Täname teid Nature.com-i külastamise eest. Teie kasutataval brauseriversioonil on CSS-i jaoks piiratud tugi. Parima kogemuse saamiseks soovitame teil kasutada värskendatud brauserit (või lülitada Internet Exploreris ühilduvusrežiim välja). Seni kuvame saiti jätkuva toe tagamiseks ilma stiilide ja JavaScriptita.
Selles töös konstrueeritakse ja kontrollitakse 220 GHz lairibaühendusega suure võimsusega põimitud kahe labaga liikuva laine elektronkiirt. Esiteks pakutakse välja tasapinnaline kahekiireline astmeline kahe labaga aeglase laine struktuur. Kahe režiimiga tööskeemi abil on edastusjõudlus ja ribalaius peaaegu kaks korda suuremad kui ühe režiimiga. Teiseks, suure väljundvõimsuse nõuete täitmiseks ja liikuva laine elektronkiire stabiilsuse parandamiseks on konstrueeritud kahe pliiatsikujuline elektrooniline optiline süsteem, mille juhtpinge on 20–21 kV ja voolutugevus 2 × 80 mA. Projekteerimiseesmärgid. Kasutades kahekiirelises kahuris maskiosa ja juhtelektroodi, saab kahte pliiatsikiirt fokuseerida nende vastavatele keskpunktidele surveastmega 7, fokuseerimiskaugus on umbes 0,18 mm ja stabiilsus on hea. Samuti on optimeeritud ühtlane magnetiline fokuseerimissüsteem. Tasapinnalise kahekordse elektronkiire stabiilne edastuskaugus võib ulatuda 45 mm-ni ja fokuseeriv magnetväli on 0,6 T, mis on piisav kogu kõrgsagedussüsteemi (HFS) katmiseks. Seejärel kontrollitakse kasutatavust... Kogu kõrgsagedusliku kiiritusseadme (HFS) puhul viidi läbi ka elektronoptilise süsteemi ja aeglase laine struktuuriga osakesteelemendi (PIC) simulatsioonid. Tulemused näitavad, et kiire interaktsioonisüsteem suudab saavutada 220 GHz juures peaaegu 310 W tippväljundvõimsuse, optimeeritud kiire pinge on 20,6 kV, kiire vool on 2 × 80 mA, võimendus on 38 dB ja 3-dB ribalaius ületab umbes 70 GHz juures 35 dB. Lõpuks teostatakse kõrgsagedusliku kiiritusseadme toimivuse kontrollimiseks ülitäpne mikrostruktuuri valmistamine ning tulemused näitavad, et ribalaius ja ülekandeomadused on simulatsioonitulemustega kooskõlas. Seetõttu eeldatakse, et käesolevas artiklis pakutud skeem arendab välja suure võimsusega ülilairiba terahertsriba kiirgusallikaid, millel on potentsiaali tulevasteks rakendusteks.
Traditsioonilise vaakumelektroonilise seadmena mängib liikuva laine toru (TWT) asendamatut rolli paljudes rakendustes, näiteks kõrgresolutsiooniga radarites, satelliitsidesüsteemides ja kosmoseuuringutes1,2,3. Kuna aga töösagedus jõuab terahertsi sagedusribasse, ei ole traditsioonilised sidestatud õõnsustega TWT ja spiraalsed TWT enam suutnud inimeste vajadusi rahuldada suhteliselt madala väljundvõimsuse, kitsa ribalaiuse ja keeruliste tootmisprotsesside tõttu. Seetõttu on THz-sagedusriba jõudluse igakülgne parandamine paljude teadusasutuste jaoks muutunud väga oluliseks küsimuseks. Viimastel aastatel on uudsed aeglase laine struktuurid (SWS-id), näiteks astmelised kahe labaga (SDV) struktuurid ja volditud lainejuhtstruktuurid (FW), oma loomulike tasapinnaliste struktuuride tõttu pälvinud suurt tähelepanu, eriti paljulubava potentsiaaliga uudsed SDV-SWS-id. Selle struktuuri pakkus välja UC-Davis 2008. aastal4. Tasapinnalist struktuuri saab hõlpsasti valmistada mikro-nanotöötlustehnikate abil, nagu arvuti numbriline juhtimine (CNC) ja UV-LIGA, täismetallist korpuse struktuur pakub suuremat soojusmahtuvust suurema väljundvõimsuse ja võimendusega. ja lainejuhilaadne struktuur võib pakkuda ka laiemat tööribalaiust. Praegu