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En este artículo, se diseña y verifica un tubo de onda viajera de doble hoja entrelazada de alta potencia y banda ancha de 220 GHz. Primero, se propone una estructura de onda lenta de doble hoja escalonada de doble haz planar. Mediante el uso de un esquema de operación de modo dual, el rendimiento de transmisión y el ancho de banda son casi el doble que los del modo único. En segundo lugar, para cumplir con los requisitos de alta potencia de salida y mejorar la estabilidad del tubo de onda viajera, se diseña un sistema óptico electrónico doble en forma de lápiz, con un voltaje de accionamiento de 20~21 kV y una corriente de 2 × 80 mA. Objetivos de diseño: Mediante el uso de la máscara y el electrodo de control en el cañón de doble haz, los dos haces de lápiz se pueden enfocar a lo largo de sus respectivos centros con una relación de compresión de 7, la distancia de enfoque es de aproximadamente 0,18 mm y la estabilidad es buena. El sistema de enfoque magnético uniforme también se ha optimizado. La distancia de transmisión estable del haz de electrones doble planar puede alcanzar los 45 mm, y el campo magnético de enfoque es de 0,6 T, lo cual es suficiente para cubrir todo el sistema de alta frecuencia. (HFS). Luego, para verificar la usabilidad del sistema electroóptico y el rendimiento de la estructura de onda lenta, también se realizaron simulaciones de celda de partículas (PIC) en todo el HFS. Los resultados muestran que el sistema de interacción del haz puede alcanzar una potencia de salida máxima de casi 310 W a 220 GHz, el voltaje del haz optimizado es de 20,6 kV, la corriente del haz es de 2 × 80 mA, la ganancia es de 38 dB y el ancho de banda de 3 dB supera los 35 dB alrededor de 70 GHz. Finalmente, se realiza la fabricación de microestructuras de alta precisión para verificar el rendimiento del HFS, y los resultados muestran que el ancho de banda y las características de transmisión están en buena concordancia con los resultados de la simulación. Por lo tanto, se espera que el esquema propuesto en este artículo desarrolle fuentes de radiación de banda de terahercios de alta potencia y banda ultraancha con potencial para futuras aplicaciones.
Como dispositivo electrónico de vacío tradicional, el tubo de onda viajera (TWT) desempeña un papel insustituible en muchas aplicaciones, como radares de alta resolución, sistemas de comunicación por satélite y exploración espacial1,2,3. Sin embargo, a medida que la frecuencia de operación entra en la banda de terahercios, el TWT de cavidad acoplada tradicional y el TWT helicoidal no han podido satisfacer las necesidades de las personas debido a la potencia de salida relativamente baja, el ancho de banda estrecho y los procesos de fabricación difíciles. Por lo tanto, cómo mejorar integralmente el rendimiento de la banda de THz se ha convertido en un tema de gran preocupación para muchas instituciones de investigación científica. En los últimos años, las nuevas estructuras de onda lenta (SWS), como las estructuras de doble pala escalonada (SDV) y las estructuras de guía de onda plegada (FW), han recibido una amplia atención debido a sus estructuras planas naturales, especialmente las nuevas SDV-SWS con un potencial prometedor. Esta estructura fue propuesta por UC-Davis en 20084. La estructura plana se puede fabricar fácilmente mediante técnicas de procesamiento micro-nano como el control numérico computarizado (CNC) y UV-LIGA, la estructura de paquete totalmente metálico puede Proporcionar una mayor capacidad térmica con mayor potencia de salida y ganancia, y la estructura tipo guía de onda también puede proporcionar un ancho de banda de trabajo más amplio. Actualmente, UC Davis demostró por primera vez en 2017 que SDV-TWT puede generar salidas de alta potencia superiores a 100 W y señales de ancho de banda de casi 14 GHz en la banda G5. Sin embargo, estos resultados aún tienen brechas que no pueden cumplir con los requisitos relacionados de alta potencia y ancho de banda amplio en la banda de terahercios. Para el SDV-TWT de banda G de UC-Davis, se han utilizado haces de electrones de lámina. Aunque este esquema puede mejorar significativamente la capacidad de transporte de corriente del haz, es difícil mantener una larga distancia de transmisión debido a la inestabilidad del sistema óptico de electrones de haz de lámina (EOS), y hay un túnel de haz sobremodo, que