Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi peramban yang Anda gunakan memiliki dukungan terbatas untuk CSS. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan peramban yang diperbarui (atau matikan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Dalam makalah ini, tabung gelombang berjalan bilah ganda interleaved berdaya tinggi pita lebar 220 GHz dirancang dan diverifikasi. Pertama, struktur gelombang lambat bilah ganda bertingkat planar diusulkan. Dengan menggunakan skema operasi mode ganda, kinerja transmisi dan bandwidth hampir dua kali lipat dari mode tunggal. Kedua, untuk memenuhi persyaratan daya keluaran tinggi dan meningkatkan stabilitas tabung gelombang berjalan, sistem optik elektronik berbentuk pensil ganda dirancang, tegangan penggeraknya 20~21 kV, dan arusnya 2 × 80 mA. Tujuan desain. Dengan menggunakan bagian masker dan elektroda kontrol pada pistol berkas ganda, kedua berkas pensil dapat difokuskan di sepanjang pusat masing-masing dengan rasio kompresi 7, jarak fokus sekitar 0,18 mm, dan stabilitasnya baik. Sistem fokus magnetik seragam juga telah dioptimalkan. Jarak transmisi stabil berkas elektron ganda planar dapat mencapai 45 mm, dan medan magnet fokusnya 0,6 T, yang cukup untuk mencakup seluruh sistem frekuensi tinggi. (HFS). Kemudian, untuk memverifikasi kegunaan sistem optik elektron dan kinerja struktur gelombang lambat, simulasi sel partikel (PIC) juga dilakukan pada seluruh HFS. Hasilnya menunjukkan bahwa sistem interaksi berkas dapat mencapai daya keluaran puncak hampir 310 W pada 220 GHz, tegangan berkas yang dioptimalkan adalah 20,6 kV, arus berkas adalah 2 × 80 mA, penguatan adalah 38 dB, dan bandwidth 3-dB melebihi 35 dB sekitar 70 GHz. Akhirnya, fabrikasi mikrostruktur presisi tinggi dilakukan untuk memverifikasi kinerja HFS, dan hasilnya menunjukkan bahwa bandwidth dan karakteristik transmisi sangat sesuai dengan hasil simulasi. Oleh karena itu, skema yang diusulkan dalam makalah ini diharapkan dapat mengembangkan sumber radiasi pita terahertz berdaya tinggi dan ultra-broadband dengan potensi untuk aplikasi di masa mendatang.
Sebagai perangkat elektronik vakum tradisional, tabung gelombang berjalan (TWT) memainkan peran yang tak tergantikan dalam banyak aplikasi seperti radar resolusi tinggi, sistem komunikasi satelit, dan eksplorasi ruang angkasa1,2,3.Namun, seiring frekuensi operasi memasuki pita terahertz, TWT rongga kopling tradisional dan TWT heliks tidak mampu memenuhi kebutuhan masyarakat karena daya keluaran yang relatif rendah, bandwidth yang sempit, dan proses manufaktur yang sulit.Oleh karena itu, bagaimana cara meningkatkan kinerja pita THz secara komprehensif telah menjadi isu yang sangat diperhatikan oleh banyak lembaga penelitian ilmiah.Dalam beberapa tahun terakhir, struktur gelombang lambat (SWS) baru, seperti struktur bilah ganda bertingkat (SDV) dan struktur pandu gelombang terlipat (FW), telah mendapat perhatian luas karena struktur planar alaminya, terutama SDV-SWS baru dengan potensi yang menjanjikan.Struktur ini diusulkan oleh UC-Davis pada tahun 20084.Struktur planar dapat dengan mudah dibuat dengan teknik pemrosesan mikro-nano seperti kontrol numerik komputer (CNC) dan UV-LIGA, struktur paket logam sepenuhnya dapat memberikan Kapasitas termal yang lebih besar dengan daya keluaran dan penguatan yang lebih tinggi, dan struktur seperti pandu gelombang juga dapat memberikan bandwidth kerja yang lebih luas. Saat ini, UC Davis mendemonstrasikan untuk pertama kalinya pada tahun 2017 bahwa SDV-TWT dapat menghasilkan daya keluaran tinggi melebihi 100 W