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Dans cet article, un tube à ondes progressives à double lame entrelacée, haute puissance et large bande passante de 220 GHz est conçu et vérifié. Tout d'abord, une structure à ondes lentes à double lame décalée et à double faisceau planaire est proposée. Grâce à un schéma de fonctionnement bimode, les performances de transmission et la bande passante sont presque le double de celles du mode monomode. Ensuite, afin de répondre aux exigences de puissance de sortie élevée et d'améliorer la stabilité du tube à ondes progressives, un système optique électronique en forme de double crayon est conçu. La tension de commande est de 20 à 21 kV et le courant est de 2 × 80 mA. Objectifs de conception. En utilisant la partie masque et l'électrode de commande dans le canon à double faisceau, les deux faisceaux peuvent être focalisés le long de leurs centres respectifs avec un taux de compression de 7, la distance de focalisation est d'environ 0,18 mm et la stabilité est bonne. Le système de focalisation magnétique uniforme a également été optimisé. La distance de transmission stable du double faisceau électronique planaire peut atteindre 45 mm et le champ magnétique de focalisation est de 0,6 T, ce qui est suffisant pour couvrir Système haute fréquence (HFS) entier. Ensuite, pour vérifier l'utilisabilité du système électro-optique et les performances de la structure à ondes lentes, des simulations de cellules de particules (PIC) ont également été effectuées sur l'ensemble du HFS. Les résultats montrent que le système d'interaction de faisceau peut atteindre une puissance de sortie de crête de près de 310 W à 220 GHz, la tension de faisceau optimisée est de 20,6 kV, le courant de faisceau est de 2 × 80 mA, le gain est de 38 dB et la bande passante de 3 dB dépasse 35 dB à environ 70 GHz. Enfin, une fabrication de microstructure de haute précision est effectuée pour vérifier les performances du HFS, et les résultats montrent que la bande passante et les caractéristiques de transmission sont en bon accord avec les résultats de la simulation. Par conséquent, le schéma proposé dans cet article devrait développer des sources de rayonnement à bande térahertz ultra-large bande de haute puissance avec un potentiel pour des applications futures.
En tant que dispositif électronique à vide traditionnel, le tube à ondes progressives (TOP) joue un rôle irremplaçable dans de nombreuses applications telles que les radars haute résolution, les systèmes de communication par satellite et l'exploration spatiale1,2,3. Cependant, à mesure que la fréquence de fonctionnement atteint la bande térahertz, les TOP à cavité couplée et les TOP hélicoïdaux traditionnels ne parviennent plus à répondre aux besoins du public en raison d'une puissance de sortie relativement faible, d'une bande passante étroite et de procédés de fabrication complexes. Par conséquent, l'amélioration globale des performances dans la bande THz est devenue une question cruciale pour de nombreux instituts de recherche scientifique. Ces dernières années, de nouvelles structures à ondes lentes (SWS), telles que les structures à double lame décalée (SDV) et les structures à guide d'ondes plié (FW), ont fait l'objet d'une attention particulière en raison de leurs structures planes naturelles, en particulier les nouveaux SDV-SWS au potentiel prometteur. Cette structure a été proposée par l'UC-Davis en 20084. La structure plane peut être facilement fabriquée par des techniques de micro-nano-traitement telles que la commande numérique par ordinateur (CNC) et l'UV-LIGA, le boîtier entièrement métallique. La structure peut fournir une plus grande capacité thermique avec une puissance de sortie et un gain plus élevés, et la structure de type guide d'ondes peut également fournir une bande passante de travail plus large. Actuellement, UC Davis a démontré pour la première fois en 2017 que SDV-TWT peut générer des sorties haute puissance supérieures à 100 W et des signaux de bande passante de près de 14 GHz dans la bande G5. Cependant, ces résultats présentent encore des lacunes qui ne peuvent pas répondre aux exigences associées de puissance élevée et de large bande passante dans la bande térahertz. Pour le SDV-TWT en bande G de UC-Davis, des faisceaux d'électrons en feuille ont été utilisés. Bien que ce schéma puisse améliorer considérablement la capacité de transport de courant du faisceau, il est difficile de maintenir une longue distance de transmission en raison de l'instabilité du système optique électronique à faisceau en feuille (EOS), et il