también puede causar que el haz se autorregule. – Excitación y oscilación 6,7. Para cumplir con los requisitos de alta potencia de salida, amplio ancho de banda y buena estabilidad del TWT de THz, en este artículo se propone un SDV-SWS de doble haz con operación de modo dual. Es decir, para aumentar el ancho de banda operativo, se propone e introduce la operación de modo dual en esta estructura. Además, para aumentar la potencia de salida, también se utiliza una distribución planar de haces de lápiz dobles. Las radios de haz de lápiz único son relativamente pequeñas debido a las restricciones de tamaño vertical. Si la densidad de corriente es demasiado alta, la corriente del haz debe reducirse, lo que resulta en una potencia de salida relativamente baja. Para mejorar la corriente del haz, ha surgido el EOS multihaz distribuido planar, que explota el tamaño lateral del SWS. Debido al túnel de haz independiente, el multihaz distribuido planar puede lograr una alta potencia de salida al mantener una alta corriente total del haz y una pequeña corriente por haz, lo que puede evitar el túnel de haz de modo superior en comparación con los dispositivos de haz de lámina. Por lo tanto, es beneficioso para mantener la estabilidad del tubo de onda viajera. Sobre la base de En trabajos anteriores8,9, este artículo propone un EOS de doble haz de lápiz con enfoque de campo magnético uniforme en banda G, que puede mejorar en gran medida la distancia de transmisión estable del haz y aumentar aún más el área de interacción del haz, mejorando así en gran medida la potencia de salida.
La estructura de este documento es la siguiente. En primer lugar, se describe el diseño de la celda SWS con sus parámetros, el análisis de las características de dispersión y los resultados de la simulación de alta frecuencia. A continuación, de acuerdo con la estructura de la celda unitaria, se diseña un sistema de interacción de haces y un sistema de EOS de doble haz de lápiz. También se presentan los resultados de la simulación de partículas intracelulares para verificar la utilidad del EOS y el rendimiento del SDV-TWT. Además, el documento presenta brevemente los resultados de la fabricación y las pruebas en frío para verificar la corrección de todo el HFS. Finalmente, se presenta un resumen.
Como uno de los componentes más importantes del TWT, las propiedades dispersivas de la estructura de onda lenta indican si la velocidad del electrón coincide con la velocidad de fase de la SWS, y por lo tanto influyen considerablemente en la interacción haz-onda. Para mejorar el rendimiento del TWT en su conjunto, se diseña una estructura de interacción mejorada. La estructura de la celda unitaria se muestra en la Figura 1. Considerando la inestabilidad del haz laminar y la limitación de potencia del haz de pluma simple, la estructura adopta un haz de pluma doble para mejorar aún más la potencia de salida y la estabilidad operativa. Mientras tanto, para aumentar el ancho de banda de trabajo, se ha propuesto un modo dual para el funcionamiento de la SWS. Debido a la simetría de la estructura SDV, la solución de la ecuación de dispersión del campo electromagnético se puede dividir en modos impares y pares. Al mismo tiempo, el modo impar fundamental de la banda de baja frecuencia y el modo par fundamental de la banda de alta frecuencia se utilizan para lograr la sincronización de banda ancha de la interacción del haz, mejorando así aún más el ancho de banda de trabajo.
Según los requisitos de potencia, todo el tubo está diseñado con un voltaje de excitación de 20 kV y una corriente de doble haz de 2 × 80 mA. Para que el voltaje coincida lo más posible con el ancho de banda operativo del SDV-SWS, necesitamos calcular la longitud del período p. La relación entre el voltaje del haz y el período se muestra en la ecuación (1)10:
Al establecer el desplazamiento de fase en 2,5π en la frecuencia central de 220 GHz, el período p se puede calcular en 0,46 mm. La figura 2a muestra las propiedades de dispersión de la celda unitaria SWS. La línea de haz de 20 kV coincide muy bien con la curva bimodal. Las bandas de frecuencia coincidentes pueden alcanzar alrededor de 70 GHz en los rangos de 210–265,3 GHz (modo impar) y 265,4–280 GHz (modo par). La figura 2b muestra la impedancia de acoplamiento promedio, que es mayor que 0,6 Ω de 210 a 290 GHz, lo que indica que pueden ocurrir interacciones fuertes en el ancho de banda operativo.