dan sinyal bandwidth hampir 14 GHz di pita G5. Namun, hasil ini masih memiliki celah yang tidak dapat memenuhi persyaratan terkait daya tinggi dan bandwidth lebar di pita terahertz. Untuk SDV-TWT pita G UC-Davis, berkas elektron lembaran telah digunakan. Meskipun skema ini dapat secara signifikan meningkatkan kapasitas pembawa arus berkas, sulit untuk mempertahankan jarak transmisi yang panjang karena ketidakstabilan sistem optik elektron berkas lembaran (EOS), dan ada terowongan berkas mode berlebih, yang juga dapat menyebabkan berkas mengatur diri sendiri. – Eksitasi dan osilasi 6,7. Untuk memenuhi persyaratan daya keluaran tinggi, bandwidth lebar, dan stabilitas yang baik dari TWT THz, SDV-SWS dual-beam dengan operasi dual-mode diusulkan dalam makalah ini. Artinya, untuk meningkatkan bandwidth operasi, operasi dual-mode diusulkan dan diperkenalkan dalam struktur ini. Dan, untuk meningkatkan daya keluaran, distribusi planar dari berkas pensil ganda juga digunakan. Radius berkas pensil tunggal relatif kecil karena kendala ukuran vertikal. Jika kepadatan arus terlalu tinggi, arus berkas harus dikurangi, sehingga menghasilkan daya keluaran yang relatif rendah. Untuk meningkatkan arus berkas, EOS multi-beam terdistribusi planar telah muncul, yang memanfaatkan ukuran lateral SWS. Karena penerowongan berkas independen, multi-beam terdistribusi planar dapat mencapai daya keluaran tinggi dengan mempertahankan total arus berkas yang tinggi dan arus per berkas yang kecil, yang dapat menghindari penerowongan berkas overmode dibandingkan dengan perangkat berkas lembaran. Oleh karena itu, hal ini bermanfaat untuk menjaga stabilitas tabung gelombang berjalan. Berdasarkan penelitian sebelumnya work8,9, makalah ini mengusulkan EOS berkas pensil ganda fokus medan magnet seragam pita G, yang dapat sangat meningkatkan jarak transmisi stabil berkas dan lebih lanjut meningkatkan area interaksi berkas, sehingga sangat meningkatkan daya keluaran.
Struktur makalah ini adalah sebagai berikut. Pertama, desain sel SWS dengan parameter, analisis karakteristik dispersi, dan hasil simulasi frekuensi tinggi dijelaskan. Kemudian, berdasarkan struktur sel unit, sistem EOS berkas pensil ganda dan sistem interaksi berkas dirancang dalam makalah ini. Hasil simulasi partikel intraseluler juga disajikan untuk memverifikasi kegunaan EOS dan kinerja SDV-TWT. Selain itu, makalah ini secara singkat menyajikan hasil fabrikasi dan uji dingin untuk memverifikasi kebenaran keseluruhan HFS. Terakhir, makalah ini memberikan ringkasan.
Sebagai salah satu komponen terpenting dari TWT, sifat dispersif dari struktur gelombang lambat menunjukkan apakah kecepatan elektron sesuai dengan kecepatan fase SWS, dan dengan demikian memiliki pengaruh besar pada interaksi berkas-gelombang. Untuk meningkatkan kinerja keseluruhan TWT, dirancang struktur interaksi yang lebih baik. Struktur sel unit ditunjukkan pada Gambar 1. Dengan mempertimbangkan ketidakstabilan berkas lembaran dan keterbatasan daya berkas pena tunggal, struktur ini mengadopsi berkas pena ganda untuk lebih meningkatkan daya keluaran dan stabilitas operasi. Sementara itu, untuk meningkatkan bandwidth kerja, mode ganda telah diusulkan untuk pengoperasian SWS. Karena simetri struktur SDV, solusi persamaan dispersi medan elektromagnetik dapat dibagi menjadi mode ganjil dan genap. Pada saat yang sama, mode ganjil fundamental dari pita frekuensi rendah dan mode genap fundamental dari pita frekuensi tinggi digunakan untuk mewujudkan sinkronisasi broadband dari interaksi berkas, sehingga lebih meningkatkan bandwidth kerja.