existe un tunnel de faisceau en sur-mode, qui peut également provoquer l'autorégulation du faisceau. – Excitation et oscillation 6,7. Afin de répondre aux exigences de puissance de sortie élevée, de large bande passante et de bonne stabilité des TOP THz, cet article propose un SDV-SWS à double faisceau avec fonctionnement bimode. Afin d'augmenter la bande passante de fonctionnement, un fonctionnement bimode est proposé et introduit dans cette structure. Afin d'augmenter la puissance de sortie, une distribution planaire de faisceaux doubles est également utilisée. Les radios à faisceau unique sont relativement petites en raison de contraintes de taille verticale. Si la densité de courant est trop élevée, le courant du faisceau doit être réduit, ce qui entraîne une puissance de sortie relativement faible. Pour améliorer le courant du faisceau, un EOS multifaisceaux distribué planaire a vu le jour, exploitant la taille latérale du SWS. Grâce à l'effet tunnel indépendant des faisceaux, le multifaisceaux distribué planaire peut atteindre une puissance de sortie élevée en maintenant un courant de faisceau total élevé et un courant par faisceau faible, ce qui permet d'éviter l'effet tunnel surmode par rapport aux dispositifs à faisceau en feuille. Par conséquent, il est avantageux de maintenir la stabilité du tube à ondes progressives. Sur la base des études précédentes work8,9, cet article propose un EOS à double faisceau crayon focalisant le champ magnétique uniforme en bande G, qui peut considérablement améliorer la distance de transmission stable du faisceau et augmenter encore la zone d'interaction du faisceau, améliorant ainsi considérablement la puissance de sortie.
La structure de cet article est la suivante. Tout d'abord, la conception de la cellule SWS avec les paramètres, l'analyse des caractéristiques de dispersion et les résultats de simulation haute fréquence sont décrits. Ensuite, selon la structure de la cellule unitaire, un EOS à double faisceau de crayon et un système d'interaction de faisceau sont conçus dans cet article. Les résultats de la simulation de particules intracellulaires sont également présentés pour vérifier la facilité d'utilisation de l'EOS et les performances du SDV-TWT. De plus, l'article présente brièvement les résultats de fabrication et de test à froid pour vérifier l'exactitude de l'ensemble du HFS. Enfin, faites un résumé.
Composants essentiels du TOP, les propriétés dispersives de la structure à ondes lentes indiquent si la vitesse des électrons correspond à la vitesse de phase du SWS, et ont donc une influence majeure sur l'interaction faisceau-onde. Afin d'améliorer les performances de l'ensemble du TOP, une structure d'interaction optimisée a été conçue. La structure de la cellule unitaire est illustrée à la figure 1. Compte tenu de l'instabilité du faisceau en feuille et de la limitation de puissance du faisceau à simple plume, la structure adopte un faisceau à double plume afin d'améliorer encore la puissance de sortie et la stabilité de fonctionnement. Parallèlement, afin d'augmenter la bande passante de travail, un mode double a été proposé pour le fonctionnement du SWS. Grâce à la symétrie de la structure SDV, la solution de l'équation de dispersion du champ électromagnétique peut être divisée en modes pair et impair. Parallèlement, le mode impair fondamental des basses fréquences et le mode pair fondamental des hautes fréquences sont utilisés pour réaliser la synchronisation large bande de l'interaction faisceau, améliorant ainsi encore la bande passante de travail.
Selon les besoins en énergie, l'ensemble du tube est conçu avec une tension de commande de 20 kV et un courant de double faisceau de 2 × 80 mA. Afin de faire correspondre la tension aussi étroitement que possible à la bande passante de fonctionnement du SDV-SWS, nous devons calculer la longueur de la période p. La relation entre la tension du faisceau et la période est illustrée dans l'équation (1)10 :
Français En réglant le déphasage à 2,5π à la fréquence centrale de 220 GHz, la période p peut être calculée à 0,46 mm.La figure 2a montre les propriétés de dispersion de la cellule unitaire SWS.La ligne de faisceau de 20 kV correspond très bien à la courbe bimodale.Les bandes de fréquences correspondantes peuvent atteindre environ 70 GHz dans les plages de 210 à 265,3 GHz (mode impair) et de 265,4 à 280 GHz (mode pair).La figure 2b montre l'impédance de couplage moyenne, qui est supérieure à 0,6 Ω de 210 à 290 GHz, indiquant que de fortes interactions peuvent se produire dans la bande passante de fonctionnement.