(a) Características de dispersión de un SDV-SWS de modo dual con una línea de haz de electrones de 20 kV. (b) Impedancia de interacción del circuito de onda lenta SDV.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que existe una banda prohibida entre los modos impares y pares, a la que solemos denominar banda de parada, como se muestra en la Figura 2a. Si el TWT se opera cerca de esta banda de frecuencia, puede producirse un acoplamiento de haz intenso, lo que provocará oscilaciones no deseadas. En aplicaciones prácticas, generalmente evitamos usar TWT cerca de la banda de parada. Sin embargo, se puede observar que la banda prohibida de esta estructura de onda lenta es de tan solo 0,1 GHz. Es difícil determinar si esta pequeña banda prohibida causa oscilaciones. Por lo tanto, en la siguiente sección de simulación PIC se investigará la estabilidad de operación alrededor de la banda de parada para analizar si pueden producirse oscilaciones no deseadas.
El modelo de todo el HFS se muestra en la Figura 3. Consta de dos etapas de SDV-SWS, conectadas por reflectores de Bragg. La función del reflector es cortar la transmisión de señal entre las dos etapas, suprimir la oscilación y reflexión de modos no operativos como los modos de orden superior generados entre las palas superior e inferior, mejorando así en gran medida la estabilidad de todo el tubo. Para la conexión al entorno externo, también se utiliza un acoplador cónico lineal para conectar el SWS a una guía de ondas estándar WR-4. El coeficiente de transmisión de la estructura de dos niveles se mide mediante un solucionador de dominio temporal en el software de simulación 3D. Considerando el efecto real de la banda de terahercios en el material, el material de la envoltura de vacío se establece inicialmente en cobre y la conductividad se reduce a 2,25 × 10⁷ S/m¹².
La Figura 4 muestra los resultados de transmisión para HFS con y sin acopladores cónicos lineales. Los resultados muestran que el acoplador tiene poco efecto en el rendimiento de transmisión de todo el HFS. La pérdida de retorno (S11 < − 10 dB) y la pérdida de inserción (S21 > − 5 dB) de todo el sistema en la banda ancha de 207~280 GHz muestran que el HFS tiene buenas características de transmisión.
Como fuente de alimentación de dispositivos electrónicos de vacío, el cañón de electrones determina directamente si el dispositivo puede generar suficiente potencia de salida. Combinado con el análisis de HFS en la Sección II, es necesario diseñar un EOS de doble haz para proporcionar suficiente potencia. En esta parte, basándose en trabajos previos en banda W8,9, se diseña un cañón de electrones de doble lápiz utilizando una parte de máscara planar y electrodos de control. Primero, de acuerdo con los requisitos de diseño de SWS en la Sec. Como se muestra en la FIG. 2 , el voltaje de accionamiento Ua de los haces de electrones se establece inicialmente en 20 kV, las corrientes I de los dos haces de electrones son ambas de 80 mA, y el diámetro del haz dw de los haces de electrones es de 0,13 mm. Al mismo tiempo, para asegurar que se pueda lograr la densidad de corriente del haz de electrones y del cátodo, la relación de compresión del haz de electrones se establece en 7, por lo que la densidad de corriente del haz de electrones es de 603 A/cm2, y la densidad de corriente del cátodo es de 86 A/cm2, lo que se puede lograr mediante Esto se logra utilizando nuevos materiales de cátodo. De acuerdo con la teoría de diseño 14, 15, 16, 17, se puede identificar de forma única un cañón de electrones Pierce típico.
La Figura 5 muestra los diagramas esquemáticos horizontal y vertical del cañón, respectivamente. Se puede observar que el perfil del cañón de electrones en la dirección x es casi idéntico al de un cañón de electrones típico en forma de lámina, mientras que en la dirección y los dos haces de electrones están parcialmente separados por la máscara. Las posiciones de los dos cátodos son x = – 0,155 mm, y = 0 mm y x = 0,155 mm, y = 0 mm, respectivamente. De acuerdo con los requisitos de diseño de la relación de compresión y el tamaño de inyección de electrones, las dimensiones de las superficies de los dos cátodos se determinan en 0,91 mm × 0,13 mm.