Sesuai dengan kebutuhan daya, seluruh tabung dirancang dengan tegangan penggerak 20 kV dan arus berkas ganda 2 × 80 mA. Untuk mencocokkan tegangan sedekat mungkin dengan bandwidth operasi SDV-SWS, kita perlu menghitung panjang periode p. Hubungan antara tegangan berkas dan periode ditunjukkan pada persamaan (1)10:
Dengan mengatur pergeseran fasa menjadi 2,5π pada frekuensi pusat 220 GHz, periode p dapat dihitung menjadi 0,46 mm. Gambar 2a menunjukkan sifat dispersi sel unit SWS. Saluran berkas 20 kV sangat cocok dengan kurva bimodal. Pita frekuensi yang cocok dapat mencapai sekitar 70 GHz dalam rentang 210–265,3 GHz (mode ganjil) dan 265,4–280 GHz (mode genap). Gambar 2b menunjukkan impedansi kopling rata-rata, yang lebih besar dari 0,6 Ω dari 210 hingga 290 GHz, menunjukkan bahwa interaksi yang kuat dapat terjadi dalam bandwidth operasi.
(a) Karakteristik dispersi SDV-SWS mode ganda dengan jalur berkas elektron 20 kV. (b) Impedansi interaksi rangkaian gelombang lambat SDV.
Namun, penting untuk dicatat bahwa terdapat celah pita antara mode ganjil dan genap, dan kita biasanya menyebut celah pita ini sebagai pita henti, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Jika TWT dioperasikan di dekat pita frekuensi ini, kekuatan kopling berkas yang kuat dapat terjadi, yang akan menyebabkan osilasi yang tidak diinginkan. Dalam aplikasi praktis, kita umumnya menghindari penggunaan TWT di dekat pita henti. Namun, dapat dilihat bahwa celah pita dari struktur gelombang lambat ini hanya 0,1 GHz. Sulit untuk menentukan apakah celah pita yang kecil ini menyebabkan osilasi. Oleh karena itu, stabilitas operasi di sekitar pita henti akan diselidiki pada bagian simulasi PIC berikut untuk menganalisis apakah osilasi yang tidak diinginkan dapat terjadi.
Model keseluruhan HFS ditunjukkan pada Gambar 3. Model ini terdiri dari dua tahap SDV-SWS, yang dihubungkan oleh reflektor Bragg. Fungsi reflektor adalah untuk memutus transmisi sinyal antara kedua tahap, menekan osilasi dan refleksi mode non-kerja seperti mode orde tinggi yang dihasilkan antara bilah atas dan bawah, sehingga sangat meningkatkan stabilitas seluruh tabung. Untuk koneksi ke lingkungan eksternal, coupler tirus linier juga digunakan untuk menghubungkan SWS ke pandu gelombang standar WR-4. Koefisien transmisi struktur dua tingkat diukur oleh solver domain waktu dalam perangkat lunak simulasi 3D. Dengan mempertimbangkan efek aktual pita terahertz pada material, material selubung vakum awalnya diatur ke tembaga, dan konduktivitasnya dikurangi menjadi 2,25 × 10⁷ S/m¹².
Gambar 4 menunjukkan hasil transmisi untuk HFS dengan dan tanpa coupler tirus linier. Hasilnya menunjukkan bahwa coupler memiliki sedikit pengaruh pada kinerja transmisi keseluruhan HFS. Rugi balik (S11 < − 10 dB) dan rugi penyisipan (S21 > − 5 dB) dari keseluruhan sistem pada pita lebar 207~280 GHz menunjukkan bahwa HFS memiliki karakteristik transmisi yang baik.
Sebagai sumber daya untuk perangkat elektronik vakum, pistol elektron secara langsung menentukan apakah perangkat tersebut dapat menghasilkan daya keluaran yang cukup. Dikombinasikan dengan analisis HFS pada Bagian II, EOS berkas ganda perlu dirancang untuk menyediakan daya yang cukup. Pada bagian ini, berdasarkan pekerjaan sebelumnya di pita W8,9, pistol elektron pensil ganda dirancang menggunakan bagian masker planar dan elektroda kontrol. Pertama, sesuai dengan persyaratan desain SWS pada Bagian II. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Tegangan penggerak Ua dari berkas elektron awalnya diatur ke 20 kV, arus I dari kedua berkas elektron adalah 80 mA, dan diameter berkas dw dari berkas elektron adalah 0,13 mm. Pada saat yang sama, untuk memastikan bahwa kerapatan arus berkas elektron dan katoda dapat tercapai, rasio kompresi berkas elektron diatur ke 7, sehingga kerapatan arus berkas elektron adalah 603 A/cm2, dan kerapatan arus katoda adalah 86 A/cm2, yang dapat dicapai dengan menggunakan material katoda baru. Menurut teori desain 14, 15, 16, 17, sebuah senapan elektron Pierce yang khas dapat diidentifikasi secara unik.