näitas UC Davis esmakordselt 2017. aastal, et SDV-TWT suudab genereerida G-ribas suure võimsusega väljundsignaale üle 100 W ja peaaegu 14 GHz ribalaiusega signaale. Siiski on nendes tulemustes endiselt lünki, mis ei suuda täita terahertsiriba suure võimsuse ja laia ribalaiuse nõudeid. UC Davise G-riba SDV-TWT jaoks on kasutatud lehtelektronkiiri. Kuigi see skeem võib oluliselt parandada kiire voolukandevõimet, on lehtelektronkiire elektronoptilise süsteemi (EOS) ebastabiilsuse tõttu keeruline pikka edastuskaugust säilitada ning esineb ülerežiimiga kiire tunnel, mis võib samuti põhjustada kiire isereguleerumist. – Ergastamine ja võnkumine 6,7. THz TWT suure väljundvõimsuse, laia ribalaiuse ja hea stabiilsuse nõuete täitmiseks pakutakse selles artiklis välja kahekiireline SDV-SWS kaherežiimilise tööga. See tähendab, et tööribalaiuse suurendamiseks pakutakse välja ja tutvustatakse selles struktuuris kaherežiimilist töörežiimi. Väljundvõimsuse suurendamiseks kasutatakse ka kahekordsete pliiatskiirte tasapinnalist jaotust. Ühe pliiatskiirega raadiod on vertikaalsete suuruspiirangute tõttu suhteliselt väikesed. Kui voolutihedus on liiga kõrge, tuleb kiire voolu vähendada, mille tulemuseks on suhteliselt madal väljundvõimsus. Kiire voolu parandamiseks on tekkinud tasapinnaline hajutatud mitmekiireline EOS, mis kasutab ära SWS-i külgmist suurust. Sõltumatu kiire tunneldamise tõttu saab tasapinnaline hajutatud mitmekiir saavutada suure väljundvõimsuse, säilitades suure kiire koguvoolu ja väikese voolu kiire kohta, mis aitab vältida ülerežiimilist kiire tunneldamist võrreldes lehtkiire seadmetega. Seetõttu on kasulik säilitada liikuva laine toru stabiilsus. Varasema töö8,9 põhjal pakutakse selles artiklis välja G-riba ühtlane magnetiline Välja teravustamine kahekordse pliiatskiire EOS-ga, mis võib oluliselt parandada tala stabiilset edastuskaugust ja veelgi suurendada tala interaktsiooniala, parandades seeläbi oluliselt väljundvõimsust.
Selle töö struktuur on järgmine. Esmalt kirjeldatakse SWS-raku konstruktsiooni koos parameetrite, dispersioonikarakteristikute analüüsi ja kõrgsagedusliku simulatsiooni tulemustega. Seejärel, vastavalt ühikraku struktuurile, konstrueeritakse selles töös kahekordse pliiatskiire EOS ja kiire interaktsioonisüsteem. Esitatakse ka rakusisese osakeste simulatsiooni tulemused, et kontrollida EOS-i kasutatavust ja SDV-TWT toimivust. Lisaks esitatakse artiklis lühidalt valmistamis- ja külmkatsete tulemused, et kontrollida kogu HFS-i õigsust. Lõpuks tehakse kokkuvõte.
TWT ühe olulisema komponendina näitavad aeglase laine struktuuri dispersiooniomadused, kas elektronkiirus vastab SWS faasikiirusele, ja seega avaldavad nad suurt mõju kiire ja laine interaktsioonile. Kogu TWT jõudluse parandamiseks on loodud täiustatud interaktsioonistruktuur. Ühikraku struktuur on näidatud joonisel 1. Arvestades lehtkiire ebastabiilsust ja ühe kiire võimsuspiirangut, kasutab struktuur kahekordset kiire, et veelgi parandada väljundvõimsust ja töö stabiilsust. Samal ajal on tööribalaiuse suurendamiseks pakutud välja kahekordne režiim SWS-i tööks. SDV struktuuri sümmeetria tõttu saab elektromagnetvälja dispersioonivõrrandi lahendi jagada paarituteks ja paarisarvulisteks režiimideks. Samal ajal kasutatakse madala sagedusriba põhilist paaritut režiimi ja kõrge sagedusriba põhilist paarisarvulist režiimi kiire interaktsiooni lairiba sünkroniseerimiseks, parandades seeläbi veelgi tööribalaiust.