Para lograr que el campo eléctrico enfocado que recibe cada haz de electrones en la dirección x sea simétrico con respecto a su propio centro, este artículo aplica un electrodo de control al cañón de electrones. Al establecer el voltaje del electrodo de enfoque y del electrodo de control en -20 kV, y el voltaje del ánodo en 0 V, podemos obtener la distribución de trayectoria del cañón de doble haz, como se muestra en la Fig. 6. Se puede observar que los electrones emitidos tienen buena compresibilidad en la dirección y, y cada haz de electrones converge hacia la dirección x a lo largo de su propio centro de simetría, lo que indica que el electrodo de control equilibra el campo eléctrico desigual generado por el electrodo de enfoque.
La Figura 7 muestra la envolvente del haz en las direcciones x e y. Los resultados muestran que la distancia de proyección del haz de electrones en la dirección x es diferente de la de la dirección y. La distancia de lanzamiento en la dirección x es de aproximadamente 4 mm, y la distancia de lanzamiento en la dirección y es cercana a 7 mm. Por lo tanto, la distancia de lanzamiento real debe elegirse entre 4 y 7 mm. La Figura 8 muestra la sección transversal del haz de electrones a 4,6 mm de la superficie del cátodo. Podemos ver que la forma de la sección transversal es la más cercana a un haz de electrones circular estándar. La distancia entre los dos haces de electrones es cercana a los 0,31 mm diseñados, y el radio es de aproximadamente 0,13 mm, lo que cumple con los requisitos de diseño. La Figura 9 muestra los resultados de la simulación de la corriente del haz. Se puede ver que las dos corrientes del haz son de 76 mA, lo que está en buena concordancia con los 80 mA diseñados.
Considerando la fluctuación del voltaje de accionamiento en aplicaciones prácticas, es necesario estudiar la sensibilidad al voltaje de este modelo. En el rango de voltaje de 19,8 a 20,6 kV, se obtienen las envolventes de corriente y corriente del haz, como se muestra en la Figura 1 y las Figuras 1.10 y 11. A partir de los resultados, se puede observar que el cambio del voltaje de accionamiento no tiene efecto en la envolvente del haz de electrones, y la corriente del haz de electrones solo cambia de 0,74 a 0,78 A. Por lo tanto, se puede considerar que el cañón de electrones diseñado en este artículo tiene una buena sensibilidad al voltaje.
El efecto de las fluctuaciones del voltaje de excitación en las envolventes del haz en las direcciones x e y.
Un campo de enfoque magnético uniforme es un sistema de enfoque de imán permanente común. Debido a la distribución uniforme del campo magnético a lo largo del canal del haz, es muy adecuado para haces de electrones axisimétricos. En esta sección, se propone un sistema de enfoque magnético uniforme para mantener la transmisión a larga distancia de haces de lápiz dobles. Mediante el análisis del campo magnético generado y la envolvente del haz, se propone el esquema de diseño del sistema de enfoque y se estudia el problema de la sensibilidad. De acuerdo con la teoría de transmisión estable de un solo haz de lápiz18,19, el valor del campo magnético de Brillouin se puede calcular mediante la ecuación (2). En este artículo, también utilizamos esta equivalencia para estimar el campo magnético de un haz de lápiz doble distribuido lateralmente. Combinado con el cañón de electrones diseñado en este artículo, el valor del campo magnético calculado es de aproximadamente 4000 Gs. Según la Ref. 20, en los diseños prácticos se suele elegir entre 1,5 y 2 veces el valor calculado.
La Figura 12 muestra la estructura de un sistema de campo de enfoque de campo magnético uniforme. La parte azul es el imán permanente magnetizado en la dirección axial. La selección de materiales es NdFeB o FeCoNi. La remanencia Br establecida en el modelo de simulación es 1,3 T y la permeabilidad es 1,05. Para garantizar la transmisión estable del haz en todo el circuito, la longitud del imán se establece inicialmente en 70 mm. Además, el tamaño del imán en la dirección x determina si el campo magnético transversal en el canal del haz es uniforme, lo que requiere que el tamaño en la dirección x no sea demasiado pequeño. Al mismo tiempo, considerando el costo y el peso de todo el tubo, el tamaño del imán no debe ser demasiado grande. Por lo tanto, los imanes se establecen inicialmente en 150 mm × 150 mm × 70 mm. Mientras tanto, para garantizar que todo el circuito de onda lenta se pueda colocar en el sistema de enfoque, la distancia entre los imanes se establece en 20 mm.