(a) Caractéristiques de dispersion d'un SDV-SWS bimode avec une ligne de faisceau d'électrons de 20 kV. (b) Impédance d'interaction du circuit à ondes lentes SDV.
Cependant, il est important de noter qu'il existe une bande interdite entre les modes impair et pair, et nous appelons généralement cette bande interdite la bande d'arrêt, comme illustré dans la figure 2a. Si le TWT fonctionne à proximité de cette bande de fréquence, une forte force de couplage du faisceau peut se produire, ce qui entraînera des oscillations indésirables. Dans les applications pratiques, nous évitons généralement d'utiliser le TWT à proximité de la bande d'arrêt. Cependant, on peut voir que la bande interdite de cette structure à ondes lentes n'est que de 0,1 GHz. Il est difficile de déterminer si cette petite bande interdite provoque des oscillations. Par conséquent, la stabilité du fonctionnement autour de la bande d'arrêt sera étudiée dans la section de simulation PIC suivante pour analyser si des oscillations indésirables peuvent se produire.
Le modèle de l'ensemble du HFS est présenté dans la figure 3. Il se compose de deux étages de SDV-SWS, reliés par des réflecteurs de Bragg. La fonction du réflecteur est de couper la transmission du signal entre les deux étages, de supprimer l'oscillation et la réflexion des modes non fonctionnels tels que les modes d'ordre élevé générés entre les lames supérieure et inférieure, améliorant ainsi considérablement la stabilité de l'ensemble du tube. Pour la connexion à l'environnement externe, un coupleur conique linéaire est également utilisé pour connecter le SWS à un guide d'ondes standard WR-4. Le coefficient de transmission de la structure à deux niveaux est mesuré par un solveur de domaine temporel dans le logiciel de simulation 3D. Compte tenu de l'effet réel de la bande térahertz sur le matériau, le matériau de l'enveloppe sous vide est initialement défini sur du cuivre et la conductivité est réduite à 2,25 × 107 S/m12.
La figure 4 montre les résultats de transmission pour HFS avec et sans coupleurs coniques linéaires. Les résultats montrent que le coupleur a peu d'effet sur les performances de transmission de l'ensemble du HFS. La perte de retour (S11 < − 10 dB) et la perte d'insertion (S21 > − 5 dB) de l'ensemble du système dans la bande passante 207~280 GHz montrent que le HFS a de bonnes caractéristiques de transmission.
Français En tant qu'alimentation électrique des dispositifs électroniques à vide, le canon à électrons détermine directement si le dispositif peut générer suffisamment de puissance de sortie.Combiné à l'analyse de HFS dans la section II, un EOS à double faisceau doit être conçu pour fournir une puissance suffisante.Dans cette partie, sur la base de travaux antérieurs dans la bande W8,9, un canon à électrons à double crayon est conçu à l'aide d'une partie de masque planaire et d'électrodes de commande.Tout d'abord, conformément aux exigences de conception de SWS dans la section.Comme le montre la figure. 2, la tension de commande Ua des faisceaux d'électrons est initialement fixée à 20 kV, les courants I des deux faisceaux d'électrons sont tous deux de 80 mA et le diamètre du faisceau dw des faisceaux d'électrons est de 0,13 mm. Dans le même temps, afin de garantir que la densité de courant du faisceau d'électrons et de la cathode puisse être atteinte, le taux de compression du faisceau d'électrons est fixé à 7, de sorte que la densité de courant du faisceau d'électrons est de 603 A/cm2 et la densité de courant de la cathode est de 86 A/cm2, ce qui peut être obtenu en Ceci est réalisé en utilisant de nouveaux matériaux de cathode. Selon la théorie de conception 14, 15, 16, 17, un canon à électrons Pierce typique peut être identifié de manière unique.
Français La figure 5 montre les schémas horizontaux et verticaux du canon, respectivement. On peut voir que le profil du canon à électrons dans la direction x est presque identique à celui d'un canon à électrons typique en forme de feuille, tandis que dans la direction y, les deux faisceaux d'électrons sont partiellement séparés par le masque. Les positions des deux cathodes sont à x = – 0,155 mm, y = 0 mm et x = 0,155 mm, y = 0 mm, respectivement. Selon les exigences de conception du taux de compression et de la taille d'injection d'électrons, les dimensions des deux surfaces de cathode sont déterminées à 0,91 mm × 0,13 mm.