Võimsusnõuete kohaselt on kogu toru projekteeritud 20 kV juhtpingega ja 2 × 80 mA kahekordse kiire vooluga. Selleks, et pinge sobiks võimalikult täpselt SDV-SWS tööribalaiusega, peame arvutama perioodi p pikkuse. Kiire pinge ja perioodi vaheline seos on näidatud võrrandis (1)10:
Kui kesksagedusel 220 GHz määrata faasinihe väärtuseks 2,5π, saab perioodiks p arvutada 0,46 mm. Joonis 2a näitab SWS-i ühikraku dispersiooniomadusi. 20 kV kiirejoon vastab bimodaalsele kõverale väga hästi. Sobivad sagedusribad võivad ulatuda umbes 70 GHz-ni sagedusvahemikus 210–265,3 GHz (paaritu režiim) ja 265,4–280 GHz (paarisrežiim). Joonis 2b näitab keskmist sidestustakistust, mis on vahemikus 210 kuni 290 GHz suurem kui 0,6 Ω, mis näitab, et tööribalaiuses võivad esineda tugevad interaktsioonid.
(a) Kaherežiimilise SDV-SWS-i dispersioonikarakteristikud 20 kV elektronkiirejoonega. (b) SDV aeglase laine vooluringi interaktsioonitakistus.
Siiski on oluline märkida, et paaritute ja paarisarvuliste moodide vahel on keelutsoon ning me nimetame seda keelutsooni tavaliselt tõkketsooniks, nagu on näidatud joonisel 2a. Kui TWT-d kasutatakse selle sagedusriba lähedal, võib tekkida tugev kiire sidestus, mis põhjustab soovimatuid võnkumisi. Praktilistes rakendustes väldime üldiselt TWT-de kasutamist tõkketsooni lähedal. Siiski on näha, et selle aeglase laine struktuuri keelutsoon on vaid 0,1 GHz. On raske kindlaks teha, kas see väike keelutsoon põhjustab võnkumisi. Seetõttu uuritakse järgmises PIC-simulatsiooni osas töö stabiilsust tõkketsooni ümbruses, et analüüsida, kas võivad tekkida soovimatud võnkumised.
Kogu kõrgsagedusliku kiirguse süsteemi mudel on näidatud joonisel 3. See koosneb kahest SDV-SWS astmest, mis on ühendatud Braggi reflektorite abil. Reflektori ülesanne on katkestada signaaliülekanne kahe astme vahel, summutada mittetoimivate moodide, näiteks ülemise ja alumise laba vahel tekkivate kõrgema järgu moodide võnkumisi ja peegeldusi, parandades seeläbi oluliselt kogu toru stabiilsust. Väliskeskkonnaga ühendamiseks kasutatakse SWS-i ühendamiseks WR-4 standardse lainejuhiga lineaarset koonilist sidurit. Kahetasandilise struktuuri läbilaskvustegurit mõõdetakse 3D-simulatsioonitarkvara ajadomeeni lahendajaga. Arvestades terahertsiriba tegelikku mõju materjalile, valitakse vaakumümbrise materjaliks esialgu vask ja juhtivus vähendatakse 2,25 × 107 S/m12-ni.
Joonis 4 näitab HFS-i edastustulemusi lineaarsete koonusühendustega ja ilma nendeta. Tulemused näitavad, et ühenduselemendil on kogu HFS-i edastusjõudlusele vähe mõju. Kogu süsteemi tagasilangus (S11 < −10 dB) ja sisestuskaotus (S21 > −5 dB) 207–280 GHz lairibaühenduses näitavad, et HFS-il on head edastusomadused.