En 2015, Purna Chandra Panda21 propuso una pieza polar con un nuevo orificio escalonado en un sistema de enfoque magnético uniforme, que puede reducir aún más la magnitud de la fuga de flujo al cátodo y el campo magnético transversal generado en el orificio de la pieza polar. En este artículo, agregamos una estructura escalonada a la pieza polar del sistema de enfoque. El espesor de la pieza polar se establece inicialmente en 1,5 mm, la altura y el ancho de los tres escalones son de 0,5 mm, y la distancia entre los orificios de la pieza polar es de 2 mm, como se muestra en la Figura 13.
La figura 14a muestra la distribución del campo magnético axial a lo largo de los ejes centrales de los dos haces de electrones. Se observa que las fuerzas del campo magnético a lo largo de ambos haces son iguales. El valor del campo magnético es de aproximadamente 6000 Gs, lo que equivale a 1,5 veces el campo de Brillouin teórico para aumentar la transmisión y el rendimiento de enfoque. Al mismo tiempo, el campo magnético en el cátodo es casi cero, lo que indica que la pieza polar tiene un buen efecto en la prevención de fugas de flujo magnético. La figura 14b muestra la distribución del campo magnético transversal By en la dirección z en el borde superior de los dos haces de electrones. Se observa que el campo magnético transversal es inferior a 200 Gs solo en el orificio de la pieza polar, mientras que en el circuito de onda lenta, el campo magnético transversal es casi cero, lo que demuestra que la influencia del campo magnético transversal en el haz de electrones es despreciable. Para evitar la saturación magnética de las piezas polares, es necesario estudiar la intensidad del campo magnético en su interior. La figura 14c muestra el valor absoluto de la distribución del campo magnético dentro de la pieza polar. pieza.Se puede observar que el valor absoluto de la intensidad del campo magnético es menor a 1,2 T, lo que indica que no se producirá la saturación magnética de la pieza polar.
Distribución de la intensidad del campo magnético para Br = 1,3 T. (a) Distribución axial del campo. (b) Distribución lateral del campo By en la dirección z. (c) Valor absoluto de la distribución del campo dentro de la pieza polar.
Basándose en el módulo CST PS, se optimiza la posición relativa axial del cañón de doble haz y el sistema de enfoque. Según la referencia 9 y las simulaciones, la ubicación óptima es donde la pieza del ánodo se superpone a la pieza polar lejos del imán. Sin embargo, se encontró que si la remanencia se ajustaba a 1,3 T, la transmitancia del haz de electrones no podía alcanzar el 99 %. Al aumentar la remanencia a 1,4 T, el campo magnético de enfoque aumentará a 6500 Gs. Las trayectorias del haz en los planos xoz e yoz se muestran en la figura 15. Se puede observar que el haz tiene buena transmisión, poca fluctuación y una distancia de transmisión mayor de 45 mm.
Trayectorias de haces de lápiz dobles bajo un sistema magnético homogéneo con Br = 1,4 T. (a) plano xoz. (b) aeronave yoz.
La figura 16 muestra la sección transversal del haz en diferentes posiciones alejadas del cátodo. Se puede observar que la forma de la sección del haz en el sistema de enfoque se mantiene bien y el diámetro de la sección no cambia mucho. La figura 17 muestra las envolventes del haz en las direcciones x e y, respectivamente. Se puede observar que la fluctuación del haz en ambas direcciones es muy pequeña. La figura 18 muestra los resultados de la simulación de la corriente del haz. Los resultados muestran que la corriente es de aproximadamente 2 × 80 mA, lo cual es consistente con el valor calculado en el diseño del cañón de electrones.
Sección transversal del haz de electrones (con sistema de enfoque) en diferentes posiciones alejadas del cátodo.