Gambar 5 menunjukkan diagram skematik horizontal dan vertikal dari pistol elektron. Dapat dilihat bahwa profil pistol elektron dalam arah x hampir identik dengan pistol elektron berbentuk lembaran pada umumnya, sedangkan dalam arah y, kedua berkas elektron dipisahkan sebagian oleh masker. Posisi kedua katoda masing-masing berada pada x = – 0,155 mm, y = 0 mm dan x = 0,155 mm, y = 0 mm. Sesuai dengan persyaratan desain rasio kompresi dan ukuran injeksi elektron, dimensi kedua permukaan katoda ditentukan sebesar 0,91 mm × 0,13 mm.
Untuk membuat medan listrik terfokus yang diterima oleh setiap berkas elektron dalam arah x simetris terhadap pusatnya sendiri, makalah ini menerapkan elektroda kontrol pada pistol elektron. Dengan mengatur tegangan elektroda fokus dan elektroda kontrol menjadi −20 kV, dan tegangan anoda menjadi 0 V, kita dapat memperoleh distribusi lintasan pistol berkas ganda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Dapat dilihat bahwa elektron yang dipancarkan memiliki kompresibilitas yang baik dalam arah y, dan setiap berkas elektron berkumpul menuju arah x di sepanjang pusat simetrinya sendiri, yang menunjukkan bahwa elektroda kontrol menyeimbangkan medan listrik yang tidak merata yang dihasilkan oleh elektroda fokus.
Gambar 7 menunjukkan amplop berkas elektron dalam arah x dan y. Hasilnya menunjukkan bahwa jarak proyeksi berkas elektron dalam arah x berbeda dengan jarak proyeksi dalam arah y. Jarak lemparan dalam arah x sekitar 4 mm, dan jarak lemparan dalam arah y mendekati 7 mm. Oleh karena itu, jarak lemparan sebenarnya harus dipilih antara 4 dan 7 mm. Gambar 8 menunjukkan penampang berkas elektron pada jarak 4,6 mm dari permukaan katoda. Kita dapat melihat bahwa bentuk penampang paling mendekati berkas elektron melingkar standar. Jarak antara kedua berkas elektron mendekati 0,31 mm yang dirancang, dan jari-jarinya sekitar 0,13 mm, yang memenuhi persyaratan desain. Gambar 9 menunjukkan hasil simulasi arus berkas. Dapat dilihat bahwa kedua arus berkas adalah 76 mA, yang sesuai dengan desain 80 mA.
Mengingat fluktuasi tegangan penggerak dalam aplikasi praktis, perlu untuk mempelajari sensitivitas tegangan dari model ini. Dalam rentang tegangan 19,8 ~ 20,6 kV, amplop arus dan arus berkas elektron diperoleh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 1.10 dan 11. Dari hasil tersebut, dapat dilihat bahwa perubahan tegangan penggerak tidak berpengaruh pada amplop berkas elektron, dan arus berkas elektron hanya berubah dari 0,74 menjadi 0,78 A. Oleh karena itu, dapat dianggap bahwa pistol elektron yang dirancang dalam makalah ini memiliki sensitivitas yang baik terhadap tegangan.
Pengaruh fluktuasi tegangan penggerak terhadap amplop berkas arah x dan y.
