Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com. Vafraútgáfan sem þú notar styður CSS takmarkað. Til að fá sem bestu upplifun mælum við með að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Á meðan, til að tryggja áframhaldandi stuðning, munum við birta síðuna án stíla og JavaScript.
Í þessari grein er hannað og staðfest 220GHz breiðbands háafls tvíblaða ferðabylgjurör. Fyrst er lagt til flatt tvíblaða tvíblaða hægbylgjukerfi með tvöföldum geisla. Með því að nota tvíhliða rekstraraðferð er sendingargeta og bandbreidd næstum tvöföld miðað við einhliða. Í öðru lagi, til að uppfylla kröfur um mikla úttaksafl og bæta stöðugleika ferðabylgjurörsins, er hannað tvöfalt blýantslaga rafeindakerfi, drifspennan er 20~21 kV og straumurinn er 2 × 80 mA. Hönnunarmarkmið. Með því að nota grímuhlutann og stjórnrafskautið í tvíblaða geislabyssunni er hægt að einbeita blýantsgeislunum tveimur meðfram miðjum sínum með þjöppunarhlutfalli 7, fókusfjarlægðin er um 0,18 mm og stöðugleikinn er góður. Jafnt segulfókuskerfi hefur einnig verið fínstillt. Stöðug sendingarfjarlægð flata tvíblaða rafeindageislans getur náð 45 mm og fókussegulsviðið er 0,6 T, sem er nóg til að ná yfir allt hátíðnikerfið (HFS). Síðan, til að Til að staðfesta notagildi rafeinda-ljósfræðilega kerfisins og afköst hægbylgjubyggingarinnar voru einnig framkvæmdar PIC-hermir á öllu HFS-kerfinu. Niðurstöðurnar sýna að geisla-víxlverkunarkerfið getur náð hámarksafli upp á næstum 310 W við 220 GHz, fínstillta geislaspennan er 20,6 kV, geislastraumurinn er 2 × 80 mA, aukningin er 38 dB og 3-dB bandvíddin fer yfir 35 dB við um 70 GHz. Að lokum er framkvæmd nákvæm örbygging til að staðfesta afköst HFS-kerfisins og niðurstöðurnar sýna að bandvídd og sendingareiginleikar eru í góðu samræmi við niðurstöður hermunarinnar. Þess vegna er gert ráð fyrir að kerfið sem lagt er til í þessari grein muni þróa öflugar, ofurbreiðbands terahertz-band geislunarlindir með möguleika á framtíðarnotkun.
Sem hefðbundið rafeindatæki í lofttæmi gegnir ferðabylgjurör (TWT) ómissandi hlutverki í mörgum forritum eins og ratsjá með mikilli upplausn, gervihnattasamskiptakerfum og geimkönnun1,2,3. Hins vegar, þegar rekstrartíðnin fer inn í terahertz bandið, hafa hefðbundin TWT með tengdu holrými og helical TWT ekki getað uppfyllt þarfir fólks vegna tiltölulega lágs úttaksafls, þröngs bandvíddar og erfiðra framleiðsluferla. Þess vegna hefur það orðið mjög áhyggjuefni fyrir margar vísindastofnanir hvernig hægt er að bæta afköst THz bandsins í heild sinni. Á undanförnum árum hafa nýjar hægbylgjubyggingar (SWS), svo sem tvíhliða blöð (SDV) byggingar og felld bylgjuleiðarabyggingar (FW), vakið mikla athygli vegna náttúrulegra flatarbygginga sinna, sérstaklega nýju SDV-SWS með efnilegum möguleikum. Þessi uppbygging var lögð til af UC-Davis árið 20084. Flatbygginguna er auðvelt að framleiða með ör-nanó vinnslutækni eins og tölvustýringu (CNC) og UV-LIGA, og all-málm pakkningabyggingin getur veitt meiri varmaorku með meiri afköstum. afl og ávinningur, og bylgjuleiðaralík uppbygging getur einnig veitt breiðara vinnubandvídd. Eins og er sýndi UC Davis fram á í fyrsta skipti árið 2017 að SDV-TWT getur framleitt háaflsúttak yfir 100 W og næstum 14 GHz bandvíddarmerki