Considerando una serie de problemas como errores de ensamblaje, fluctuaciones de voltaje y cambios en la intensidad del campo magnético en aplicaciones de procesamiento práctico, es necesario analizar la sensibilidad del sistema de enfoque. Debido a que hay un espacio entre la pieza del ánodo y la pieza polar en el procesamiento real, este espacio debe establecerse en la simulación. El valor del espacio se estableció en 0,2 mm y la Figura 19a muestra la envolvente del haz y la corriente del haz en la dirección y. Este resultado muestra que el cambio en la envolvente del haz no es significativo y la corriente del haz apenas cambia. Por lo tanto, el sistema es insensible a los errores de ensamblaje. Para la fluctuación del voltaje de accionamiento, el rango de error se establece en ±0,5 kV. La Figura 19b muestra los resultados de la comparación. Se puede ver que el cambio de voltaje tiene poco efecto en la envolvente del haz. El rango de error se establece de -0,02 a +0,03 T para cambios en la intensidad del campo magnético. Los resultados de la comparación se muestran en la Figura 20. Se puede ver que la envolvente del haz apenas cambia, lo que significa que toda la EOS es insensible a los cambios en la intensidad del campo magnético.
Envolvente del haz y resultados de corriente bajo un sistema de enfoque magnético uniforme. (a) La tolerancia de ensamblaje es de 0,2 mm. (b) La fluctuación del voltaje de accionamiento es de ±0,5 kV.
Envolvente del haz bajo un sistema de enfoque magnético uniforme con fluctuaciones de la intensidad del campo magnético axial que oscilan entre 0,63 y 0,68 T.
Para garantizar que el sistema de enfoque diseñado en este documento sea compatible con el HFS, es necesario combinar ambos sistemas para la investigación. La Figura 21 muestra una comparación de las envolventes del haz con y sin HFS cargado. Los resultados muestran que la envolvente del haz no cambia mucho cuando se carga todo el HFS. Por lo tanto, el sistema de enfoque es adecuado para el HFS de tubo de onda viajera del diseño mencionado.
Para verificar la corrección de la EOS propuesta en la Sección III e investigar el rendimiento del SDV-TWT de 220 GHz, se realiza una simulación 3D-PIC de la interacción haz-onda. Debido a las limitaciones del software de simulación, no pudimos agregar toda la EOS a HFS. Por lo tanto, el cañón de electrones fue reemplazado por una superficie emisora ​​equivalente con un diámetro de 0,13 mm y una distancia entre las dos superficies de 0,31 mm, los mismos parámetros que el cañón de electrones diseñado anteriormente. Debido a la insensibilidad y buena estabilidad de la EOS, el voltaje de accionamiento se puede optimizar adecuadamente para lograr la mejor potencia de salida en la simulación PIC. Los resultados de la simulación muestran que la potencia de salida y la ganancia saturadas se pueden obtener con un voltaje de accionamiento de 20,6 kV, una corriente de haz de 2 × 80 mA (603 A/cm2) y una potencia de entrada de 0,05 W.
Para obtener la mejor señal de salida, también es necesario optimizar el número de ciclos. La mejor potencia de salida se obtiene cuando el número de dos etapas es 42 + 48 ciclos, como se muestra en la Figura 22a. Una señal de entrada de 0,05 W se amplifica a 314 W con una ganancia de 38 dB. El espectro de potencia de salida obtenido mediante la Transformada Rápida de Fourier (FFT) es puro, con un pico en 220 GHz. La Figura 22b muestra la distribución de la posición axial de la energía de los electrones en el SWS, donde la mayoría de los electrones pierden energía. Este resultado indica que el SDV-SWS puede convertir la energía cinética de los electrones en señales de RF, logrando así la amplificación de la señal.
Señal de salida SDV-SWS a 220 GHz. (a) Potencia de salida con espectro incluido. (b) Distribución de energía de los electrones con el haz de electrones en el extremo del SWS insertado.
La figura 23 muestra el ancho de banda de potencia de salida y la ganancia de un SDV-TWT de doble haz y modo dual. El rendimiento de salida se puede mejorar aún más variando las frecuencias de 200 a 275 GHz y optimizando la tensión de excitación. Este resultado muestra que el ancho de banda de 3 dB puede cubrir de 205 a 275 GHz, lo que significa que el funcionamiento en modo dual puede ampliar considerablemente el ancho de banda operativo.