Medan fokus magnetik seragam adalah sistem fokus magnet permanen yang umum. Karena distribusi medan magnet seragam di seluruh saluran berkas, sistem ini sangat cocok untuk berkas elektron aksisimetris. Pada bagian ini, sistem fokus magnetik seragam untuk mempertahankan transmisi jarak jauh berkas pensil ganda diusulkan. Dengan menganalisis medan magnet yang dihasilkan dan amplop berkas, skema desain sistem fokus diusulkan, dan masalah sensitivitas dipelajari. Menurut teori transmisi stabil berkas pensil tunggal18,19, nilai medan magnet Brillouin dapat dihitung dengan persamaan (2). Dalam makalah ini, kami juga menggunakan kesetaraan ini untuk memperkirakan medan magnet berkas pensil ganda yang terdistribusi secara lateral. Dikombinasikan dengan pistol elektron yang dirancang dalam makalah ini, nilai medan magnet yang dihitung adalah sekitar 4000 Gs. Menurut Ref. 20, 1,5-2 kali nilai yang dihitung biasanya dipilih dalam desain praktis.
Gambar 12 menunjukkan struktur sistem medan fokus medan magnet seragam. Bagian biru adalah magnet permanen yang dimagnetisasi dalam arah aksial. Pemilihan material adalah NdFeB atau FeCoNi. Remanensi Br yang ditetapkan dalam model simulasi adalah 1,3 T dan permeabilitasnya adalah 1,05. Untuk memastikan transmisi berkas yang stabil di seluruh rangkaian, panjang magnet awalnya ditetapkan menjadi 70 mm. Selain itu, ukuran magnet dalam arah x menentukan apakah medan magnet transversal di saluran berkas seragam, yang mengharuskan ukuran dalam arah x tidak terlalu kecil. Pada saat yang sama, dengan mempertimbangkan biaya dan berat seluruh tabung, ukuran magnet tidak boleh terlalu besar. Oleh karena itu, magnet awalnya ditetapkan menjadi 150 mm × 150 mm × 70 mm. Sementara itu, untuk memastikan bahwa seluruh rangkaian gelombang lambat dapat ditempatkan dalam sistem fokus, jarak antara magnet ditetapkan menjadi 20 mm.
Pada tahun 2015, Purna Chandra Panda21 mengusulkan sebuah kutub magnet dengan lubang bertingkat baru pada sistem fokus magnetik seragam, yang dapat lebih mengurangi besarnya kebocoran fluks ke katoda dan medan magnet transversal yang dihasilkan pada lubang kutub magnet. Dalam makalah ini, kami menambahkan struktur bertingkat pada kutub magnet sistem fokus. Ketebalan kutub magnet awalnya ditetapkan sebesar 1,5 mm, tinggi dan lebar ketiga tingkatnya adalah 0,5 mm, dan jarak antara lubang kutub magnet adalah 2 mm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.
Gambar 14a menunjukkan distribusi medan magnet aksial di sepanjang garis tengah kedua berkas elektron. Terlihat bahwa gaya medan magnet di sepanjang kedua berkas elektron sama besarnya. Nilai medan magnet sekitar 6000 Gs, yang merupakan 1,5 kali medan Brillouin teoritis untuk meningkatkan kinerja transmisi dan pemfokusan. Pada saat yang sama, medan magnet di katoda hampir 0, menunjukkan bahwa potongan kutub memiliki efek yang baik dalam mencegah kebocoran fluks magnet. Gambar 14b menunjukkan distribusi medan magnet transversal By dalam arah z di tepi atas kedua berkas elektron. Terlihat bahwa medan magnet transversal kurang dari 200 Gs hanya di lubang potongan kutub, sedangkan di sirkuit gelombang lambat, medan magnet transversal hampir nol, yang membuktikan bahwa pengaruh medan magnet transversal pada berkas elektron dapat diabaikan. Untuk mencegah saturasi magnetik potongan kutub, perlu untuk mempelajari kekuatan medan magnet di dalam potongan kutub. Gambar 14c menunjukkan nilai absolut distribusi medan magnet di dalam potongan kutub. Terlihat bahwa nilai absolut kekuatan medan magnet kurang dari 1,2T, yang menunjukkan bahwa saturasi magnetik pada kutub magnet tidak akan terjadi.
Distribusi kekuatan medan magnet untuk Br = 1,3 T.(a) Distribusi medan aksial.(b) Distribusi medan lateral By dalam arah z.(c) Nilai absolut distribusi medan di dalam kutub magnet.
