Grazas por visitar Nature.com. A versión do navegador que estás a usar ten compatibilidade limitada con CSS. Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que uses un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Mentres tanto, para garantir a compatibilidade continua, mostraremos o sitio sen estilos nin JavaScript.
Neste artigo, deseñase e verifícase un tubo de ondas viaxantes de dobre lámina entrelazada de alta potencia e banda ancha de 220 GHz. En primeiro lugar, proponse unha estrutura de onda lenta de dobre feixe planar escalonada de dobre lámina. Mediante o uso dun esquema de funcionamento de modo dual, o rendemento de transmisión e o ancho de banda son case o dobre que os do modo único. En segundo lugar, para cumprir os requisitos de alta potencia de saída e mellorar a estabilidade do tubo de ondas viaxantes, deseñase un sistema óptico electrónico en forma de dobre lapis, a tensión de accionamento é de 20 ~ 21 kV e a corrente é de 2 × 80 mA. Obxectivos do deseño. Mediante o uso da parte da máscara e o eléctrodo de control no canón de dobre feixe, os dous feixes de lapis pódense enfocar ao longo dos seus respectivos centros cunha relación de compresión de 7, a distancia de enfoque é duns 0,18 mm e a estabilidade é boa. Tamén se optimizou o sistema de enfoque magnético uniforme. A distancia de transmisión estable do feixe de electróns dobre planar pode alcanzar os 45 mm e o campo magnético de enfoque é de 0,6 T, o que é suficiente para cubrir todo o sistema de alta frecuencia (HFS). Despois, para verificar o Ao analizar a usabilidade do sistema electrón-óptico e o rendemento da estrutura de onda lenta, tamén se realizaron simulacións de celas de partículas (PIC) en todo o HFS. Os resultados mostran que o sistema de interacción do feixe pode alcanzar unha potencia de saída máxima de case 310 W a 220 GHz, a tensión do feixe optimizada é de 20,6 kV, a corrente do feixe é de 2 × 80 mA, a ganancia é de 38 dB e o ancho de banda de 3 dB supera os 35 dB a uns 70 GHz. Finalmente, realízase unha fabricación de microestruturas de alta precisión para verificar o rendemento do HFS, e os resultados mostran que as características do ancho de banda e as de transmisión concordan ben cos resultados da simulación. Polo tanto, espérase que o esquema proposto neste artigo desenvolva fontes de radiación de banda de terahercios de alta potencia e banda ultraancha con potencial para aplicacións futuras.
Como dispositivo electrónico de baleiro tradicional, o tubo de onda viaxeira (TWT) desempeña un papel irremplazable en moitas aplicacións como o radar de alta resolución, os sistemas de comunicación por satélite e a exploración espacial1,2,3. Non obstante, a medida que a frecuencia de funcionamento entra na banda de terahercios, o TWT de cavidade acoplada tradicional e o TWT helicoidal non puideron satisfacer as necesidades das persoas debido á potencia de saída relativamente baixa, o ancho de banda estreito e os procesos de fabricación difíciles. Polo tanto, como mellorar integralmente o rendemento da banda de THz converteuse nun tema moi preocupante para moitas institucións de investigación científica. Nos últimos anos, as novas estruturas de onda lenta (SWS), como as estruturas de dobre lámina escalonada (SDV) e as estruturas de guía de onda pregada (FW), recibiron unha ampla atención debido ás súas estruturas planas naturais, especialmente os novos SDV-SWS cun potencial prometedor. Esta estrutura foi proposta pola UC-Davis en 20084. A estrutura planar pódese fabricar facilmente mediante técnicas de procesamento de micro-nano como o control numérico por computadora (CNC) e UV-LIGA, a estrutura de paquete totalmente metálica pode proporcionar unha maior capacidade térmica con maior potencia e ganancia de saída, e a estrutura tipo guía de ondas tamén pode proporcionar un ancho de banda de traballo máis amplo. Actualmente, a UC Davis demostrou por primeira vez en 2017 que o SDV-TWT