Sin embargo, según la Fig. 2a, sabemos que existe una banda de parada entre los modos impares y pares, lo que puede provocar oscilaciones no deseadas. Por lo tanto, es necesario estudiar la estabilidad del funcionamiento en torno a las bandas de parada. Las figuras 24a-c muestran los resultados de la simulación de 20 ns a 265,3 GHz, 265,35 GHz y 265,4 GHz, respectivamente. Se puede observar que, aunque los resultados de la simulación presentan algunas fluctuaciones, la potencia de salida es relativamente estable. El espectro también se muestra en la figura 24, y es puro. Estos resultados indican que no hay autooscilación cerca de la banda de parada.
La fabricación y la medición son necesarias para verificar la corrección de toda la HFS. En esta parte, la HFS se fabrica utilizando tecnología de control numérico computarizado (CNC) con un diámetro de herramienta de 0,1 mm y una precisión de mecanizado de 10 μm. El material para la estructura de alta frecuencia es cobre de alta conductividad libre de oxígeno (OFHC). La figura 25a muestra la estructura fabricada. La estructura completa tiene una longitud de 66,00 mm, un ancho de 20,00 mm y una altura de 8,66 mm. Ocho orificios para pasadores están distribuidos alrededor de la estructura. La figura 25b muestra la estructura mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Las palas de esta estructura se producen de manera uniforme y tienen una buena rugosidad superficial. Después de una medición precisa, el error de mecanizado general es inferior al 5%, y la rugosidad superficial es de aproximadamente 0,4 μm. La estructura mecanizada cumple con los requisitos de diseño y precisión.
La Figura 26 muestra la comparación entre los resultados de las pruebas reales y las simulaciones del rendimiento de transmisión. Los puertos 1 y 2 de la Figura 26a corresponden a los puertos de entrada y salida del HFS, respectivamente, y son equivalentes a los puertos 1 y 4 de la Figura 3. Los resultados de las mediciones reales de S11 son ligeramente mejores que los resultados de la simulación. Al mismo tiempo, los resultados de las mediciones de S21 son ligeramente peores. Esto puede deberse a que la conductividad del material establecida en la simulación es demasiado alta y la rugosidad de la superficie después del mecanizado real es deficiente. En general, los resultados de las mediciones concuerdan bien con los resultados de la simulación, y el ancho de banda de transmisión cumple con el requisito de 70 GHz, lo que verifica la viabilidad y la corrección del SDV-TWT de modo dual propuesto. Por lo tanto, en combinación con el proceso de fabricación real y los resultados de las pruebas, el diseño de SDV-TWT de doble haz de banda ultraancha propuesto en este artículo puede utilizarse para su posterior fabricación y aplicaciones.
En este artículo se presenta un diseño detallado de un SDV-TWT de doble haz de distribución planar de 220 GHz. La combinación de operación en modo dual y excitación de doble haz aumenta aún más el ancho de banda operativo y la potencia de salida. También se realizan pruebas de fabricación y en frío para verificar la corrección de todo el HFS. Los resultados de las mediciones reales concuerdan bien con los resultados de la simulación. Para el EOS de doble haz diseñado, se han utilizado conjuntamente una sección de máscara y electrodos de control para producir un haz de dos lápices. Bajo el campo magnético de enfoque uniforme diseñado, el haz de electrones se puede transmitir de forma estable a largas distancias con buena forma. En el futuro, se llevará a cabo la producción y prueba del EOS, y también se realizará la prueba térmica de todo el TWT. Este esquema de diseño de SDV-TWT propuesto en este artículo combina completamente la tecnología de procesamiento plano madura actual y muestra un gran potencial en indicadores de rendimiento, procesamiento y ensamblaje. Por lo tanto, este artículo cree que la estructura planar es la más probable tendencia de desarrollo de dispositivos electrónicos de vacío en la banda de terahercios.
La mayor parte de los datos brutos y los modelos analíticos de este estudio se han incluido en este artículo. Si lo desea, puede obtener información adicional del autor correspondiente previa solicitud justificada.
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