Vaakumelektroonikaseadmete toiteallikana määrab elektronpüstol otseselt, kas seade suudab genereerida piisavalt väljundvõimsust. Koos II osas esitatud kõrgsagedusliku kiirguse analüüsiga tuleb kahekiireline EOS konstrueerida nii, et see annaks piisava võimsuse. Selles osas, tuginedes varasemale W-riba8,9 ​​tööle, konstrueeritakse kahekordne pliiats-elektronpüstol, kasutades tasapinnalist maskiosa ja juhtelektroode. Esiteks, vastavalt SWS-i projekteerimisnõuetele osas... Nagu on näidatud joonisel... 2. Elektronkiirte juhtpinge Ua on algselt seatud 20 kV-le, mõlema elektronkiire voolutugevus I on mõlemad 80 mA ja elektronkiirte läbimõõt dw on 0,13 mm. Samal ajal, et tagada elektronkiire ja katoodi voolutiheduse saavutamine, seatakse elektronkiire kokkusurumissuhe väärtusele 7, seega on elektronkiire voolutihedus 603 A/cm2 ja katoodi voolutihedus 86 A/cm2, mida saab saavutada uute katoodmaterjalide abil. Projekteerimisteooria 14, 15, 16, 17 kohaselt saab tüüpilise Pierce'i elektronkahuri üheselt identifitseerida.
Joonisel 5 on näidatud vastavalt elektronkahuri horisontaalne ja vertikaalne skeem. On näha, et elektronkahuri profiil x-suunas on peaaegu identne tüüpilise lehetaolise elektronkahuri profiiliga, samas kui y-suunas on mask kahte elektronkiirt osaliselt eraldanud. Kahe katoodi asukohad on vastavalt x = –0,155 mm, y = 0 mm ja x = 0,155 mm, y = 0 mm. Vastavalt surveastme ja elektronide süstimise suuruse projekteerimisnõuetele on kahe katoodi pinna mõõtmed määratud 0,91 mm × 0,13 mm.
Selleks, et muuta iga elektronkiire poolt x-suunas vastuvõetav fokuseeritud elektriväli oma keskpunkti suhtes sümmeetriliseks, rakendatakse selles artiklis elektronkahurile juhtelektroodi. Seades fokuseeriva elektroodi ja juhtelektroodi pinge väärtusele −20 kV ja anoodi pinge väärtusele 0 V, saame kahekiirelise kahuri trajektoorijaotuse, nagu on näidatud joonisel 6. On näha, et kiiratud elektronidel on y-suunas hea kokkusurutavus ja iga elektronkiir koondub x-suuna suunas mööda oma sümmeetriakeskmet, mis näitab, et juhtelektrood tasakaalustab fokuseeriva elektroodi tekitatud ebavõrdset elektrivälja.
Joonis 7 näitab kiire mähisjoont x- ja y-suunas. Tulemused näitavad, et elektronkiire projektsioonikaugus x-suunas erineb y-suunast. Heitekaugus x-suunas on umbes 4 mm ja heitekaugus y-suunas on ligikaudu 7 mm. Seetõttu tuleks tegelik heitekaugus valida vahemikus 4 kuni 7 mm. Joonis 8 näitab elektronkiire ristlõiget 4,6 mm kaugusel katoodi pinnast. Näeme, et ristlõike kuju on kõige lähemal standardsele ümmargusele elektronkiirele. Kahe elektronkiire vaheline kaugus on ligikaudu 0,31 mm ja raadius on umbes 0,13 mm, mis vastab projekteerimisnõuetele. Joonis 9 näitab kiirevoolu simulatsiooni tulemusi. Näha on, et kahe kiirevoolu tugevus on 76 mA, mis on heas kooskõlas projekteeritud 80 mA-ga.
Arvestades juhtpinge kõikumist praktilistes rakendustes, on vaja uurida selle mudeli pingetundlikkust. Pingevahemikus 19,8–20,6 kV saadakse voolu ja kiire voolu mähisjooned, nagu on näidatud joonisel 1 ja joonistel 1.10 ja 11. Tulemustest on näha, et juhtpinge muutus ei mõjuta elektronkiire mähist ning elektronkiire vool muutub ainult 0,74–0,78 A. Seetõttu võib eeldada, et käesolevas artiklis kavandatud elektronpüstolil on hea pingetundlikkus.
Juhtpinge kõikumiste mõju x- ja y-suunalistele talaümbristele.