pode xerar saídas de alta potencia superiores a 100 W e sinais de ancho de banda de case 14 GHz na banda G5. Non obstante, estes resultados aínda teñen lagoas que non poden cumprir os requisitos relacionados de alta potencia e ancho de banda amplo na banda de terahercios. Para o SDV-TWT de banda G da UC Davis, utilizáronse feixes de electróns en láminas. Aínda que este esquema pode mellorar significativamente a capacidade de carga de corrente do feixe, é difícil manter unha longa distancia de transmisión debido á inestabilidade do sistema óptico de electróns do feixe en láminas (EOS), e hai un túnel de feixe de sobremodo, que tamén pode facer que o feixe se autorregule. – Excitación e oscilación 6,7. Para cumprir os requisitos de alta potencia de saída, ampla largura de banda e boa estabilidade da TWT de THz, neste artigo proponse un SDV-SWS de dobre feixe con funcionamento en modo dual. É dicir, para aumentar a largura de banda de funcionamento, proponse e introdúcese o funcionamento en modo dual nesta estrutura. E, para aumentar a potencia de saída, tamén se usa unha distribución planar de feixes de lapis dobre. Os radios de feixe de lapis único son relativamente pequenos debido ás restricións de tamaño vertical. Se a densidade de corrente é demasiado alta, a corrente do feixe debe reducirse, o que resulta nunha potencia de saída relativamente baixa. Para mellorar a corrente do feixe, xurdiu o EOS multifeixe distribuído planar, que aproveita o tamaño lateral do SWS. Debido á tunelización do feixe independente, o multifeixe distribuído planar pode alcanzar unha alta potencia de saída mantendo unha alta corrente total do feixe e unha pequena corrente por feixe, o que pode evitar a tunelización do feixe de sobremodo en comparación cos dispositivos de feixe de lámina. Polo tanto, é beneficioso manter a estabilidade do tubo de onda viaxante. Baseándose en traballos anteriores8,9, este artigo propón un campo magnético uniforme de banda G. feixe de dobre lapis de enfoque EOS, que pode mellorar moito a distancia de transmisión estable do feixe e aumentar aínda máis a área de interacción do feixe, mellorando así considerablemente a potencia de saída.
A estrutura deste artigo é a seguinte. En primeiro lugar, descríbese o deseño da cela SWS cos parámetros, a análise das características de dispersión e os resultados da simulación de alta frecuencia. A continuación, segundo a estrutura da cela unidade, neste artigo deséñase un sistema de interacción de feixe e un sistema EOS de feixe dobre. Tamén se presentan os resultados da simulación de partículas intracelulares para verificar a usabilidade do EOS e o rendemento do SDV-TWT. Ademais, o artigo presenta brevemente os resultados da fabricación e das probas en frío para verificar a corrección de todo o HFS. Finalmente, faise un resumo.
Como un dos compoñentes máis importantes do TWT, as propiedades dispersivas da estrutura de onda lenta indican se a velocidade do electrón coincide coa velocidade de fase do SWS e, polo tanto, ten unha gran influencia na interacción feixe-onda. Para mellorar o rendemento de todo o TWT, deseñouse unha estrutura de interacción mellorada. A estrutura da cela unidade móstrase na Figura 1. Tendo en conta a inestabilidade do feixe de lámina e a limitación de potencia do feixe de pluma única, a estrutura adopta un feixe de pluma dobre para mellorar aínda máis a potencia de saída e a estabilidade de funcionamento. Mentres tanto, para aumentar o ancho de banda de traballo, propúxose un modo dual para o funcionamento do SWS. Debido á simetría da estrutura SDV, a solución da ecuación de dispersión do campo electromagnético pódese dividir en modos pares e impares. Ao mesmo tempo, o modo impar fundamental da banda de baixa frecuencia e o modo par fundamental da banda de alta frecuencia utilízanse para realizar a sincronización de banda ancha da interacción do feixe, mellorando así aínda máis o ancho de banda de traballo.