Berdasarkan modul CST PS, posisi relatif aksial dari pistol berkas ganda dan sistem pemfokusan dioptimalkan. Menurut Ref. 9 dan simulasi, lokasi optimal adalah di mana bagian anoda tumpang tindih dengan bagian kutub yang jauh dari magnet. Namun, ditemukan bahwa jika remanensi diatur ke 1,3T, transmitansi berkas elektron tidak dapat mencapai 99%. Dengan meningkatkan remanensi menjadi 1,4 T, medan magnet pemfokusan akan meningkat menjadi 6500 Gs. Lintasan berkas pada bidang xoz dan yoz ditunjukkan pada Gambar 15. Dapat dilihat bahwa berkas memiliki transmisi yang baik, fluktuasi kecil, dan jarak transmisi lebih besar dari 45mm.
Lintasan berkas pensil ganda di bawah sistem magnetik homogen dengan Br = 1,4 T.(a) bidang xoz.(b) pesawat yoz.
Gambar 16 menunjukkan penampang berkas pada posisi berbeda yang jauh dari katoda. Terlihat bahwa bentuk penampang berkas dalam sistem pemfokusan terjaga dengan baik, dan diameter penampang tidak banyak berubah. Gambar 17 menunjukkan amplop berkas dalam arah x dan y. Terlihat bahwa fluktuasi berkas di kedua arah sangat kecil. Gambar 18 menunjukkan hasil simulasi arus berkas. Hasilnya menunjukkan bahwa arus sekitar 2 × 80 mA, yang konsisten dengan nilai yang dihitung dalam desain pistol elektron.
Penampang lintang berkas elektron (dengan sistem pemfokusan) pada posisi berbeda dari katoda.
Mengingat serangkaian masalah seperti kesalahan perakitan, fluktuasi tegangan, dan perubahan kekuatan medan magnet dalam aplikasi pemrosesan praktis, perlu untuk menganalisis sensitivitas sistem pemfokusan. Karena ada celah antara bagian anoda dan bagian kutub dalam pemrosesan aktual, celah ini perlu diatur dalam simulasi. Nilai celah diatur menjadi 0,2 mm dan Gambar 19a menunjukkan amplop berkas dan arus berkas dalam arah y. Hasil ini menunjukkan bahwa perubahan amplop berkas tidak signifikan dan arus berkas hampir tidak berubah. Oleh karena itu, sistem tidak sensitif terhadap kesalahan perakitan. Untuk fluktuasi tegangan penggerak, rentang kesalahan diatur menjadi ±0,5 kV. Gambar 19b menunjukkan hasil perbandingan. Dapat dilihat bahwa perubahan tegangan memiliki sedikit efek pada amplop berkas. Rentang kesalahan diatur dari -0,02 hingga +0,03 T untuk perubahan kekuatan medan magnet. Hasil perbandingan ditunjukkan pada Gambar 20. Dapat dilihat bahwa amplop berkas hampir tidak berubah, yang berarti bahwa seluruh EOS tidak sensitif terhadap perubahan kekuatan medan magnet.
Hasil amplop berkas dan arus di bawah sistem pemfokusan magnetik seragam. (a) Toleransi perakitan adalah 0,2 mm. (b) Fluktuasi tegangan penggerak adalah ±0,5 kV.
Selubung berkas di bawah sistem pemfokusan magnetik seragam dengan fluktuasi kekuatan medan magnet aksial berkisar dari 0,63 hingga 0,68 T.
Untuk memastikan bahwa sistem pemfokusan yang dirancang dalam makalah ini dapat sesuai dengan HFS, perlu dilakukan penggabungan sistem pemfokusan dan HFS untuk penelitian. Gambar 21 menunjukkan perbandingan amplop berkas dengan dan tanpa HFS terpasang. Hasilnya menunjukkan bahwa amplop berkas tidak banyak berubah ketika seluruh HFS terpasang. Oleh karena itu, sistem pemfokusan tersebut cocok untuk tabung gelombang berjalan HFS dengan desain di atas.