í G-bandinu5. Hins vegar eru enn eyður í þessum niðurstöðum sem geta ekki uppfyllt skyldar kröfur um háa aflsúttak og breiða bandvídd í terahertz bandinu. Fyrir G-band SDV-TWT frá UC-Davis hafa rafeindageislar verið notaðir. Þó að þessi aðferð geti bætt straumburðargetu geislans verulega, er erfitt að viðhalda langri sendingarfjarlægð vegna óstöðugleika rafeindakerfisins (EOS) í geislanum, og það er ofstillingargeislagöng, sem getur einnig valdið því að geislinn sjálfstillist. – Örvun og sveiflur 6,7. Til að uppfylla kröfur um mikla úttaksafl, breiða bandvídd og góða stöðugleika THz TWT er lagt til í þessari grein tvígeisla SDV-SWS með tvískiptri virkni. Það er að segja, til að auka rekstrarbandvíddina er lagt til og kynnt tvískipt virkni í þessari uppbyggingu. Og til að auka úttaksafl er einnig notuð flat dreifing tvöfaldra blýantsgeisla. Einfaldir blýantsgeislar eru tiltölulega litlir vegna lóðréttra stærðartakmarkana. Ef straumþéttleikinn er of mikill verður að minnka geislastrauminn, sem leiðir til tiltölulega lágs úttaksafls. Til að bæta geislastrauminn hefur komið fram flatdreift fjölgeisla EOS, sem nýtir sér hliðarstærð SWS. Vegna sjálfstæðrar geislagöngunar getur flatdreift fjölgeisli náð mikilli úttaksafl með því að viðhalda miklum heildargeislastraumi og litlum straumi á geisla, sem getur komið í veg fyrir ofháða geislagöngun samanborið við plötugeislatæki. Þess vegna er gagnlegt að viðhalda stöðugleika ferðabylgjurörsins. Á grundvelli fyrri vinnu8,9 leggur þessi grein til G-band Tvöfaldur blýantsgeisli EOS með einsleitri segulsviðsfókusun, sem getur bætt stöðuga sendingarfjarlægð geislans til muna og aukið enn frekar samspilssvæðið milli geislans og þar með bætt úttaksafl til muna.
Uppbygging þessarar greinar er sem hér segir. Fyrst er lýst hönnun SWS frumunnar með breytum, greiningu á dreifingareiginleikum og niðurstöðum úr hátíðnihermun. Síðan, samkvæmt uppbyggingu einingafrumunnar, er tvöfaldur blýantsgeisla EOS og geislavíxlverkunarkerfi hannað í þessari grein. Niðurstöður úr hermun á innanfrumuögnum eru einnig kynntar til að staðfesta notagildi EOS og afköst SDV-TWT. Að auki eru í greininni kynntar stuttlega niðurstöður úr framleiðslu og köldprófun til að staðfesta réttmæti alls HFS. Að lokum er gerð samantekt.
Sem einn mikilvægasti þáttur TWT (Trending Wave) gefa dreifingareiginleikar hægbylgjubyggingarinnar til kynna hvort rafeindahraði samsvari fasahraða SWS (Switched Weight Weight Sigling) og hafa því mikil áhrif á víxlverkun geislabylgjunnar. Til að bæta afköst alls TWT var hönnuð betri víxlverkunarbygging. Uppbygging einingafrumunnar er sýnd á mynd 1. Með hliðsjón af óstöðugleika plötugeislans og aflstakmörkunum staks pennageislans, notar uppbyggingin tvöfaldan pennageisla til að bæta enn frekar úttaksafl og rekstrarstöðugleika. Á sama tíma, til að auka vinnubandvíddina, hefur verið lagt til tvískipt stilling fyrir SWS rekstur. Vegna samhverfu SDV uppbyggingarinnar er hægt að skipta lausn rafsegulsviðsdreifingarjöfnunnar í oddatölu og slétta stillingu. Á sama tíma eru grunnoddatölu lágtíðnisviðsins og grunnjöfnustilling hátíðnisviðsins notuð til að ná fram breiðbandssamstillingu geislavíxlverkunarinnar og þannig bæta vinnubandvíddina enn frekar.