Segundo os requisitos de potencia, todo o tubo está deseñado cunha tensión de accionamento de 20 kV e unha corrente de dobre feixe de 2 × 80 mA. Para axustar a tensión o máis posible ao ancho de banda operativo do SDV-SWS, necesitamos calcular a lonxitude do período p. A relación entre a tensión do feixe e o período móstrase na ecuación (1)10:
Ao axustar o cambio de fase a 2,5π na frecuencia central de 220 GHz, o período p pódese calcular en 0,46 mm. A figura 2a mostra as propiedades de dispersión da cela unitaria SWS. A liña de feixe de 20 kV coincide moi ben coa curva bimodal. As bandas de frecuencia coincidentes poden alcanzar uns 70 GHz nos rangos de 210–265,3 GHz (modo impar) e 265,4–280 GHz (modo par). A figura 2b mostra a impedancia de acoplamento media, que é superior a 0,6 Ω de 210 a 290 GHz, o que indica que poden producirse fortes interaccións no ancho de banda operativo.
(a) Características de dispersión dun SDV-SWS de modo dual cunha liña de feixe de electróns de 20 kV. (b) Impedancia de interacción do circuíto de onda lenta SDV.
Non obstante, é importante ter en conta que existe unha banda prohibida entre os modos par e impar, e normalmente referímonos a esta banda prohibida como banda de parada, como se mostra na Figura 2a. Se o TWT funciona preto desta banda de frecuencia, pode producirse unha forte forza de acoplamento do feixe, o que levará a oscilacións non desexadas. En aplicacións prácticas, xeralmente evitamos usar TWT preto da banda de parada. Non obstante, pódese ver que a banda prohibida desta estrutura de onda lenta é de só 0,1 GHz. É difícil determinar se esta pequena banda prohibida causa oscilacións. Polo tanto, a estabilidade do funcionamento arredor da banda de parada investigarase na seguinte sección de simulación PIC para analizar se poden producirse oscilacións non desexadas.
O modelo de todo o HFS móstrase na Figura 3. Consta de dúas etapas de SDV-SWS, conectadas por reflectores de Bragg. A función do reflector é cortar a transmisión do sinal entre as dúas etapas, suprimir a oscilación e a reflexión dos modos non funcionais, como os modos de alta orde xerados entre as láminas superior e inferior, mellorando así en gran medida a estabilidade de todo o tubo. Para a conexión co ambiente externo, tamén se usa un acoplador cónico lineal para conectar o SWS a unha guía de ondas estándar WR-4. O coeficiente de transmisión da estrutura de dous niveis mídese mediante un solucionador de dominio temporal no software de simulación 3D. Tendo en conta o efecto real da banda de terahercios no material, o material da envoltura de baleiro establécese inicialmente en cobre e a condutividade redúcese a 2,25 × 107 S/m12.
A figura 4 mostra os resultados de transmisión para HFS con e sen acopladores cónicos lineais. Os resultados amosan que o acoplador ten pouco efecto no rendemento de transmisión de todo o HFS. A perda de retorno (S11 < − 10 dB) e a perda de inserción (S21 > − 5 dB) de todo o sistema na banda ancha de 207~280 GHz amosan que o HFS ten boas características de transmisión.
