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In questo articolo viene progettato e verificato un tubo a onda progressiva a doppia lama interlacciata ad alta potenza e banda larga da 220 GHz. In primo luogo, viene proposta una struttura a onda lenta a doppia lama sfalsata a doppio fascio planare. Utilizzando uno schema operativo a doppia modalità, le prestazioni di trasmissione e la larghezza di banda sono quasi doppie rispetto a quelle della modalità singola. In secondo luogo, per soddisfare i requisiti di elevata potenza di uscita e migliorare la stabilità del tubo a onda progressiva, viene progettato un sistema ottico elettronico a doppia matita, con tensione di pilotaggio di 20~21 kV e corrente di 2 × 80 mA. Obiettivi di progettazione. Utilizzando la parte maschera e l'elettrodo di controllo nel cannone a doppio fascio, i due fasci a matita possono essere focalizzati lungo i rispettivi centri con un rapporto di compressione di 7, la distanza di messa a fuoco è di circa 0,18 mm e la stabilità è buona. Anche il sistema di messa a fuoco magnetica uniforme è stato ottimizzato. La distanza di trasmissione stabile del doppio fascio elettronico planare può raggiungere i 45 mm e il campo magnetico di messa a fuoco è di 0,6 T, sufficiente a coprire l'intera alta frequenza. sistema (HFS). Quindi, per verificare l'usabilità del sistema elettro-ottico e le prestazioni della struttura a onde lente, sono state eseguite anche simulazioni di celle di particelle (PIC) sull'intero HFS. I risultati mostrano che il sistema di interazione del fascio può raggiungere una potenza di picco in uscita di quasi 310 W a 220 GHz, la tensione del fascio ottimizzata è di 20,6 kV, la corrente del fascio è di 2 × 80 mA, il guadagno è di 38 dB e la larghezza di banda di 3 dB supera i 35 dB a circa 70 GHz. Infine, viene eseguita la fabbricazione di microstrutture ad alta precisione per verificare le prestazioni dell'HFS e i risultati mostrano che la larghezza di banda e le caratteristiche di trasmissione sono in buon accordo con i risultati della simulazione. Pertanto, si prevede che lo schema proposto in questo articolo sviluppi sorgenti di radiazioni a banda terahertz ad alta potenza e a banda ultralarga con potenziale per applicazioni future.
In quanto dispositivo elettronico a vuoto tradizionale, il tubo a onda progressiva (TWT) svolge un ruolo insostituibile in molte applicazioni come radar ad alta risoluzione, sistemi di comunicazione satellitare ed esplorazione spaziale1,2,3. Tuttavia, poiché la frequenza operativa entra nella banda terahertz, il tradizionale TWT a cavità accoppiata e il TWT elicoidale non sono stati in grado di soddisfare le esigenze delle persone a causa della potenza di uscita relativamente bassa, della larghezza di banda stretta e dei processi di produzione difficili. Pertanto, come migliorare in modo completo le prestazioni della banda THz è diventato un problema molto preoccupante per molti istituti di ricerca scientifica. Negli ultimi anni, le nuove strutture a onda lenta (SWS), come le strutture a doppia lama sfalsata (SDV) e le strutture a guida d'onda piegata (FW), hanno ricevuto grande attenzione a causa delle loro strutture planari naturali, in particolare le nuove SDV-SWS con potenziale promettente. Questa struttura è stata proposta da UC-Davis nel 20084. La struttura planare può essere facilmente fabbricata mediante tecniche di lavorazione micro-nano come il controllo numerico computerizzato (CNC) e UV-LIGA, La struttura del package interamente in metallo può fornire una maggiore capacità termica con potenza di uscita e guadagno più elevati, e la struttura a guida d'onda può anche fornire una larghezza di banda di lavoro più ampia. Attualmente, nel 2017, l'UC Davis ha dimostrato per la prima volta che l'SDV-TWT può generare uscite ad alta potenza superiori a 100 W e segnali con larghezza di banda di quasi 14 GHz nella banda G5. Tuttavia, questi risultati presentano ancora lacune che non possono soddisfare i requisiti correlati di alta potenza e ampia larghezza di banda nella banda terahertz. Per l'SDV-TWT in banda G dell'UC Davis, sono stati utilizzati fasci di elettroni a foglio. Sebbene questo schema possa migliorare significativamente la capacità di trasporto di corrente del fascio, è difficile mantenere una lunga distanza di trasmissione a causa dell'instabilità del sistema ottico elettronico a fascio a foglio (EOS), ed è presente un tunnel del fascio over-mode, che può anche causare l'autoregolazione del fascio. – Eccitazione e oscillazione 6,7. Per soddisfare i requisiti di elevata potenza di uscita, ampia larghezza di banda e buona stabilità del THz TWT, in questo articolo viene proposto un SDV-SWS a doppio raggio con funzionamento a doppia modalità. Vale a dire, per aumentare la larghezza di banda operativa, viene proposto e introdotto in questa struttura il funzionamento a doppia modalità. Inoltre, per aumentare la potenza di uscita, viene utilizzata anche una distribuzione planare di doppi fasci a matita. Le radio a singolo fascio a matita sono relativamente piccole a causa dei vincoli di dimensione verticale. Se la densità di corrente è troppo elevata, la corrente del fascio deve essere ridotta, con conseguente potenza di uscita relativamente bassa. Per migliorare la corrente del fascio, è emerso l'EOS multifascio distribuito planare, che sfrutta le dimensioni laterali dell'SWS. Grazie all'effetto tunnel del fascio indipendente, il multifascio distribuito planare può raggiungere un'elevata potenza di uscita mantenendo un'elevata corrente totale del fascio e una piccola corrente per fascio, il che può evitare l'effetto tunnel del fascio sovramodale rispetto ai dispositivi a fascio a foglio. Pertanto, è vantaggioso mantenere la stabilità del tubo a onda progressiva. Sulla base di precedenti work8,9, questo documento propone un EOS a doppio fascio a matita con focalizzazione del campo magnetico uniforme in banda G, che può migliorare notevolmente la distanza di trasmissione stabile del fascio e aumentare ulteriormente l'area di interazione del fascio, migliorando così notevolmente la potenza di uscita.