Afin de rendre le champ électrique focalisé reçu par chaque faisceau d'électrons dans la direction x symétrique par rapport à son propre centre, cet article applique une électrode de contrôle au canon à électrons. En réglant la tension de l'électrode de focalisation et de l'électrode de contrôle à −20 kV, et la tension de l'anode à 0 V, nous pouvons obtenir la distribution de trajectoire du canon à double faisceau, comme illustré dans la Fig. 6. On peut voir que les électrons émis ont une bonne compressibilité dans la direction y, et chaque faisceau d'électrons converge vers la direction x le long de son propre centre de symétrie, ce qui indique que l'électrode de contrôle équilibre le champ électrique inégal généré par l'électrode de focalisation.
Français La figure 7 montre l'enveloppe du faisceau dans les directions x et y. Les résultats montrent que la distance de projection du faisceau d'électrons dans la direction x est différente de celle dans la direction y. La distance de projection dans la direction x est d'environ 4 mm et la distance de projection dans la direction y est proche de 7 mm. Par conséquent, la distance de projection réelle doit être choisie entre 4 et 7 mm. La figure 8 montre la section transversale du faisceau d'électrons à 4,6 mm de la surface de la cathode. Nous pouvons voir que la forme de la section transversale est la plus proche d'un faisceau d'électrons circulaire standard. La distance entre les deux faisceaux d'électrons est proche des 0,31 mm conçus et le rayon est d'environ 0,13 mm, ce qui répond aux exigences de conception. La figure 9 montre les résultats de la simulation du courant du faisceau. On peut voir que les deux courants de faisceau sont de 76 mA, ce qui est en bon accord avec les 80 mA conçus.
Français Compte tenu de la fluctuation de la tension d'attaque dans les applications pratiques, il est nécessaire d'étudier la sensibilité à la tension de ce modèle. Dans la plage de tension de 19,8 ~ 20,6 kV, les enveloppes de courant et de courant de faisceau sont obtenues, comme le montrent les figures 1 et 1.10 et 11. D'après les résultats, on peut voir que le changement de tension d'attaque n'a aucun effet sur l'enveloppe du faisceau d'électrons, et le courant du faisceau d'électrons ne change que de 0,74 à 0,78 A. Par conséquent, on peut considérer que le canon à électrons conçu dans cet article a une bonne sensibilité à la tension.
L'effet des fluctuations de tension de conduite sur les enveloppes de faisceau dans les directions x et y.
Français Un champ de focalisation magnétique uniforme est un système de focalisation à aimant permanent courant. En raison de la distribution uniforme du champ magnétique dans tout le canal du faisceau, il est très approprié pour les faisceaux d'électrons axisymétriques. Dans cette section, un système de focalisation magnétique uniforme pour maintenir la transmission longue distance des faisceaux à double crayon est proposé. En analysant le champ magnétique généré et l'enveloppe du faisceau, le schéma de conception du système de focalisation est proposé et le problème de sensibilité est étudié. Selon la théorie de la transmission stable d'un seul faisceau à crayon18,19, la valeur du champ magnétique de Brillouin peut être calculée par l'équation (2). Dans cet article, nous utilisons également cette équivalence pour estimer le champ magnétique d'un faisceau à double crayon distribué latéralement. Combiné au canon à électrons conçu dans cet article, la valeur du champ magnétique calculée est d'environ 4000 Gs. Selon la référence 20, 1,5 à 2 fois la valeur calculée est généralement choisie dans les conceptions pratiques.
La figure 12 montre la structure d'un système de champ de focalisation à champ magnétique uniforme. La partie bleue est l'aimant permanent magnétisé dans la direction axiale. Le choix du matériau est NdFeB ou FeCoNi. La rémanence Br définie dans le modèle de simulation est de 1,3 T et la perméabilité est de 1,05. Afin d'assurer la transmission stable du faisceau dans l'ensemble du circuit, la longueur de l'aimant est initialement fixée à 70 mm. De plus, la taille de l'aimant dans la direction x détermine si le champ magnétique transversal dans le canal du faisceau est uniforme, ce qui nécessite que la taille dans la direction x ne puisse pas être trop petite. Dans le même temps, compte tenu du coût et du poids de l'ensemble du tube, la taille de l'aimant ne doit pas être trop grande. Par conséquent, les aimants sont initialement réglés à 150 mm × 150 mm × 70 mm. Pendant ce temps, pour garantir que l'ensemble du circuit à ondes lentes puisse être placé dans le système de focalisation, la distance entre les aimants est fixée à 20 mm.