Como fonte de alimentación dos dispositivos electrónicos de baleiro, o canón de electróns determina directamente se o dispositivo pode xerar suficiente potencia de saída. En combinación coa análise de HFS na Sección II, é necesario deseñar un EOS de dobre feixe para proporcionar suficiente potencia. Nesta parte, baseándose no traballo previo en W-band8,9, deseñase un canón de electróns de dobre lápiz usando unha peza de máscara planar e eléctrodos de control. En primeiro lugar, segundo os requisitos de deseño de SWS na Sección. Como se mostra na FIG. 2, a tensión de accionamento Ua dos feixes de electróns establécese inicialmente en 20 kV, as correntes I dos dous feixes de electróns son de 80 mA e o diámetro do feixe dw dos feixes de electróns é de 0,13 mm. Ao mesmo tempo, para garantir que se poida conseguir a densidade de corrente do feixe de electróns e o cátodo, a relación de compresión do feixe de electróns establécese en 7, polo que a densidade de corrente do feixe de electróns é de 603 A/cm2 e a densidade de corrente do cátodo é de 86 A/cm2, o que se pode conseguir mediante Isto conséguese utilizando novos materiais para cátodos. Segundo a teoría de deseño 14, 15, 16, 17, pódese identificar de forma única un canón de electróns Pierce típico.
A figura 5 mostra os diagramas esquemáticos horizontais e verticais do canón, respectivamente. Pódese observar que o perfil do canón de electróns na dirección x é case idéntico ao dun canón de electróns típico en forma de lámina, mentres que na dirección y os dous feixes de electróns están parcialmente separados pola máscara. As posicións dos dous cátodos son en x = – 0,155 mm, y = 0 mm e x = 0,155 mm, y = 0 mm, respectivamente. De acordo cos requisitos de deseño da relación de compresión e o tamaño da inxección de electróns, as dimensións das dúas superficies do cátodo determínanse en 0,91 mm × 0,13 mm.
Para facer que o campo eléctrico enfocado recibido por cada feixe de electróns na dirección x sexa simétrico arredor do seu propio centro, este artigo aplica un eléctrodo de control ao canón de electróns. Ao axustar a tensión do eléctrodo de enfoque e o eléctrodo de control a −20 kV, e a tensión do ánodo a 0 V, podemos obter a distribución da traxectoria do canón de feixe dual, como se mostra na figura 6. Pódese observar que os electróns emitidos teñen boa compresibilidade na dirección y, e cada feixe de electróns converxe cara á dirección x ao longo do seu propio centro de simetría, o que indica que o eléctrodo de control equilibra o campo eléctrico desigual xerado polo eléctrodo de enfoque.
A figura 7 mostra a envolvente do feixe nas direccións x e y. Os resultados mostran que a distancia de proxección do feixe de electróns na dirección x é diferente da da dirección y. A distancia de proxección na dirección x é duns 4 mm e a distancia de proxección na dirección y é próxima aos 7 mm. Polo tanto, a distancia de proxección real debe escollerse entre 4 e 7 mm. A figura 8 mostra a sección transversal do feixe de electróns a 4,6 mm da superficie do cátodo. Podemos ver que a forma da sección transversal é a máis próxima a un feixe de electróns circular estándar. A distancia entre os dous feixes de electróns é próxima aos 0,31 mm deseñados e o radio é duns 0,13 mm, o que cumpre os requisitos de deseño. A figura 9 mostra os resultados da simulación da corrente do feixe. Pódese ver que as dúas correntes do feixe son de 76 mA, o que concorda ben cos 80 mA deseñados.
Tendo en conta a flutuación da tensión de accionamento en aplicacións prácticas, é necesario estudar a sensibilidade á tensión deste modelo. No rango de tensión de 19,8 ~ 20,6 kV, obtéñense as envolventes de corrente e corrente de feixe, como se mostra na Figura 1 e nas Figuras 1.10 e 11. A partir dos resultados, pódese ver que o cambio na tensión de accionamento non ten ningún efecto na envolvente do feixe de electróns e a corrente do feixe de electróns só cambia de 0,74 a 0,78 A. Polo tanto, pódese considerar que o canón de electróns deseñado neste artigo ten unha boa sensibilidade á tensión.
O efecto das flutuacións da tensión de accionamento nas envolventes do feixe nas direccións x e y.