La struttura di questo articolo è la seguente. Innanzitutto, viene descritta la progettazione della cella SWS con parametri, analisi delle caratteristiche di dispersione e risultati della simulazione ad alta frequenza. Quindi, in base alla struttura della cella unitaria, in questo articolo vengono progettati un EOS a doppio fascio a matita e un sistema di interazione del fascio. Vengono inoltre presentati i risultati della simulazione delle particelle intracellulari per verificare l'usabilità dell'EOS e le prestazioni di SDV-TWT. Inoltre, l'articolo presenta brevemente i risultati della fabbricazione e dei test a freddo per verificare la correttezza dell'intero HFS. Infine, un riepilogo.
Essendo uno dei componenti più importanti del TWT, le proprietà dispersive della struttura a onde lente indicano se la velocità degli elettroni corrisponde alla velocità di fase del SWS, influenzando notevolmente l'interazione fascio-onda. Per migliorare le prestazioni dell'intero TWT, è stata progettata una struttura di interazione migliorata. La struttura della cella unitaria è mostrata in Figura 1. Considerando l'instabilità del fascio a lamiera e la limitazione di potenza del fascio a penna singola, la struttura adotta un fascio a doppia penna per migliorare ulteriormente la potenza di uscita e la stabilità operativa. Allo stesso tempo, per aumentare la larghezza di banda di lavoro, è stata proposta una doppia modalità di funzionamento del SWS. Grazie alla simmetria della struttura SDV, la soluzione dell'equazione di dispersione del campo elettromagnetico può essere suddivisa in modi dispari e pari. Allo stesso tempo, il modo dispari fondamentale della banda a bassa frequenza e il modo pari fondamentale della banda ad alta frequenza vengono utilizzati per realizzare la sincronizzazione a banda larga dell'interazione del fascio, migliorando ulteriormente la larghezza di banda di lavoro.
In base ai requisiti di potenza, l'intero tubo è progettato con una tensione di pilotaggio di 20 kV e una corrente a doppio fascio di 2 × 80 mA. Per adattare la tensione il più possibile alla larghezza di banda operativa dell'SDV-SWS, dobbiamo calcolare la lunghezza del periodo p. La relazione tra la tensione del fascio e il periodo è mostrata nell'equazione (1)10:
Impostando lo sfasamento a 2,5π alla frequenza centrale di 220 GHz, il periodo p può essere calcolato a 0,46 mm. La Figura 2a mostra le proprietà di dispersione della cella unitaria SWS. La linea di luce da 20 kV corrisponde molto bene alla curva bimodale. Le bande di frequenza corrispondenti possono raggiungere circa 70 GHz negli intervalli 210-265,3 GHz (modalità dispari) e 265,4-280 GHz (modalità pari). La Figura 2b mostra l'impedenza di accoppiamento media, che è maggiore di 0,6 Ω da 210 a 290 GHz, indicando che possono verificarsi forti interazioni nella larghezza di banda operativa.
(a) Caratteristiche di dispersione di un SDV-SWS a doppia modalità con una linea di luce elettronica da 20 kV. (b) Impedenza di interazione del circuito a onde lente SDV.