Samkvæmt aflkröfum er allt rörið hannað með 20 kV rekstrarspennu og tvöföldum geislastraumi upp á 2 × 80 mA. Til að samræma spennuna eins nákvæmlega og mögulegt er við rekstrarbandvídd SDV-SWS þurfum við að reikna út lengd tímabilsins p. Sambandið milli geislaspennu og tímabils er sýnt í jöfnu (1)10:
Með því að stilla fasabreytinguna á 2,5π við miðjutíðnina 220 GHz er hægt að reikna út tímabilið p sem 0,46 mm. Mynd 2a sýnir dreifingareiginleika SWS einingafrumunnar. 20 kV geislalínan passar mjög vel við tvíhliða ferilinn. Samsvarandi tíðnisvið geta náð um 70 GHz á bilinu 210–265,3 GHz (oddatíðni) og 265,4–280 GHz (jafntíðni). Mynd 2b sýnir meðal tengiviðnám, sem er meira en 0,6 Ω frá 210 til 290 GHz, sem bendir til þess að sterk víxlverkun geti átt sér stað í rekstrarbandvíddinni.
(a) Dreifingareiginleikar tvívirks SDV-SWS með 20 kV rafeindageislalínu. (b) Samvirkniviðnám hægbylgjurásar SDV.
Hins vegar er mikilvægt að hafa í huga að það er bandbil á milli odda- og jafnbylgjuhamanna og við vísum venjulega til þessa bandbils sem stöðvunarbandsins, eins og sýnt er á mynd 2a. Ef TWT er notað nálægt þessu tíðnisviði getur myndast mikill geislatengingarstyrkur sem leiðir til óæskilegra sveiflna. Í hagnýtum forritum forðumst við almennt að nota TWT nálægt stöðvunarbandinu. Hins vegar sést að bandbilið í þessari hægbylgjubyggingu er aðeins 0,1 GHz. Það er erfitt að ákvarða hvort þetta litla bandbil veldur sveiflum. Þess vegna verður stöðugleiki rekstrarins í kringum stöðvunarbandið rannsakaður í eftirfarandi PIC hermunarkafla til að greina hvort óæskilegar sveiflur geti komið fram.
Líkanið af öllu HFS er sýnt á mynd 3. Það samanstendur af tveimur stigum SDV-SWS, tengdum með Bragg-endurskinsmerkjum. Hlutverk endurskinsmerkisins er að skera á merkjasendingu milli stiganna tveggja, bæla niður sveiflur og endurskin frá óvirkum stillingum eins og hámarksstillingum sem myndast milli efri og neðri blaðanna, og þannig bæta stöðugleika alls rörsins til muna. Til tengingar við ytra umhverfi er einnig notaður línulegur keilulaga tengibúnaður til að tengja SWS við WR-4 staðlaðan bylgjuleiðara. Sendistuðullinn fyrir tveggja stiga uppbygginguna er mældur með tímalénsleysi í 3D hermunarhugbúnaði. Með hliðsjón af raunverulegum áhrifum terahertz-bandsins á efnið er efni lofttæmishjúpsins upphaflega stillt á kopar og leiðnin er lækkuð í 2,25 × 107 S/m12.
Mynd 4 sýnir sendingarniðurstöður fyrir HFS með og án línulegra keilulaga tengibúnaða. Niðurstöðurnar sýna að tengibúnaðurinn hefur lítil áhrif á sendingargetu alls HFS búnaðarins. Endurkomutap (S11 < −10 dB) og innsetningartap (S21 > −5 dB) alls kerfisins í 207~280 GHz breiðbandinu sýna að HFS hefur góða sendingareiginleika.