Ühtlane magnetiline fokuseerimisväli on tavaline püsimagnetiga fokuseerimissüsteem. Tänu ühtlasele magnetvälja jaotusele kogu kiirekanalis sobib see väga hästi aksiaalsümmeetriliste elektronkiirte jaoks. Selles osas pakutakse välja ühtlane magnetiline fokuseerimissüsteem kahekordsete pliiatskiirte pikamaaülekande säilitamiseks. Tekkinud magnetvälja ja kiire mähisjoone analüüsimise abil pakutakse välja fokuseerimissüsteemi skeem ja uuritakse tundlikkusprobleemi. Ühe pliiatskiire stabiilse ülekande teooria18,19 kohaselt saab Brillouini magnetvälja väärtuse arvutada võrrandi (2) abil. Selles artiklis kasutame seda ekvivalenti ka külgsuunas jaotatud kahekordse pliiatskiire magnetvälja hindamiseks. Selles artiklis konstrueeritud elektronpüstoliga kombineerituna on arvutatud magnetvälja väärtus umbes 4000 Gs. Viite 20 kohaselt valitakse praktilistes konstruktsioonides tavaliselt 1,5–2 korda arvutatud väärtus.
Joonis 12 näitab ühtlase magnetväljaga fokuseerimisvälja süsteemi struktuuri. Sinine osa on aksiaalsuunas magnetiseeritud püsimagnet. Materjaliks on NdFeB või FeCoNi. Simulatsioonimudelis on jääkmagneetuvuseks Br seatud 1,3 T ja läbitavuseks 1,05. Kiire stabiilse läbilaskvuse tagamiseks kogu vooluringis on magneti pikkus algselt seatud 70 mm-le. Lisaks määrab magneti suurus x-suunas, kas kiirekanalis on põikisuunaline magnetväli ühtlane, mis nõuab, et x-suunaline suurus ei oleks liiga väike. Samal ajal, arvestades kogu toru maksumust ja kaalu, ei tohiks magneti suurus olla liiga suur. Seetõttu on magnetite esialgne suurus seatud 150 mm × 150 mm × 70 mm-le. Samal ajal, et tagada kogu aeglase laine vooluringi paigutamine fokuseerimissüsteemi, on magnetite vaheline kaugus seatud 20 mm-le.
2015. aastal pakkus Purna Chandra Panda21 välja uue astmelise avaga poolusetüki ühtlases magnetfokuseerimissüsteemis, mis aitab veelgi vähendada katoodilekke voolu suurust ja poolusetüki augus tekkivat põikisuunalist magnetvälja. Selles töös lisame fokuseerimissüsteemi poolusetükile astmelise struktuuri. Poolusetüki paksus on algselt seatud 1,5 mm-le, kolme astme kõrgus ja laius on 0,5 mm ning poolusetükkide aukude vaheline kaugus on 2 mm, nagu on näidatud joonisel 13.
Joonis 14a näitab aksiaalset magnetvälja jaotust kahe elektronkiire keskjoonte vahel. On näha, et magnetvälja jõud mööda kahte elektronkiirt on võrdsed. Magnetvälja väärtus on umbes 6000 Gs, mis on 1,5 korda suurem kui teoreetiline Brillouini väli, mis suurendab läbilaskvust ja fokuseerimist. Samal ajal on katoodi magnetväli peaaegu 0, mis näitab, et poolusetükil on hea mõju magnetvoo lekke vältimisele. Joonis 14b näitab põikisuunalise magnetvälja jaotust B z-suunas kahe elektronkiire ülemises servas. On näha, et põikisuunaline magnetväli on alla 200 Gs ainult poolusetüki augu juures, samas kui aeglase laine ahelas on põikisuunaline magnetväli peaaegu null, mis tõestab, et põikisuunalise magnetvälja mõju elektronkiirele on tühine. Poolusetükkide magnetilise küllastumise vältimiseks on vaja uurida magnetvälja tugevust poolusetükkide sees. Joonis 14c näitab magnetvälja jaotuse absoluutväärtust poolusetüki sees. On näha, et magnetvälja tugevuse absoluutväärtus on väiksem kui 1,2 T, mis näitab, et poolusetüki magnetilist küllastumist ei toimu.