En 2015, Purna Chandra Panda21 a proposé une pièce polaire avec un nouveau trou étagé dans un système de focalisation magnétique uniforme, ce qui peut réduire davantage l'ampleur de la fuite de flux vers la cathode et le champ magnétique transversal généré au niveau du trou de la pièce polaire. Dans cet article, nous ajoutons une structure étagée à la pièce polaire du système de focalisation. L'épaisseur de la pièce polaire est initialement fixée à 1,5 mm, la hauteur et la largeur des trois marches sont de 0,5 mm et la distance entre les trous de la pièce polaire est de 2 mm, comme illustré à la figure 13.
La figure 14a illustre la distribution axiale du champ magnétique le long des axes centraux des deux faisceaux d'électrons. On constate que les forces du champ magnétique le long des deux faisceaux sont égales. La valeur du champ magnétique est d'environ 6 000 Gs, soit 1,5 fois le champ Brillouin théorique, ce qui améliore les performances de transmission et de focalisation. Parallèlement, le champ magnétique à la cathode est proche de 0, ce qui indique que la pièce polaire a un effet efficace sur la prévention des fuites de flux magnétique. La figure 14b illustre la distribution transversale du champ magnétique By dans la direction z au niveau du bord supérieur des deux faisceaux d'électrons. On constate que le champ magnétique transversal est inférieur à 200 Gs uniquement au niveau du trou de la pièce polaire, tandis que dans le circuit à ondes lentes, il est quasi nul, ce qui prouve que son influence sur le faisceau d'électrons est négligeable. Pour éviter la saturation magnétique des pièces polaires, il est nécessaire d'étudier l'intensité du champ magnétique à l'intérieur de celles-ci. La figure 14c illustre la valeur absolue de la distribution du champ magnétique à l'intérieur de la pièce polaire. que la valeur absolue de l'intensité du champ magnétique est inférieure à 1,2 T, ce qui indique que la saturation magnétique de la pièce polaire ne se produira pas.
Distribution de l'intensité du champ magnétique pour Br = 1,3 T.(a) Distribution du champ axial.(b) Distribution du champ latéral By dans la direction z.(c) Valeur absolue de la distribution du champ dans la pièce polaire.
Français Sur la base du module CST PS, la position relative axiale du canon à double faisceau et du système de focalisation est optimisée. Selon la référence 9 et les simulations, l'emplacement optimal est l'endroit où la pièce d'anode chevauche la pièce polaire loin de l'aimant. Cependant, il a été constaté que si la rémanence était réglée à 1,3 T, la transmittance du faisceau d'électrons ne pouvait pas atteindre 99 %. En augmentant la rémanence à 1,4 T, le champ magnétique de focalisation sera augmenté à 6 500 Gs. Les trajectoires du faisceau sur les plans xoz et yoz sont présentées dans la figure 15. On peut voir que le faisceau a une bonne transmission, une faible fluctuation et une distance de transmission supérieure à 45 mm.
Trajectoires de faisceaux à double crayon sous un système magnétique homogène avec Br = 1,4 T.(a) avion xoz.(b) avion yoz.
La figure 16 montre la section transversale du faisceau à différentes positions éloignées de la cathode.On peut voir que la forme de la section du faisceau dans le système de focalisation est bien conservée et que le diamètre de la section ne change pas beaucoup.La figure 17 montre les enveloppes du faisceau dans les directions x et y, respectivement.On peut voir que la fluctuation du faisceau dans les deux directions est très faible.La figure 18 montre les résultats de la simulation du courant du faisceau.Les résultats montrent que le courant est d'environ 2 × 80 mA, ce qui est cohérent avec la valeur calculée dans la conception du canon à électrons.
Section efficace du faisceau d'électrons (avec système de focalisation) à différentes positions éloignées de la cathode.