Sem aflgjafi lofttæmisrafeindatækja ákvarðar rafeindabyssan beint hvort tækið geti framleitt nægilegt afl. Í tengslum við greiningu á HFS í II. kafla þarf að hanna tvígeisla EOS til að veita nægilegt afl. Í þessum hluta, byggt á fyrri vinnu í W-band8,9, er tvöföld blýantsrafeindabyssa hönnuð með því að nota flatan grímuhluta og stjórnrafskaut. Í fyrsta lagi, samkvæmt hönnunarkröfum SWS í kafla. Eins og sýnt er á mynd. 2, rekstrarspennan Ua rafeindageislanna er upphaflega stillt á 20 kV, straumar I rafeindageislanna tveggja eru báðir 80 mA og geislaþvermál dw rafeindageislanna er 0,13 mm. Á sama tíma, til að tryggja að straumþéttleiki rafeindageislans og bakskautsins náist, er þjöppunarhlutfall rafeindageislans stillt á 7, þannig að straumþéttleiki rafeindageislans er 603 A/cm2 og straumþéttleiki bakskautsins er 86 A/cm2, sem hægt er að ná með því að nota ný bakskautsefni. Samkvæmt hönnunarkenningum 14, 15, 16, 17 er hægt að bera kennsl á dæmigerða Pierce rafeindabyssu á einstakan hátt.
Mynd 5 sýnir lárétta og lóðrétta skýringarmynd af byssunni, talið í sömu röð. Þar sést að snið rafeindabyssunnar í x-átt er næstum eins og í dæmigerðri plötulaga rafeindabyssu, en í y-átt eru rafeindageislarnir tveir að hluta til aðskildir af grímunni. Staðsetningar katóðanna tveggja eru við x = – 0,155 mm, y = 0 mm og x = 0,155 mm, y = 0 mm, talið í sömu röð. Samkvæmt hönnunarkröfum um þjöppunarhlutfall og stærð rafeindasprautunar eru mál katóðuflata tveggja ákvarðað sem 0,91 mm × 0,13 mm.
Til að gera einbeitta rafsviðið sem hver rafeindageisli tekur á móti í x-átt samhverft um eigin miðju, setur þessi grein stjórnrafskaut á rafeindabyssuna. Með því að stilla spennu einbeitingarrafskautsins og stjórnrafskautsins á −20 kV og spennu anóðunnar á 0 V getum við fengið dreifingu á braut tvígeislabyssunnar, eins og sýnt er á mynd 6. Þar má sjá að rafeindirnar sem losna hafa góða þjöppunarhæfni í y-átt og hver rafeindageisli stefnir að x-átt eftir eigin samhverfumiðju, sem bendir til þess að stjórnrafskautið jafnar ójafna rafsviðið sem einbeitingarrafskautið myndar.
Mynd 7 sýnir geislaumslagið í x- og y-áttum. Niðurstöðurnar sýna að varpfjarlægð rafeindageislans í x-átt er frábrugðin þeirri sem er í y-átt. Köstfjarlægðin í x-átt er um 4 mm og kastfjarlægðin í y-átt er nálægt 7 mm. Þess vegna ætti að velja raunverulega kastfjarlægð á milli 4 og 7 mm. Mynd 8 sýnir þversnið rafeindageislans í 4,6 mm fjarlægð frá yfirborði katóðu. Við sjáum að lögun þversniðsins er næst hefðbundnum hringlaga rafeindageisla. Fjarlægðin milli rafeindageislanna tveggja er nálægt hönnuðum 0,31 mm og radíusinn er um 0,13 mm, sem uppfyllir hönnunarkröfur. Mynd 9 sýnir niðurstöður hermunar á geislastraumnum. Það má sjá að straumar geislanna tveggja eru 76mA, sem er í góðu samræmi við hönnuð 80mA.
Í ljósi sveiflna í rekspennu í hagnýtum tilgangi er nauðsynlegt að rannsaka spennunæmi þessa líkans. Á spennubilinu 19,8 ~ 20,6 kV fást straum- og geislastraumsumslag, eins og sýnt er á mynd 1 og mynd 1.10 og 11. Af niðurstöðunum má sjá að breyting á rekspennu hefur engin áhrif á rafeindageislastrauminn og rafeindageislastraumurinn breytist aðeins úr 0,74 í 0,78 A. Því má telja að rafeindabyssan sem hönnuð er í þessari grein hafi góða spennunæmi.
Áhrif spennusveiflna í rekstri á geislaumslag í x- og y-stefnu.