Un campo de enfoque magnético uniforme é un sistema común de enfoque con imán permanente. Debido á distribución uniforme do campo magnético en todo o canal do feixe, é moi axeitado para feixes de electróns axisimétricos. Nesta sección, proponse un sistema de enfoque magnético uniforme para manter a transmisión a longa distancia de feixes de dobre lapis. Ao analizar o campo magnético xerado e a envolvente do feixe, proponse o esquema de deseño do sistema de enfoque e estúdase o problema de sensibilidade. Segundo a teoría da transmisión estable dun só feixe de lapis18,19, o valor do campo magnético de Brillouin pódese calcular mediante a ecuación (2). Neste artigo, tamén usamos esta equivalencia para estimar o campo magnético dun feixe de dobre lapis distribuído lateralmente. Combinado co canón de electróns deseñado neste artigo, o valor do campo magnético calculado é duns 4000 Gs. Segundo a referencia 20, nos deseños prácticos adoita elixirse de 1,5 a 2 veces o valor calculado.
A figura 12 mostra a estrutura dun sistema de campo de enfoque de campo magnético uniforme. A parte azul é o imán permanente magnetizado na dirección axial. A selección de material é NdFeB ou FeCoNi. A remanencia Br establecida no modelo de simulación é de 1,3 T e a permeabilidade é de 1,05. Para garantir a transmisión estable do feixe en todo o circuíto, a lonxitude do imán establécese inicialmente en 70 mm. Ademais, o tamaño do imán na dirección x determina se o campo magnético transversal no canal do feixe é uniforme, o que require que o tamaño na dirección x non poida ser demasiado pequeno. Ao mesmo tempo, tendo en conta o custo e o peso de todo o tubo, o tamaño do imán non debe ser demasiado grande. Polo tanto, os imáns establécense inicialmente en 150 mm × 150 mm × 70 mm. Mentres tanto, para garantir que todo o circuíto de onda lenta se poida colocar no sistema de enfoque, a distancia entre os imáns establécese en 20 mm.
En 2015, Purna Chandra Panda21 propuxo unha peza polar cun novo orificio escalonado nun sistema de enfoque magnético uniforme, que pode reducir aínda máis a magnitude da fuga de fluxo cara ao cátodo e o campo magnético transversal xerado no orificio da peza polar. Neste artigo, engadimos unha estrutura escalonada á peza polar do sistema de enfoque. O grosor da peza polar establécese inicialmente en 1,5 mm, a altura e a anchura dos tres pasos son de 0,5 mm e a distancia entre os orificios da peza polar é de 2 mm, como se mostra na Figura 13.
A figura 14a mostra a distribución axial do campo magnético ao longo das liñas centrais dos dous feixes de electróns. Pódese observar que as forzas do campo magnético ao longo dos dous feixes de electróns son iguais. O valor do campo magnético é duns 6000 Gs, o que é 1,5 veces o campo teórico de Brillouin para aumentar o rendemento de transmisión e enfoque. Ao mesmo tempo, o campo magnético no cátodo é case 0, o que indica que a peza polar ten un bo efecto na prevención das fugas de fluxo magnético. A figura 14b mostra a distribución transversal do campo magnético By na dirección z no bordo superior dos dous feixes de electróns. Pódese observar que o campo magnético transversal é inferior a 200 Gs só no burato da peza polar, mentres que no circuíto de onda lenta, o campo magnético transversal é case cero, o que demostra que a influencia do campo magnético transversal no feixe de electróns é insignificante. Para evitar a saturación magnética das pezas polares, é necesario estudar a intensidade do campo magnético dentro das pezas polares. A figura 14c mostra o valor absoluto da distribución do campo magnético dentro da peza polar. Pódese observar que o valor absoluto da intensidade do campo magnético é menos de 1,2 T, o que indica que non se producirá a saturación magnética da peza polar.
Distribución da intensidade do campo magnético para Br = 1,3 T. (a) Distribución axial do campo. (b) Distribución lateral do campo By na dirección z. (c) Valor absoluto da distribución do campo dentro da peza polar.