Untuk memverifikasi kebenaran EOS yang diusulkan pada Bagian III dan menyelidiki kinerja SDV-TWT 220 GHz, simulasi 3D-PIC interaksi berkas-gelombang dilakukan. Karena keterbatasan perangkat lunak simulasi, kami tidak dapat menambahkan seluruh EOS ke HFS. Oleh karena itu, pistol elektron diganti dengan permukaan pemancar setara dengan diameter 0,13 mm dan jarak antara kedua permukaan 0,31 mm, parameter yang sama dengan pistol elektron yang dirancang di atas. Karena ketidakpekaan dan stabilitas EOS yang baik, tegangan penggerak dapat dioptimalkan dengan tepat untuk mencapai daya keluaran terbaik dalam simulasi PIC. Hasil simulasi menunjukkan bahwa daya keluaran jenuh dan penguatan dapat diperoleh pada tegangan penggerak 20,6 kV, arus berkas 2 × 80 mA (603 A/cm2), dan daya masukan 0,05 W.
Untuk mendapatkan sinyal keluaran terbaik, jumlah siklus juga perlu dioptimalkan. Daya keluaran terbaik diperoleh ketika jumlah dua tahap adalah 42 + 48 siklus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22a. Sinyal masukan 0,05 W diperkuat menjadi 314 W dengan penguatan 38 dB. Spektrum daya keluaran yang diperoleh dengan Transformasi Fourier Cepat (FFT) murni, dengan puncak pada 220 GHz. Gambar 22b menunjukkan distribusi posisi aksial energi elektron dalam SWS, dengan sebagian besar elektron kehilangan energi. Hasil ini menunjukkan bahwa SDV-SWS dapat mengubah energi kinetik elektron menjadi sinyal RF, sehingga mewujudkan penguatan sinyal.
Sinyal keluaran SDV-SWS pada 220 GHz. (a) Daya keluaran dengan spektrum yang disertakan. (b) Distribusi energi elektron dengan berkas elektron di ujung sisipan SWS.
Gambar 23 menunjukkan bandwidth daya keluaran dan gain dari SDV-TWT dual-mode dual-beam. Kinerja keluaran dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan melakukan sweeping frekuensi dari 200 hingga 275 GHz dan mengoptimalkan tegangan penggerak. Hasil ini menunjukkan bahwa bandwidth 3-dB dapat mencakup 205 hingga 275 GHz, yang berarti bahwa operasi dual-mode dapat memperluas bandwidth operasi secara signifikan.
Namun, menurut Gambar 2a, kita tahu bahwa ada pita henti antara mode ganjil dan genap, yang dapat menyebabkan osilasi yang tidak diinginkan. Oleh karena itu, stabilitas kerja di sekitar pita henti perlu dipelajari. Gambar 24a-c adalah hasil simulasi 20 ns pada 265,3 GHz, 265,35 GHz, dan 265,4 GHz, masing-masing. Dapat dilihat bahwa meskipun hasil simulasi memiliki beberapa fluktuasi, daya keluaran relatif stabil. Spektrum juga ditunjukkan pada Gambar 24, spektrumnya murni. Hasil ini menunjukkan bahwa tidak ada osilasi sendiri di dekat pita henti.
Fabrikasi dan pengukuran diperlukan untuk memverifikasi kebenaran seluruh HFS. Pada bagian ini, HFS difabrikasi menggunakan teknologi kontrol numerik komputer (CNC) dengan diameter alat 0,1 mm dan akurasi pemesinan 10 μm. Material untuk struktur frekuensi tinggi disediakan oleh tembaga konduktivitas tinggi bebas oksigen (OFHC). Gambar 25a menunjukkan struktur yang telah difabrikasi. Seluruh struktur memiliki panjang 66,00 mm, lebar 20,00 mm, dan tinggi 8,66 mm. Delapan lubang pin didistribusikan di sekitar struktur. Gambar 25b menunjukkan struktur tersebut melalui mikroskop elektron pemindaian (SEM). Bilah-bilah struktur ini diproduksi secara seragam dan memiliki kekasaran permukaan yang baik. Setelah pengukuran yang tepat, kesalahan pemesinan keseluruhan kurang dari 5%, dan kekasaran permukaan sekitar 0,4 μm. Struktur pemesinan memenuhi persyaratan desain dan presisi.