Jafnt segulfókussvið er algengt varanlegt segulfókuskerfi. Vegna einsleitrar segulsviðsdreifingar um geislarásina hentar það mjög vel fyrir ás-samhverfa rafeindageisla. Í þessum kafla er lagt til einsleitt segulfókuskerfi til að viðhalda langdrægri sendingu tvöfaldra blýantsgeisla. Með því að greina myndað segulsvið og geislaumslag er hönnunaráætlun fókuskerfisins lögð til og næmnivandamálið rannsakað. Samkvæmt stöðugri sendingarkenningu fyrir einn blýantsgeisla18,19 er hægt að reikna út Brillouin segulsviðsgildið með jöfnu (2). Í þessari grein notum við einnig þetta jafngildi til að meta segulsvið tvöfalds blýantsgeisla með láréttri dreifingu. Í tengslum við rafeindabyssuna sem hönnuð er í þessari grein er reiknað segulsviðsgildi um 4000 Gs. Samkvæmt tilvísun 20 er venjulega valið 1,5-2 sinnum reiknað gildi í hagnýtum hönnunum.
Mynd 12 sýnir uppbyggingu einsleits segulsviðs með fókusreit. Blái hlutinn sýnir varanlegan segul sem er segulmagnaður í ásátt. Efnisvalið er NdFeB eða FeCoNi. Leifandi Br sem stillt er í hermunarlíkaninu er 1,3 T og gegndræpið er 1,05. Til að tryggja stöðuga flutning geislans í allri hringrásinni er lengd segulsins upphaflega stillt á 70 mm. Að auki ákvarðar stærð segulsins í x-átt hvort þversegult svið í geislarásinni sé einsleitt, sem krefst þess að stærðin í x-áttinni geti ekki verið of lítil. Á sama tíma, miðað við kostnað og þyngd alls rörsins, ætti stærð segulsins ekki að vera of stór. Þess vegna eru seglarnir upphaflega stilltir á 150 mm × 150 mm × 70 mm. Á sama tíma, til að tryggja að hægt sé að setja alla hægbylgjurásina í fókusreitinn, er fjarlægðin milli seglanna stillt á 20 mm.
Árið 2015 lagði Purna Chandra Panda21 til pólstykki með nýju stiggati í einsleitu segulfókuskerfi, sem getur enn frekar dregið úr lekaflæðis að bakskautinu og þversum segulsviði sem myndast við gatið á pólstykkinu. Í þessari grein bætum við stigaðri uppbyggingu við pólstykkið í fókuskerfinu. Þykkt pólstykkisins er upphaflega stillt á 1,5 mm, hæð og breidd þriggja stiga eru 0,5 mm og fjarlægðin milli gatanna á pólstykkinu er 2 mm, eins og sýnt er á mynd 13.
Mynd 14a sýnir dreifingu ássegulsviðsins meðfram miðlínum rafeindageislanna tveggja. Þar má sjá að segulsviðskraftarnir meðfram rafeindageislunum tveimur eru jafnir. Segulsviðsgildið er um 6000 Gs, sem er 1,5 sinnum fræðilegt Brillouin-svið til að auka sendingar- og fókusafköst. Á sama tíma er segulsviðið við bakskautið næstum 0, sem bendir til þess að pólstykkið hefur góð áhrif á að koma í veg fyrir leka segulflæðis. Mynd 14b sýnir dreifingu þverssegulsviðsins By í z-átt við efri brún rafeindageislanna tveggja. Þar má sjá að þverssegulsviðið er minna en 200 Gs aðeins við gatið á pólstykkinu, en í hægbylgjurásinni er þverssegulsviðið næstum núll, sem sannar að áhrif þverssegulsviðsins á rafeindageislann eru hverfandi. Til að koma í veg fyrir segumettun pólstykkinanna er nauðsynlegt að rannsaka styrk segulsviðsins inni í pólstykkinunum. Mynd 14c sýnir algildi dreifingar segulsviðsins inni í pólstykkinu. Þar má sjá að algildi styrk segulsviðsins er minna en 1,2T, sem gefur til kynna að segulmettun stöngstykkisins muni ekki eiga sér stað.
Dreifing segulsviðsstyrks fyrir Br = 1,3 T. (a) Ásdreifing segulsviðs. (b) Lárétt dreifing segulsviðs By í z-átt. (c) Algildi segulsviðsdreifingar innan pólstykkisins.