Magnetvälja tugevuse jaotus Br = 1,3 T korral. (a) Aksiaalne väljajaotus. (b) Külgmine väljajaotus z-suunas. (c) Poolusetüki väljajaotuse absoluutväärtus.
CST PS mooduli põhjal on optimeeritud kahekiirelise kahuri ja fokuseerimissüsteemi aksiaalne suhteline asend. Viite 9 ja simulatsioonide kohaselt on optimaalne asukoht see, kus anooditükk kattub magnetist eemal asuva poolusetükiga. Siiski leiti, et kui jääkmagnetism seati 1,3 T-le, ei ulatunud elektronkiire läbilaskvus 99%-ni. Jääkmagnetismi suurendamisel 1,4 T-ni suurenes fokuseeriv magnetväli 6500 G-ni. Kiire trajektoorid xoz- ja yoz-tasapindadel on näidatud joonisel 15. On näha, et kiirel on hea läbilaskvus, väike kõikumine ja ülekandekaugus üle 45 mm.
Topeltkiirte trajektoorid homogeenses magnetsüsteemis Br = 1,4 T. (a) xoz tasapind. (b) yoz õhusõiduk.
Joonis 16 näitab kiire ristlõiget katoodist eemal erinevates positsioonides. On näha, et kiire lõigu kuju fokuseerimissüsteemis on hästi säilinud ja sektsiooni läbimõõt ei muutu palju. Joonis 17 näitab vastavalt kiire mähisjooni x- ja y-suunas. On näha, et kiire kõikumine mõlemas suunas on väga väike. Joonis 18 näitab kiire voolu simulatsiooni tulemusi. Tulemused näitavad, et vool on umbes 2 × 80 mA, mis on kooskõlas elektronkahuri konstruktsioonis arvutatud väärtusega.
Elektronkiire ristlõige (fokuseerimissüsteemiga) katoodist eemal erinevates positsioonides.
Arvestades praktilistes töötlemisrakendustes esinevaid probleeme, nagu montaaživead, pinge kõikumised ja magnetvälja tugevuse muutused, on vaja analüüsida fokuseerimissüsteemi tundlikkust. Kuna tegeliku töötlemise ajal on anooditüki ja poolusetüki vahel vahe, tuleb see vahe simulatsioonis seadistada. Vahe väärtuseks määrati 0,2 mm ja joonis 19a näitab kiire mähisjoont ja kiire voolu y-suunas. See tulemus näitab, et kiire mähisjoone muutus ei ole oluline ja kiire vool peaaegu ei muutu. Seetõttu ei ole süsteem montaaživigade suhtes tundlik. Juhtpinge kõikumise veavahemik on seatud ±0,5 kV-le. Joonis 19b näitab võrdlustulemusi. On näha, et pinge muutusel on kiire mähisjoonele vähe mõju. Magnetvälja tugevuse muutuste veavahemik on seatud vahemikku -0,02 kuni +0,03 T. Võrdlustulemused on näidatud joonisel 20. On näha, et kiire mähisjoon peaaegu ei muutu, mis tähendab, et kogu EOS ei ole magnetvälja tugevuse muutuste suhtes tundlik.
Kiire mähisjoon ja voolutugevus ühtlase magnetilise fokuseerimissüsteemi all. (a) Monteerimishälve on 0,2 mm. (b) Juhtpinge kõikumine on ±0,5 kV.
Kiire mähis ühtlase magnetilise fokuseerimise süsteemi all, mille aksiaalne magnetvälja tugevuse kõikumine on vahemikus 0,63 kuni 0,68 T.
Selleks, et tagada käesolevas artiklis kavandatud fokuseerimissüsteemi sobivus kõrgsagedusliku kiirguriga (HFS), on vaja uurimiseks kombineerida fokuseerimissüsteemi ja HFS-i. Joonis 21 näitab kiire mähisjoonte võrdlust laaditud HFS-iga ja ilma. Tulemused näitavad, et kiire mähisjoon ei muutu palju, kui kogu HFS on laaditud. Seega sobib fokuseerimissüsteem ülaltoodud konstruktsiooniga liikuva lainega HFS-i jaoks.