Gambar 26 menunjukkan perbandingan antara hasil pengujian aktual dan simulasi kinerja transmisi. Port 1 dan Port 2 pada Gambar 26a masing-masing sesuai dengan port input dan output HFS, dan setara dengan Port 1 dan Port 4 pada Gambar 3. Hasil pengukuran aktual S11 sedikit lebih baik daripada hasil simulasi. Pada saat yang sama, hasil pengukuran S21 sedikit lebih buruk. Alasannya mungkin karena konduktivitas material yang ditetapkan dalam simulasi terlalu tinggi dan kekasaran permukaan setelah pemesinan aktual buruk. Secara keseluruhan, hasil pengukuran sangat sesuai dengan hasil simulasi, dan bandwidth transmisi memenuhi persyaratan 70 GHz, yang memverifikasi kelayakan dan kebenaran SDV-TWT dual-mode yang diusulkan. Oleh karena itu, dikombinasikan dengan proses fabrikasi aktual dan hasil pengujian, desain SDV-TWT dual-beam ultra-broadband yang diusulkan dalam makalah ini dapat digunakan untuk fabrikasi dan aplikasi selanjutnya.
Dalam makalah ini, disajikan desain terperinci dari SDV-TWT dual-beam 220 GHz distribusi planar. Kombinasi operasi dual-mode dan eksitasi dual-beam lebih lanjut meningkatkan bandwidth operasi dan daya keluaran. Fabrikasi dan uji dingin juga dilakukan untuk memverifikasi kebenaran seluruh HFS. Hasil pengukuran aktual sangat sesuai dengan hasil simulasi. Untuk EOS dua-beam yang dirancang, bagian mask dan elektroda kontrol telah digunakan bersama untuk menghasilkan dua berkas pensil. Di bawah medan magnet fokus seragam yang dirancang, berkas elektron dapat ditransmisikan secara stabil jarak jauh dengan bentuk yang baik. Di masa mendatang, produksi dan pengujian EOS akan dilakukan, dan uji termal seluruh TWT juga akan dilakukan. Skema desain SDV-TWT yang diusulkan dalam makalah ini sepenuhnya menggabungkan teknologi pemrosesan planar yang matang saat ini, dan menunjukkan potensi besar dalam indikator kinerja serta pemrosesan dan perakitan. Oleh karena itu, makalah ini meyakini bahwa struktur planar kemungkinan besar akan menjadi tren pengembangan perangkat elektronik vakum di pita terahertz.
Sebagian besar data mentah dan model analitis dalam penelitian ini telah disertakan dalam makalah ini. Informasi relevan lebih lanjut dapat diperoleh dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
Gamzina, D. et al. Pemesinan CNC skala nano untuk elektronika vakum sub-terahertz. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. dan Paoloni, C. Mikrofabrikasi UV-LIGA pandu gelombang sub-terahertz menggunakan fotoresist SU-8 multilapis. J. Mikromekanika. Mikroelektronika. 26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 Peta jalan teknologi THz.J. Fisika.D untuk diterapkan.fisika.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Pembatasan kuat perambatan gelombang plasmonik melalui pandu gelombang kisi ganda bertingkat ultra-broadband.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. dkk. Kinerja Penguat Tabung Gelombang Berjalan 220 GHz yang Dibuat dengan Mesin CNC Nano. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Investigasi ketidakstabilan diocotron berkas elektron lembaran yang sangat lebar menggunakan teori model fluida dingin makroskopis. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV tentang peluang untuk meningkatkan bandwidth dengan tata letak planar berkas dalam klystron multiberkas. Dalam Konferensi Internasional IEEE ke-12 tentang Elektronik Vakum, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ dkk. Desain senapan elektron tiga berkas dengan distribusi bidang pemisah berkas sempit dalam tabung gelombang berjalan bilah ganda bertingkat pita W[J]. Sains. Laporan. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB & Ruan, CJ Sistem optik elektron tiga berkas terdistribusi planar dengan pemisahan berkas sempit untuk mode fundamental pita W TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Penelitian tentang Tabung Gelombang Berjalan Bilah Ganda Berselang-seling dengan Balok Lembaran Gelombang Milimeter 20-22 (PhD, Universitas Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studi tentang stabilitas interaksi berkas-gelombang dari tabung gelombang berjalan bilah ganda interleaved pita G. Konferensi Internasional ke-43 tentang Gelombang Inframerah Milimeter dan Terahertz, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).