Compte tenu d'une série de problèmes tels que les erreurs d'assemblage, les fluctuations de tension et les variations de l'intensité du champ magnétique dans les applications de traitement pratiques, il est nécessaire d'analyser la sensibilité du système de focalisation. L'écart entre l'anode et le pôle étant présent lors du traitement réel, cet écart doit être défini dans la simulation. La valeur de l'écart a été fixée à 0,2 mm et la figure 19a illustre l'enveloppe du faisceau et le courant du faisceau dans la direction y. Ce résultat montre que la variation de l'enveloppe du faisceau est négligeable et que le courant du faisceau varie peu. Par conséquent, le système est insensible aux erreurs d'assemblage. Concernant les fluctuations de la tension d'attaque, la plage d'erreur est fixée à ± 0,5 kV. La figure 19b illustre les résultats de la comparaison. On constate que la variation de tension a peu d'effet sur l'enveloppe du faisceau. La plage d'erreur est comprise entre -0,02 et +0,03 T pour les variations de l'intensité du champ magnétique. Les résultats de la comparaison sont présentés dans la figure 20. L'enveloppe du faisceau ne varie pratiquement pas, ce qui signifie que l'EOS dans son ensemble est insensible aux variations du champ magnétique. force.
Enveloppe du faisceau et résultats de courant sous un système de focalisation magnétique uniforme. (a) La tolérance d'assemblage est de 0,2 mm. (b) La fluctuation de la tension d'entraînement est de ± 0,5 kV.
Enveloppe de faisceau sous un système de focalisation magnétique uniforme avec des fluctuations d'intensité du champ magnétique axial allant de 0,63 à 0,68 T.
Afin de garantir que le système de focalisation conçu dans cet article puisse correspondre au HFS, il est nécessaire de combiner le système de focalisation et le HFS pour la recherche. La figure 21 montre une comparaison des enveloppes de faisceau avec et sans HFS chargé. Les résultats montrent que l'enveloppe du faisceau ne change pas beaucoup lorsque l'ensemble du HFS est chargé. Par conséquent, le système de focalisation convient au tube à ondes progressives HFS de la conception ci-dessus.
Pour vérifier l'exactitude de l'EOS proposé dans la section III et étudier les performances du SDV-TWT 220 GHz, une simulation 3D-PIC de l'interaction faisceau-onde est effectuée. En raison des limitations du logiciel de simulation, nous n'avons pas pu ajouter l'intégralité de l'EOS à HFS. Par conséquent, le canon à électrons a été remplacé par une surface émettrice équivalente d'un diamètre de 0,13 mm et d'une distance entre les deux surfaces de 0,31 mm, les mêmes paramètres que le canon à électrons conçu ci-dessus. En raison de l'insensibilité et de la bonne stabilité de l'EOS, la tension de commande peut être correctement optimisée pour obtenir la meilleure puissance de sortie dans la simulation PIC. Les résultats de la simulation montrent que la puissance de sortie saturée et le gain peuvent être obtenus à une tension de commande de 20,6 kV, un courant de faisceau de 2 × 80 mA (603 A/cm2) et une puissance d'entrée de 0,05 W.
Afin d'obtenir le meilleur signal de sortie, le nombre de cycles doit également être optimisé. La meilleure puissance de sortie est obtenue lorsque le nombre de deux étages est de 42 + 48 cycles, comme illustré dans la figure 22a. Un signal d'entrée de 0,05 W est amplifié à 314 W avec un gain de 38 dB. Le spectre de puissance de sortie obtenu par transformée de Fourier rapide (FFT) est pur, culminant à 220 GHz. La figure 22b montre la distribution de la position axiale de l'énergie des électrons dans le SWS, la plupart des électrons perdant de l'énergie. Ce résultat indique que le SDV-SWS peut convertir l'énergie cinétique des électrons en signaux RF, réalisant ainsi une amplification du signal.
Signal de sortie SDV-SWS à 220 GHz.(a) Puissance de sortie avec spectre inclus.(b) Distribution d'énergie des électrons avec le faisceau d'électrons à la fin de l'encart SWS.
La figure 23 montre la bande passante de puissance de sortie et le gain d'un SDV-TWT à double faisceau et à double mode. Les performances de sortie peuvent être encore améliorées en balayant les fréquences de 200 à 275 GHz et en optimisant la tension d'entraînement. Ce résultat montre que la bande passante de 3 dB peut couvrir 205 à 275 GHz, ce qui signifie que le fonctionnement en double mode peut élargir considérablement la bande passante de fonctionnement.