Byggt á CST PS einingunni er áslæg hlutfallsleg staðsetning tvígeislabyssunnar og fókuskerfisins fínstillt. Samkvæmt tilvísun 9 og hermunum er besti staðurinn þar sem anóðuhlutinn skarast við pólhlutann frá seglinum. Hins vegar kom í ljós að ef leifarnar voru stilltar á 1,3T gæti gegndræpi rafeindageislans ekki náð 99%. Með því að auka leifarnar í 1,4 T mun fókussegulsviðið aukast í 6500 Gs. Geislabrautirnar á xoz og yoz fletjunum eru sýndar á mynd 15. Þar má sjá að geislinn hefur góða gegndræpi, litlar sveiflur og flutningsfjarlægð meiri en 45 mm.
Brautir tvöfaldra blýantsgeisla undir einsleitu segulkerfi með Br = 1,4 T. (a) xoz plan. (b) yoz flugvél.
Mynd 16 sýnir þversnið geislans á mismunandi stöðum frá bakskautinu. Þar sést að lögun geislasniðsins í fókuskerfinu helst vel og þvermál sniðsins breytist ekki mikið. Mynd 17 sýnir geislaumslagið í x- og y-áttum, talið í sömu röð. Þar sést að sveiflur geislans í báðar áttir eru mjög litlar. Mynd 18 sýnir niðurstöður hermunar á geislastraumnum. Niðurstöðurnar sýna að straumurinn er um 2 × 80 mA, sem er í samræmi við reiknað gildi í hönnun rafeindabyssunnar.
Þversnið rafeindageisla (með fókuskerfi) á mismunandi stöðum frá katóðu.
Þegar litið er til ýmissa vandamála eins og samsetningarvilla, spennusveiflna og breytinga á segulsviðsstyrk í hagnýtum vinnsluforritum er nauðsynlegt að greina næmi fókuskerfisins. Þar sem bil er á milli anóðuhlutans og pólhlutans í raunverulegri vinnslu þarf að stilla þetta bil í hermuninni. Bilgildið var stillt á 0,2 mm og mynd 19a sýnir geislaumslagið og geislastrauminn í y-átt. Þessi niðurstaða sýnir að breytingin á geislaumslaginu er ekki marktæk og geislastraumurinn breytist varla. Þess vegna er kerfið ónæmt fyrir samsetningarvillum. Fyrir sveiflur í stýrispennunni er villusviðið stillt á ±0,5 kV. Mynd 19b sýnir samanburðarniðurstöðurnar. Það má sjá að spennubreytingin hefur lítil áhrif á geislaumslagið. Villusviðið er stillt frá -0,02 til +0,03 T fyrir breytingar á segulsviðsstyrk. Samanburðarniðurstöðurnar eru sýndar á mynd 20. Það má sjá að geislaumslagið breytist varla, sem þýðir að allur EOS er ónæmur fyrir breytingum á segulsviðsstyrk.
Geislaumslag og straumniðurstöður með einsleitu segulfókuskerfi. (a) Samsetningarvikmörk eru 0,2 mm. (b) Sveiflur í stýrispennu eru ±0,5 kV.
Geislaumslag undir einsleitu segulfókusunarkerfi með sveiflum í ássegulsviðsstyrk á bilinu 0,63 til 0,68 T.
Til að tryggja að fókuskerfið sem hannað er í þessari grein geti passað við HFS er nauðsynlegt að sameina fókuskerfið og HFS í rannsóknum. Mynd 21 sýnir samanburð á geislaumslögum með og án HFS hlaðins. Niðurstöðurnar sýna að geislaumslagið breytist ekki mikið þegar allt HFS er hlaðið. Þess vegna hentar fókuskerfið fyrir ferðabylgjurör HFS af ofangreindri hönnun.