Baseándose no módulo CST PS, a posición relativa axial do canón de feixe dual e o sistema de enfoque está optimizada. Segundo a referencia 9 e as simulacións, a localización óptima é onde a peza do ánodo se solapa coa peza polar lonxe do imán. Non obstante, descubriuse que se a remanencia se axustaba a 1,3 T, a transmitancia do feixe de electróns non podía alcanzar o 99 %. Ao aumentar a remanencia a 1,4 T, o campo magnético de enfoque aumentaría a 6500 Gs. As traxectorias do feixe nos planos xoz e yoz móstranse na figura 15. Pódese observar que o feixe ten unha boa transmisión, unha pequena flutuación e unha distancia de transmisión superior a 45 mm.
Traxectorias de feixes de dobre lapis baixo un sistema magnético homoxéneo con Br = 1,4 T. (a) plano xoz. (b) aeronave yoz.
A figura 16 mostra a sección transversal do feixe en diferentes posicións lonxe do cátodo. Pódese observar que a forma da sección do feixe no sistema de enfoque está ben mantida e que o diámetro da sección non cambia moito. A figura 17 mostra as envolventes do feixe nas direccións x e y, respectivamente. Pódese observar que a flutuación do feixe en ambas direccións é moi pequena. A figura 18 mostra os resultados da simulación da corrente do feixe. Os resultados mostran que a corrente é duns 2 × 80 mA, o que é consistente co valor calculado no deseño do canón de electróns.
Sección transversal do feixe de electróns (con sistema de enfoque) en diferentes posicións lonxe do cátodo.
Tendo en conta unha serie de problemas como erros de montaxe, flutuacións de tensión e cambios na intensidade do campo magnético en aplicacións prácticas de procesamento, é necesario analizar a sensibilidade do sistema de enfoque. Debido a que hai unha separación entre a peza do ánodo e a peza polar no procesamento real, esta separación debe establecerse na simulación. O valor da separación estableceuse en 0,2 mm e a Figura 19a mostra a envolvente do feixe e a corrente do feixe na dirección y. Este resultado mostra que o cambio na envolvente do feixe non é significativo e a corrente do feixe apenas cambia. Polo tanto, o sistema é insensible aos erros de montaxe. Para a flutuación da tensión de accionamento, o rango de erro establécese en ±0,5 kV. A Figura 19b mostra os resultados da comparación. Pódese ver que o cambio de tensión ten pouco efecto na envolvente do feixe. O rango de erro establécese de -0,02 a +0,03 T para os cambios na intensidade do campo magnético. Os resultados da comparación móstranse na Figura 20. Pódese ver que a envolvente do feixe apenas cambia, o que significa que toda a EOS é insensible aos cambios na intensidade do campo magnético.
Envolvente do feixe e resultados da corrente baixo un sistema de enfoque magnético uniforme. (a) A tolerancia de montaxe é de 0,2 mm. (b) A flutuación da tensión de accionamento é de ±0,5 kV.
Envolvente do feixe baixo un sistema de enfoque magnético uniforme con flutuacións de intensidade do campo magnético axial que oscilan entre 0,63 e 0,68 T.
Para garantir que o sistema de enfoque deseñado neste artigo coincida co HFS, é necesario combinar o sistema de enfoque e o HFS para a investigación. A figura 21 mostra unha comparación das envolventes do feixe con e sen HFS cargado. Os resultados mostran que a envolvente do feixe non cambia moito cando se carga todo o HFS. Polo tanto, o sistema de enfoque é axeitado para o HFS de tubo de onda viaxante do deseño anterior.