Cependant, selon la Fig. 2a, nous savons qu'il existe une bande d'arrêt entre les modes impair et pair, ce qui peut conduire à des oscillations indésirables. Par conséquent, la stabilité du travail autour des arrêts doit être étudiée. Les figures 24a à c sont les résultats de simulation de 20 ns à 265,3 GHz, 265,35 GHz et 265,4 GHz, respectivement. On peut voir que bien que les résultats de la simulation présentent quelques fluctuations, la puissance de sortie est relativement stable. Le spectre est également représenté sur la Figure 24 respectivement, le spectre est pur. Ces résultats indiquent qu'il n'y a pas d'auto-oscillation à proximité de la bande d'arrêt.
Français La fabrication et la mesure sont nécessaires pour vérifier l'exactitude de l'ensemble du HFS. Dans cette partie, le HFS est fabriqué à l'aide de la technologie de commande numérique par ordinateur (CNC) avec un diamètre d'outil de 0,1 mm et une précision d'usinage de 10 μm. Le matériau de la structure haute fréquence est fourni par du cuivre sans oxygène à haute conductivité (OFHC). La figure 25a montre la structure fabriquée. La structure entière a une longueur de 66,00 mm, une largeur de 20,00 mm et une hauteur de 8,66 mm. Huit trous d'épingle sont répartis autour de la structure. La figure 25b montre la structure par microscopie électronique à balayage (MEB). Les lames de cette structure sont produites uniformément et présentent une bonne rugosité de surface. Après une mesure précise, l'erreur d'usinage globale est inférieure à 5 % et la rugosité de surface est d'environ 0,4 μm. La structure d'usinage répond aux exigences de conception et de précision.
Français La figure 26 montre la comparaison entre les résultats de test réels et les simulations des performances de transmission. Le port 1 et le port 2 de la figure 26a correspondent respectivement aux ports d'entrée et de sortie du HFS et sont équivalents au port 1 et au port 4 de la figure 3. Les résultats de mesure réels du S11 sont légèrement meilleurs que les résultats de la simulation. Dans le même temps, les résultats mesurés du S21 sont légèrement pires. La raison peut être que la conductivité du matériau définie dans la simulation est trop élevée et que la rugosité de la surface après l'usinage réel est mauvaise. Dans l'ensemble, les résultats mesurés sont en bon accord avec les résultats de la simulation, et la bande passante de transmission répond à l'exigence de 70 GHz, ce qui vérifie la faisabilité et l'exactitude du SDV-TWT bimode proposé. Par conséquent, combinée au processus de fabrication réel et aux résultats des tests, la conception SDV-TWT à double faisceau ultra-large bande proposée dans cet article peut être utilisée pour la fabrication et les applications ultérieures.
Cet article présente la conception détaillée d'un SDV-TWT à double faisceau à distribution planaire de 220 GHz. La combinaison du fonctionnement bimode et de l'excitation à double faisceau augmente encore la bande passante de fonctionnement et la puissance de sortie. La fabrication et les essais à froid sont également effectués pour vérifier l'exactitude de l'ensemble du HFS. Les résultats de mesure réels concordent bien avec les résultats de simulation. Pour l'EOS à deux faisceaux conçu, une section de masque et des électrodes de contrôle ont été utilisées conjointement pour produire un faisceau à deux crayons. Sous le champ magnétique de focalisation uniforme conçu, le faisceau d'électrons peut être transmis de manière stable sur de longues distances avec une bonne forme. À l'avenir, la production et les tests de l'EOS seront effectués, ainsi que le test thermique de l'ensemble du TOP. Le schéma de conception SDV-TWT proposé dans cet article combine pleinement la technologie actuelle de traitement planaire mature et présente un grand potentiel en termes d'indicateurs de performance, de traitement et d'assemblage. Par conséquent, cet article estime que la structure planaire est très susceptible de devenir la tendance de développement des dispositifs électroniques sous vide dans la bande térahertz.
La plupart des données brutes et des modèles analytiques de cette étude ont été inclus dans cet article. Des informations complémentaires pertinentes peuvent être obtenues auprès de l’auteur correspondant sur demande raisonnable.
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