Til að staðfesta réttmæti EOS-líkansins sem lagt er til í III. kafla og rannsaka afköst 220 GHz SDV-TWT er framkvæmd 3D-PIC hermun á víxlverkun geisla-bylgju. Vegna takmarkana í hermunarhugbúnaði gátum við ekki bætt öllu EOS-líkaninu við HFS. Þess vegna var rafeindabyssan skipt út fyrir samsvarandi geislunarflöt með þvermál upp á 0,13 mm og fjarlægð milli yfirborðanna tveggja upp á 0,31 mm, sömu breytur og rafeindabyssan sem hönnuð var hér að ofan. Vegna ónæmis og góðs stöðugleika EOS er hægt að fínstilla drifspennuna rétt til að ná sem bestum úttaksafli í PIC-hermuninni. Niðurstöður hermunarinnar sýna að mettuð úttaksafl og ávinningur er hægt að fá við drifspennu upp á 20,6 kV, geislastraum upp á 2 × 80 mA (603 A/cm2) og inntaksafl upp á 0,05 W.
Til að fá besta útgangsmerkið þarf einnig að hámarka fjölda hringrása. Besta útgangsafl fæst þegar fjöldi tveggja þrepa er 42 + 48 hringrásir, eins og sýnt er á mynd 22a. 0,05 W inntaksmerki er magnað í 314 W með 38 dB hækkun. Útgangsaflsrófið sem fæst með hraðvirkri Fourier umbreytingu (FFT) er hreint og nær hámarki við 220 GHz. Mynd 22b sýnir dreifingu rafeindaorku í SWS ásnum, þar sem flestar rafeindirnar tapa orku. Þessi niðurstaða bendir til þess að SDV-SWS geti breytt hreyfiorku rafeinda í RF merki og þannig framkallað merkjamögnun.
Útgangsmerki SDV-SWS við 220 GHz. (a) Úttaksafl með meðfylgjandi litrófi. (b) Orkudreifing rafeinda með rafeindageislanum í enda SWS-innskotsins.
Mynd 23 sýnir úttaksbandvídd og ávinning tvíhams tvígeisla SDV-TWT. Hægt er að bæta úttaksafköstin enn frekar með því að sveifla tíðninni frá 200 til 275 GHz og hámarka drifspennuna. Þessi niðurstaða sýnir að 3-dB bandvíddin getur náð yfir 205 til 275 GHz, sem þýðir að tvíhamsrekstur getur aukið rekstrarbandvíddina til muna.
Samkvæmt mynd 2a vitum við þó að það er stöðvunarband milli odda- og jafna stillinganna, sem getur leitt til óæskilegra sveiflna. Því þarf að rannsaka vinnustöðugleika í kringum stöðvunarbandið. Myndir 24a-c eru niðurstöður úr 20 ns hermun við 265,3 GHz, 265,35 GHz og 265,4 GHz, talið í sömu röð. Það má sjá að þó að niðurstöður hermunarinnar hafi einhverjar sveiflur, þá er úttaksafl tiltölulega stöðugt. Litrófið er einnig sýnt á mynd 24, talið í sömu röð, litrófið er hreint. Þessar niðurstöður benda til þess að engin sjálfsveifla sé nálægt stöðvunarbandinu.
Smíði og mælingar eru nauðsynlegar til að staðfesta réttmæti alls HFS-sins. Í þessum hluta er HFS-ið smíðað með tölvustýrðri tölustýringu (CNC) tækni með verkfæraþvermál upp á 0,1 mm og vinnslunákvæmni upp á 10 μm. Efnið í hátíðnibygginguna er úr súrefnisfríu háleiðni kopar (OFHC). Mynd 25a sýnir smíðaða bygginguna. Öll byggingin er 66,00 mm löng, 20,00 mm breið og 8,66 mm há. Átta pinnaholur eru dreifðar um bygginguna. Mynd 25b sýnir bygginguna með rafeindasmásjá (SEM). Blöð þessarar byggingu eru framleidd einsleitt og hafa góða yfirborðsgrófleika. Eftir nákvæma mælingu er heildarvinnsluvillan minni en 5% og yfirborðsgrófleikinn er um 0,4 μm. Vélræna byggingin uppfyllir hönnunar- og nákvæmniskröfur.