Para verificar a corrección da EOS proposta na Sección III e investigar o rendemento do SDV-TWT de 220 GHz, realízase unha simulación 3D-PIC da interacción feixe-onda. Debido ás limitacións do software de simulación, non puidemos engadir a EOS completa ao HFS. Polo tanto, o canón de electróns foi substituído por unha superficie emisora ​​equivalente cun diámetro de 0,13 mm e unha distancia entre as dúas superficies de 0,31 mm, os mesmos parámetros que o canón de electróns deseñado anteriormente. Debido á insensibilidade e á boa estabilidade da EOS, a tensión de accionamento pódese optimizar adecuadamente para conseguir a mellor potencia de saída na simulación PIC. Os resultados da simulación mostran que a potencia de saída saturada e a ganancia pódense obter a unha tensión de accionamento de 20,6 kV, unha corrente de feixe de 2 × 80 mA (603 A/cm2) e unha potencia de entrada de 0,05 W.
Para obter o mellor sinal de saída, tamén é necesario optimizar o número de ciclos. A mellor potencia de saída obtense cando o número de dúas etapas é de 42 + 48 ciclos, como se mostra na Figura 22a. Un sinal de entrada de 0,05 W amplifícase a 314 W cunha ganancia de 38 dB. O espectro de potencia de saída obtido mediante Transformada Rápida de Fourier (FFT) é puro, cun pico de 220 GHz. A Figura 22b mostra a distribución da posición axial da enerxía dos electróns no SWS, coa maioría dos electróns perdendo enerxía. Este resultado indica que o SDV-SWS pode converter a enerxía cinética dos electróns en sinais de RF, realizando así a amplificación do sinal.
Sinal de saída SDV-SWS a 220 GHz. (a) Potencia de saída co espectro incluído. (b) Distribución de enerxía dos electróns co feixe de electróns ao final do recuadro SWS.
A figura 23 mostra o ancho de banda da potencia de saída e a ganancia dun SDV-TWT de dobre feixe e modo dual. O rendemento de saída pódese mellorar aínda máis varrindo as frecuencias de 200 a 275 GHz e optimizando a tensión de excitación. Este resultado mostra que o ancho de banda de 3 dB pode cubrir de 205 a 275 GHz, o que significa que o funcionamento en modo dual pode ampliar considerablemente o ancho de banda operativo.
Non obstante, segundo a figura 2a, sabemos que existe unha banda de parada entre os modos par e impar, o que pode levar a oscilacións non desexadas. Polo tanto, é necesario estudar a estabilidade do traballo arredor das paradas. As figuras 24a-c son os resultados da simulación de 20 ns a 265,3 GHz, 265,35 GHz e 265,4 GHz, respectivamente. Pódese observar que, aínda que os resultados da simulación teñen algunhas flutuacións, a potencia de saída é relativamente estable. O espectro tamén se mostra na figura 24 respectivamente; o espectro é puro. Estes resultados indican que non hai autooscilación preto da banda de parada.
A fabricación e a medición son necesarias para verificar a corrección de todo o HFS. Nesta parte, o HFS fabrícase mediante tecnoloxía de control numérico por computadora (CNC) cun diámetro de ferramenta de 0,1 mm e unha precisión de mecanizado de 10 μm. O material para a estrutura de alta frecuencia é cobre de alta condutividade libre de osíxeno (OFHC). A figura 25a mostra a estrutura fabricada. Toda a estrutura ten unha lonxitude de 66,00 mm, unha anchura de 20,00 mm e unha altura de 8,66 mm. Oito buratos para os pinos están distribuídos arredor da estrutura. A figura 25b mostra a estrutura mediante microscopía electrónica de varrido (SEM). As láminas desta estrutura prodúcense uniformemente e teñen unha boa rugosidade superficial. Despois dunha medición precisa, o erro de mecanizado global é inferior ao 5 % e a rugosidade superficial é duns 0,4 μm. A estrutura de mecanizado cumpre cos requisitos de deseño e precisión.