Tuttavia, è importante notare che esiste un gap di banda tra le modalità dispari e pari, e solitamente ci riferiamo a questo gap di banda come banda di arresto, come mostrato nella Figura 2a. Se il TWT viene utilizzato vicino a questa banda di frequenza, potrebbe verificarsi una forte forza di accoppiamento del fascio, che porterà a oscillazioni indesiderate. Nelle applicazioni pratiche, generalmente evitiamo di utilizzare il TWT vicino alla banda di arresto. Tuttavia, si può notare che il gap di banda di questa struttura a onda lenta è di soli 0,1 GHz. È difficile determinare se questo piccolo gap di banda causi oscillazioni. Pertanto, nella seguente sezione di simulazione PIC verrà analizzata la stabilità del funzionamento attorno alla banda di arresto per analizzare se potrebbero verificarsi oscillazioni indesiderate.
Il modello dell'intero HFS è mostrato nella Figura 3. È costituito da due stadi di SDV-SWS, collegati da riflettori Bragg. La funzione del riflettore è quella di interrompere la trasmissione del segnale tra i due stadi, sopprimere l'oscillazione e la riflessione di modalità non funzionanti, come le modalità di ordine superiore generate tra le lame superiori e inferiori, migliorando così notevolmente la stabilità dell'intero tubo. Per il collegamento all'ambiente esterno, viene utilizzato anche un accoppiatore rastremato lineare per collegare l'SWS a una guida d'onda standard WR-4. Il coefficiente di trasmissione della struttura a due livelli viene misurato da un risolutore del dominio del tempo nel software di simulazione 3D. Considerando l'effetto effettivo della banda terahertz sul materiale, il materiale dell'involucro del vuoto è inizialmente impostato sul rame e la conduttività è ridotta a 2,25×107 S/m12.
La figura 4 mostra i risultati di trasmissione per HFS con e senza accoppiatori lineari rastremati. I risultati mostrano che l'accoppiatore ha scarso effetto sulle prestazioni di trasmissione dell'intero HFS. La perdita di ritorno (S11 < − 10 dB) e la perdita di inserzione (S21 > − 5 dB) dell'intero sistema nella banda larga 207~280 GHz mostrano che HFS ha buone caratteristiche di trasmissione.
In quanto alimentatore di dispositivi elettronici a vuoto, il cannone elettronico determina direttamente se il dispositivo può generare sufficiente potenza di uscita. In combinazione con l'analisi dell'HFS nella Sezione II, è necessario progettare un EOS a doppio raggio per fornire potenza sufficiente. In questa parte, sulla base di lavori precedenti in banda W8,9, viene progettato un cannone elettronico a doppia matita utilizzando una parte di maschera planare ed elettrodi di controllo. Innanzitutto, secondo i requisiti di progettazione dell'SWS nella Sez. Come mostrato in FIG. 2, la tensione di azionamento Ua dei fasci di elettroni è inizialmente impostata a 20 kV, le correnti I dei due fasci di elettroni sono entrambe 80 mA e il diametro del fascio dw dei fasci di elettroni è 0,13 mm. Allo stesso tempo, per garantire che la densità di corrente del fascio di elettroni e del catodo possa essere raggiunta, il rapporto di compressione del fascio di elettroni è impostato su 7, quindi la densità di corrente del fascio di elettroni è 603 A/cm2 e la densità di corrente del catodo è 86 A/cm2, che può essere raggiunta da Ciò è ottenuto utilizzando nuovi materiali catodici. Secondo la teoria di progettazione 14, 15, 16, 17, un tipico cannone elettronico Pierce può essere identificato in modo univoco.
La figura 5 mostra rispettivamente i diagrammi schematici orizzontale e verticale del cannone. Si può vedere che il profilo del cannone elettronico nella direzione x è quasi identico a quello di un tipico cannone elettronico a forma di foglio, mentre nella direzione y i due fasci di elettroni sono parzialmente separati dalla maschera. Le posizioni dei due catodi sono rispettivamente x = – 0,155 mm, y = 0 mm e x = 0,155 mm, y = 0 mm. In base ai requisiti di progettazione del rapporto di compressione e delle dimensioni dell'iniezione di elettroni, le dimensioni delle due superfici catodiche sono determinate in 0,91 mm × 0,13 mm.
Per rendere simmetrico rispetto al proprio centro il campo elettrico focalizzato ricevuto da ciascun fascio di elettroni nella direzione x, in questo articolo viene applicato un elettrodo di controllo al cannone elettronico. Impostando la tensione dell'elettrodo di focalizzazione e dell'elettrodo di controllo a -20 kV e la tensione dell'anodo a 0 V, possiamo ottenere la distribuzione della traiettoria del cannone a doppio fascio, come mostrato in Fig. 6. Si può osservare che gli elettroni emessi hanno una buona comprimibilità nella direzione y e ciascun fascio di elettroni converge verso la direzione x lungo il proprio centro di simmetria, il che indica che l'elettrodo di controllo bilancia il campo elettrico non uniforme generato dall'elettrodo di focalizzazione.