Mynd 26 sýnir samanburð á raunverulegum prófunarniðurstöðum og hermun á flutningsafköstum. Tengi 1 og tengi 2 á mynd 26a samsvara inntaks- og úttakstengjum HFS, talið í sömu röð, og eru jafngild tengi 1 og tengi 4 á mynd 3. Raunverulegar mælingarniðurstöður S11 eru örlítið betri en niðurstöður hermunarinnar. Á sama tíma eru mælingarniðurstöður S21 örlítið verri. Ástæðan gæti verið sú að efnisleiðnin sem stillt var á í hermuninni er of mikil og yfirborðsgrófleiki eftir raunverulega vinnslu er lélegur. Í heildina eru mælingarniðurstöðurnar í góðu samræmi við niðurstöður hermunarinnar og flutningsbandvíddin uppfyllir kröfur um 70 GHz, sem staðfestir hagkvæmni og réttmæti fyrirhugaðrar tvíhliða SDV-TWT. Þess vegna, ásamt raunverulegu framleiðsluferli og prófunarniðurstöðum, er hægt að nota öfgabreiðbands tvígeisla SDV-TWT hönnunina sem lögð er til í þessari grein til síðari framleiðslu og notkunar.
Í þessari grein er kynnt ítarleg hönnun á tvígeisla SDV-TWT með flatar dreifingu á 220 GHz. Samsetning tvívirkni og tvígeislaörvunar eykur enn frekar rekstrarbandvídd og úttaksafl. Smíði og kuldaprófun eru einnig framkvæmd til að staðfesta réttmæti alls HFS. Raunverulegar mælinganiðurstöður eru í góðu samræmi við niðurstöður hermunarinnar. Fyrir hannaða tvígeisla EOS hefur grímuhluti og stjórnrafskaut verið notuð saman til að framleiða tvíblýantsgeisla. Undir hönnuðu einsleitu fókussegulsviði er hægt að senda rafeindageislann stöðugt yfir langar vegalengdir með góðu formi. Í framtíðinni verður framleiðsla og prófun á EOS framkvæmd, og einnig verður framkvæmt hitapróf á öllu TWT. Þessi SDV-TWT hönnunaráætlun sem lögð er til í þessari grein sameinar að fullu núverandi þroskaða planvinnslutækni og sýnir mikla möguleika í afköstum og vinnslu og samsetningu. Þess vegna telur þessi grein að planbyggingin sé líklegast til að verða þróunartrend lofttæmisrafeindatækja í terahertz bandinu.
Flest hrágögn og greiningarlíkön í þessari rannsókn hafa verið tekin með í þessari grein. Frekari viðeigandi upplýsingar má fá frá viðkomandi höfundi ef sanngjörn beiðni berst.
Gamzina, D. o.fl. Nanóskala CNC vinnsla á lofttæmisrafeindabúnaði undir terahertz. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. og Paoloni, C. UV-LIGA örsmíði á bylgjuleiðurum undir terahertz með því að nota marglaga SU-8 ljósþol. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS o.fl. 2017 THz tækniáætlun. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Sterk takmörkun á útbreiðslu plasmónískra bylgna með ofurbreiðbands tvíristuðum bylgjuleiðurum.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. o.fl. Afköst nanó-CNC-vélaðs 220-GHz ferðabylgjurörmagnara. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Rannsókn á óstöðugleika díkótróna í óendanlega breiðum rafeindageislum með því að nota makróskópíska kenningu um kalda vökvalíkön. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV um tækifærið til að auka bandvídd með planarútfærslu geislans í fjölgeisla klystron. Í 12. IEEE alþjóðlegu ráðstefnunni um lofttæmisrafeindatækni, Bangalore, Indlandi, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ o.fl. Hönnun þriggja geisla rafeindabyssa með þröngri geislaskiptingarfleti í W-bands tvíblaða ferðabylgjuröri [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB & Ruan, CJ. Planar dreift þriggja geisla rafeindaljóskerfi með þröngri geislaaðskilnaði fyrir W-band grunnstillingar TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Rannsóknir á samfléttuðum tvíblaða ferðabylgjurörum með millímetrabylgjuplötubjálkum 20-22 (doktorsgráða, Beihang háskóli, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Rannsókn á stöðugleika geisla-bylgju víxlverkunar í G-band samfléttaðri tvíblaða ferðabylgjupípu. 2018 43. alþjóðlega ráðstefnan um innrauðar millimetra- og terahertzbylgjur, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).