A figura 26 mostra a comparación entre os resultados reais das probas e as simulacións do rendemento da transmisión. O porto 1 e o porto 2 da figura 26a correspóndense cos portos de entrada e saída do HFS, respectivamente, e son equivalentes ao porto 1 e ao porto 4 da figura 3. Os resultados reais das medicións do S11 son lixeiramente mellores que os resultados da simulación. Ao mesmo tempo, os resultados medidos do S21 son lixeiramente peores. A razón pode ser que a condutividade do material establecida na simulación é demasiado alta e a rugosidade da superficie despois do mecanizado real é deficiente. En xeral, os resultados medidos concordan ben cos resultados da simulación e o ancho de banda de transmisión cumpre o requisito de 70 GHz, o que verifica a viabilidade e a corrección do SDV-TWT de dobre modo proposto. Polo tanto, combinado co proceso de fabricación real e os resultados das probas, o deseño SDV-TWT de dobre feixe de banda ultra ancha proposto neste artigo pódese usar para fabricacións e aplicacións posteriores.
Neste artigo, preséntase un deseño detallado dun SDV-TWT de dobre feixe de distribución planar a 220 GHz. A combinación de funcionamento en modo dual e excitación de dobre feixe aumenta aínda máis o ancho de banda operativo e a potencia de saída. A fabricación e a proba en frío tamén se realizan para verificar a corrección de todo o HFS. Os resultados reais da medición concordan cos resultados da simulación. Para o EOS de dous feixes deseñado, utilizáronse xuntos unha sección de máscara e eléctrodos de control para producir un feixe de dous lapis. Baixo o campo magnético de enfoque uniforme deseñado, o feixe de electróns pode transmitirse de forma estable a longas distancias con boa forma. No futuro, levarase a cabo a produción e as probas do EOS, e tamén se realizará a proba térmica de todo o TWT. Este esquema de deseño SDV-TWT proposto neste artigo combina plenamente a tecnoloxía actual de procesamento plano maduro e mostra un gran potencial nos indicadores de rendemento e no procesamento e montaxe. Polo tanto, este artigo cre que a estrutura planar é máis probable que se converta na tendencia de desenvolvemento dos dispositivos electrónicos de baleiro na banda de terahercios.
A maioría dos datos brutos e modelos analíticos deste estudo foron incluídos neste artigo. Pode obterse máis información relevante a través do autor correspondente se se solicita de forma razoable.
Gamzina, D. et al. Mecanizado CNC a nanoescala de electrónica de baleiro a subterahercios. IEEE Trans.electronic Devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. e Paoloni, C. Microfabricación UV-LIGA de guías de onda de subterahercios usando fotorresina multicapa SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. Folla de ruta tecnolóxica de THz de 2017. J. Physics. D para aplicar.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR e Luhmann, NC. Forte confinamento da propagación de ondas plasmónicas a través de guías de onda de dobre rede escalonada de banda ultraancha.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Rendemento dun amplificador de tubo de onda viaxeira de 220 GHz mecanizado por nano CNC. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. e Ruan, CJ. Investigación da inestabilidade diocótrona de feixes de electróns de láminas infinitamente anchas mediante a teoría macroscópica de modelos de fluídos fríos. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV sobre a oportunidade de aumentar o ancho de banda mediante a disposición planar do feixe nun clistrón multifeixe. En 12th IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Deseño de canóns de electróns de tres feixes con distribución de plano de división de feixe estreito nun tubo de onda viaxeira de dobre lámina escalonada en banda W [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB e Ruan, CJ Sistema óptico electrónico de tres feixes distribuídos planares con separación de feixes estreita para TWT en modo fundamental de banda W. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Investigación sobre tubos de ondas viaxeiras de dobre lámina entrelazados con feixes de láminas de ondas milimétricas 20-22 (doutoramento, Universidade de Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. e He, Y. Estudo sobre a estabilidade da interacción feixe-onda dun tubo de onda viaxeira de dobre lámina entrelazado en banda G. 43.ª Conferencia Internacional de 2018 sobre Ondas Milimétricas e de Terahercios Infravermellas, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).