strukturen. Figur 25b viser strukturen ved scanningelektronmikroskopi (SEM). Bladene i denne struktur er ensartet produceret og har god overfladeruhed. Efter præcis måling er den samlede bearbejdningsfejl mindre end 5%, og overfladeruheden er ca. 0,4 μm. Bearbejdningsstrukturen opfylder design- og præcisionskravene.
Figur 26 viser sammenligningen mellem faktiske testresultater og simuleringer af transmissionsydelse. Port 1 og Port 2 i Figur 26a svarer til henholdsvis input- og outputportene på HFS'en og svarer til Port 1 og Port 4 i Figur 3. De faktiske måleresultater for S11 er en smule bedre end simuleringsresultaterne. Samtidig er de målte resultater for S21 en smule dårligere. Årsagen kan være, at den materialeledningsevne, der er indstillet i simuleringen, er for høj, og at overfladeruheden efter den faktiske bearbejdning er dårlig. Samlet set er de målte resultater i god overensstemmelse med simuleringsresultaterne, og transmissionsbåndbredden opfylder kravet på 70 GHz, hvilket verificerer gennemførligheden og korrektheden af ​​den foreslåede dual-mode SDV-TWT. Kombineret med den faktiske fremstillingsproces og testresultater kan det ultrabredbånds-dual-beam SDV-TWT-design, der foreslås i denne artikel, derfor bruges til efterfølgende fremstilling og anvendelser.
I denne artikel præsenteres et detaljeret design af en planfordelings 220 GHz dobbeltstråle SDV-TWT. Kombinationen af ​​dobbelttilstandsdrift og dobbeltstråleexcitation øger yderligere driftsbåndbredden og udgangseffekten. Fremstilling og koldtest udføres også for at verificere korrektheden af ​​hele HFS. De faktiske måleresultater stemmer godt overens med simuleringsresultaterne. For den designede dobbeltstrålede EOS er en maskesektion og kontrolelektroder blevet brugt sammen til at producere en dobbeltblyantstråle. Under det designede ensartede fokuserende magnetfelt kan elektronstrålen transmitteres stabilt over lange afstande med god form. I fremtiden vil produktion og testning af EOS blive udført, og den termiske test af hele TWT vil også blive udført. Dette SDV-TWT-designskema, der foreslås i denne artikel, kombinerer fuldt ud den nuværende modne planbehandlingsteknologi og viser stort potentiale inden for præstationsindikatorer samt behandling og samling. Derfor mener denne artikel, at den plane struktur sandsynligvis vil blive udviklingstendensen for vakuumelektroniske enheder i terahertz-båndet.
De fleste af rådataene og de analytiske modeller i denne undersøgelse er inkluderet i denne artikel. Yderligere relevante oplysninger kan indhentes fra den korresponderende forfatter efter rimelig anmodning.
Gamzina, D. et al. CNC-bearbejdning i nanoskala af subterahertz-vakuumelektronik. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. og Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikation af sub-terahertz bølgeledere ved hjælp af flerlags SU-8 fotoresist. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 THz-teknologikøreplan. 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 Stærk indespærring af plasmonisk bølgeudbredelse via ultrabredbåndsforskudte dobbeltgitterbølgeledere.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Ydeevne af en nano-CNC-maskineret 220-GHz vandrebølgerørforstærker. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Undersøgelse af diocotron-ustabilitet i uendeligt brede elektronstråler ved hjælp af makroskopisk koldvæskemodelteori. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV om muligheden for at øge båndbredden ved hjælp af strålens plane layout i en multibeam-klystron. I 12th IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, Indien, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Design af trestrålede elektronkanoner med smal stråledelingsplanfordeling i W-bånds forskudt dobbeltbladet vandrebølgerør [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 distribueret trestrålet elektronoptisk system med smal stråleseparation til W-bånds fundamentaltilstand TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Forskning i sammenflettede dobbeltbladede vandrebølgerør med millimeterbølgepladebjælker 20-22 (ph.d., Beihang Universitet, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Undersøgelse af stråle-bølge-interaktionsstabilitet i et G-bånds interleaved dobbeltbladet vandrebølgerør. 2018 43. internationale konference om infrarøde millimeter- og terahertzbølger, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).