III osas pakutud EOS-i õigsuse kontrollimiseks ja 220 GHz SDV-TWT jõudluse uurimiseks teostati kiire ja laine interaktsiooni 3D-PIC simulatsioon. Simulatsioonitarkvara piirangute tõttu ei õnnestunud meil kogu EOS-i HFS-ile lisada. Seetõttu asendati elektronkahur samaväärse emiteeriva pinnaga, mille läbimõõt oli 0,13 mm ja kahe pinna vaheline kaugus 0,31 mm, mis on samad parameetrid kui eespool kavandatud elektronkahuril. EOS-i ebatundlikkuse ja hea stabiilsuse tõttu saab juhtpinget PIC-simulatsioonis parima väljundvõimsuse saavutamiseks optimeerida. Simulatsiooni tulemused näitavad, et küllastunud väljundvõimsust ja võimendust saab saavutada juhtpingel 20,6 kV, kiirevoolul 2 × 80 mA (603 A/cm2) ja sisendvõimsusel 0,05 W.
Parima väljundsignaali saamiseks tuleb optimeerida ka tsüklite arvu. Parim väljundvõimsus saavutatakse, kui kahe etapi arv on 42 + 48 tsüklit, nagu on näidatud joonisel 22a. 0,05 W sisendsignaal võimendatakse 314 W-ni 38 dB võimendusega. Kiire Fourier' teisenduse (FFT) abil saadud väljundvõimsuse spekter on puhas, saavutades haripunkti sagedusel 220 GHz. Joonis 22b näitab elektronide energia aksiaalset asendijaotust SWS-is, kus enamik elektrone kaotab energiat. See tulemus näitab, et SDV-SWS suudab elektronide kineetilise energia teisendada raadiosagedussignaalideks, realiseerides seeläbi signaali võimendamise.
SDV-SWS väljundsignaal sagedusel 220 GHz. (a) Väljundvõimsus koos lisatud spektriga. (b) Elektronide energiajaotus koos elektronkiirega SWS-i sissekande lõpus.
Joonis 23 näitab kaherežiimilise kahekiirelise SDV-TWT väljundvõimsuse ribalaiust ja võimendust. Väljundjõudlust saab veelgi parandada sageduste pühkimisega 200-lt 275 GHz-le ja ajamipinge optimeerimisega. See tulemus näitab, et 3-dB ribalaius suudab katta 205–275 GHz, mis tähendab, et kaherežiimiline töö võib tööribalaiust oluliselt laiendada.
Jooniselt 2a on aga näha, et paaritute ja paarisarvuliste moodide vahel on tõkkeriba, mis võib põhjustada soovimatuid võnkumisi. Seetõttu tuleb uurida töö stabiilsust tõkestusribade ümber. Joonistel 24a-c on kujutatud 20 ns simulatsiooni tulemused vastavalt sagedustel 265,3 GHz, 265,35 GHz ja 265,4 GHz. On näha, et kuigi simulatsioonitulemustes esineb mõningaid kõikumisi, on väljundvõimsus suhteliselt stabiilne. Spekter on näidatud ka vastavalt joonisel 24, spekter on puhas. Need tulemused näitavad, et tõkkeriba lähedal ei esine enesevõnkumisi.
Kogu kõrgsagedusliku lihvimissüsteemi õigsuse kontrollimiseks on vaja valmistada ja mõõta. Selles osas valmistatakse kõrgsageduslikku lihvimissüsteemi arvuti abil numbrilise juhtimise (CNC) tehnoloogia abil, tööriista läbimõõduga 0,1 mm ja töötlemistäpsusega 10 μm. Kõrgsagedusliku struktuuri materjaliks on hapnikuvaba kõrgjuhtivusega (OFHC) vask. Joonis 25a näitab valmistatud struktuuri. Kogu struktuuri pikkus on 66,00 mm, laius 20,00 mm ja kõrgus 8,66 mm. Struktuuri ulatuses on jaotatud kaheksa tihvtiava. Joonis 25b näitab struktuuri skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) abil. Selle struktuuri labad on ühtlaselt valmistatud ja neil on hea pinnakaredus. Pärast täpset mõõtmist on üldine töötlemisviga alla 5% ja pinnakaredus on umbes 0,4 μm. Töötlemisstruktuur vastab projekteerimis- ja täpsusnõuetele.
Joonis 26 näitab tegelike testitulemuste ja edastusjõudluse simulatsioonide võrdlust. Joonisel 26a olevad port 1 ja port 2 vastavad vastavalt HFS-i sisend- ja väljundportidele ning on samaväärsed joonisel 3 olevate pordiga 1 ja 4. S11 tegelikud mõõtmistulemused on simulatsioonitulemustest veidi paremad. Samal ajal on S21 mõõdetud tulemused veidi halvemad. Põhjuseks võib olla see, et simulatsioonis seatud materjali juhtivus on liiga kõrge ja pinna karedus pärast tegelikku töötlemist on halb. Üldiselt on mõõdetud tulemused simulatsioonitulemustega heas kooskõlas ja edastusribalaius vastab 70 GHz nõudele, mis kinnitab kavandatud kaherežiimilise SDV-TWT teostatavust ja õigsust. Seega saab käesolevas artiklis kavandatud ülilairibalise kahekiirelise SDV-TWT disaini koos tegeliku valmistamisprotsessi ja testitulemustega kasutada edasiseks valmistamiseks ja rakendusteks.
Selles artiklis esitatakse tasapinnalise jaotusega 220 GHz kahekiirelise SDV-TWT detailne disain. Kahe režiimi ja kahekiirelise ergastuse kombinatsioon suurendab veelgi tööribalaiust ja väljundvõimsust. Kogu kõrgsagedusliku kiirtehnoloogia õigsuse kontrollimiseks teostatakse ka valmistamine ja külmkatse. Tegelikud mõõtmistulemused on simulatsioonitulemustega kooskõlas. Projekteeritud kahekiirelise EOS puhul on maskiosa ja juhtelektroodide abil loodud kahe pliiatsikujulise kiire. Projekteeritud ühtlase fokuseeriva magnetvälja all saab elektronkiirt stabiilselt ja hea kujuga pikkade vahemaade taha edastada. Tulevikus teostatakse EOS-i tootmine ja testimine ning kogu TWT termiline testimine. Selles artiklis pakutud SDV-TWT disainiskeem ühendab täielikult praeguse küpse tasapinnalise töötlemistehnoloogia ning näitab suurt potentsiaali jõudlusnäitajate, töötlemise ja montaaži osas. Seetõttu usub see artikkel, et tasapinnaline struktuur saab tõenäoliselt terahertsi sagedusalas vaakumelektroonikaseadmete arengutrendiks.
Enamik käesoleva uuringu algandmetest ja analüütilistest mudelitest on käesolevasse artiklisse lisatud. Lisateavet saab vastavalt autorilt mõistliku taotluse korral.
Gamzina, D. jt. Subterahertsise vaakumelektroonika nanoskaalas CNC-töötlus. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. ja Paoloni, C. Subterahertsi lainejuhtide UV-LIGA mikrotootmine mitmekihilise SU-8 fotoresisti abil. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS jt. 2017. aasta THz tehnoloogia tegevuskava. J. Physics. D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR ja Luhmann, NC. Plasmooniliste lainete leviku tugev piiramine ülilairibaliste astmeliste topeltvõrega lainejuhtide abil. application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. jt. Nano-CNC-töödeldud 220 GHz liikuva lainega toruvõimendi jõudlus. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ. Lõpmatult laiade lehtelektronkiirte diokotroni ebastabiilsuse uurimine makroskoopilise külma vedeliku mudeli teooria abil. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV, võimalusest suurendada ribalaiust mitmekiirelise klüstroni kiire tasapinnalise paigutuse abil. 12. IEEE rahvusvahelisel vaakumelektroonika konverentsil, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ jt. Kitsa kiirejaotustasandi jaotusega kolmekiireliste elektronkahuritega disain W-riba nihutatud kahe labaga liikuva laine torus [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB ja Ruan, CJ. Tasapinnaline hajutatud kolmekiireline elektronoptiline süsteem kitsa kiirte eraldatusega W-riba põhirežiimi TWT jaoks. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Millimeetrilaineliste lehtkiirtega põimitud kahe labaga liikuva laine toru uurimine 20-22 (doktorikraad, Beihangi ülikool, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. G-riba põimitud kahe labaga liikuva laine toru kiire ja laine interaktsiooni stabiilsuse uuring. 2018. aasta 43. rahvusvaheline infrapunamillimeetri- ja terahertslainete konverents, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).