La Figura 7 mostra l'involucro del fascio nelle direzioni x e y. I risultati mostrano che la distanza di proiezione del fascio di elettroni nella direzione x è diversa da quella nella direzione y. La distanza di proiezione nella direzione x è di circa 4 mm, mentre la distanza di proiezione nella direzione y è prossima a 7 mm. Pertanto, la distanza di proiezione effettiva dovrebbe essere scelta tra 4 e 7 mm. La Figura 8 mostra la sezione trasversale del fascio di elettroni a 4,6 mm dalla superficie del catodo. Possiamo vedere che la forma della sezione trasversale è la più vicina a un fascio di elettroni circolare standard. La distanza tra i due fasci di elettroni è prossima a 0,31 mm, come progettato, e il raggio è di circa 0,13 mm, il che soddisfa i requisiti di progettazione. La Figura 9 mostra i risultati della simulazione della corrente del fascio. Si può vedere che le due correnti del fascio sono di 76 mA, il che è in buon accordo con gli 80 mA progettati.
Considerando la fluttuazione della tensione di pilotaggio nelle applicazioni pratiche, è necessario studiare la sensibilità alla tensione di questo modello. Nell'intervallo di tensione di 19,8 ~ 20,6 kV, si ottengono gli inviluppi di corrente e di corrente del fascio, come mostrato nella Figura 1 e nella Figura 1.10 e 11. Dai risultati, si può vedere che la variazione della tensione di pilotaggio non ha effetto sull'inviluppo del fascio di elettroni e la corrente del fascio di elettroni cambia solo da 0,74 a 0,78 A. Pertanto, si può ritenere che il cannone elettronico progettato in questo articolo abbia una buona sensibilità alla tensione.
Effetto delle fluttuazioni della tensione di pilotaggio sugli inviluppi del fascio nelle direzioni x e y.
Un campo di focalizzazione magnetica uniforme è un comune sistema di focalizzazione a magnete permanente. Grazie alla distribuzione uniforme del campo magnetico in tutto il canale del fascio, è molto adatto per fasci di elettroni assimetrici. In questa sezione, viene proposto un sistema di focalizzazione magnetica uniforme per mantenere la trasmissione a lunga distanza di fasci a doppia matita. Analizzando il campo magnetico generato e l'inviluppo del fascio, viene proposto lo schema di progettazione del sistema di focalizzazione e viene studiato il problema della sensibilità. Secondo la teoria della trasmissione stabile di un singolo fascio a matita18,19, il valore del campo magnetico di Brillouin può essere calcolato tramite l'equazione (2). In questo articolo, utilizziamo anche questa equivalenza per stimare il campo magnetico di un fascio a doppia matita distribuito lateralmente. In combinazione con il cannone elettronico progettato in questo articolo, il valore del campo magnetico calcolato è di circa 4000 Gs. Secondo il Rif. 20, in progetti pratici di solito si sceglie un valore pari a 1,5-2 volte il valore calcolato.
La figura 12 mostra la struttura di un sistema di campo di focalizzazione del campo magnetico uniforme. La parte blu è il magnete permanente magnetizzato in direzione assiale. Il materiale selezionato è NdFeB o FeCoNi. La rimanenza Br impostata nel modello di simulazione è 1,3 T e la permeabilità è 1,05. Per garantire la trasmissione stabile del fascio nell'intero circuito, la lunghezza del magnete è inizialmente impostata a 70 mm. Inoltre, la dimensione del magnete nella direzione x determina se il campo magnetico trasversale nel canale del fascio è uniforme, il che richiede che la dimensione nella direzione x non possa essere troppo piccola. Allo stesso tempo, considerando il costo e il peso dell'intero tubo, la dimensione del magnete non dovrebbe essere troppo grande. Pertanto, i magneti sono inizialmente impostati a 150 mm × 150 mm × 70 mm. Nel frattempo, per garantire che l'intero circuito a onde lente possa essere posizionato nel sistema di focalizzazione, la distanza tra i magneti è impostata a 20 mm.
Nel 2015, Purna Chandra Panda21 ha proposto un'espansione polare con un nuovo foro a gradini in un sistema di focalizzazione magnetica uniforme, che può ridurre ulteriormente l'entità della dispersione di flusso verso il catodo e il campo magnetico trasversale generato nel foro dell'espansione polare. In questo articolo, aggiungiamo una struttura a gradini all'espansione polare del sistema di focalizzazione. Lo spessore dell'espansione polare è inizialmente impostato su 1,5 mm, l'altezza e la larghezza dei tre gradini sono 0,5 mm e la distanza tra i fori dell'espansione polare è 2 mm, come mostrato nella Figura 13.
La Figura 14a mostra la distribuzione del campo magnetico assiale lungo le linee centrali dei due fasci di elettroni. Si può osservare che le forze del campo magnetico lungo i due fasci di elettroni sono uguali. Il valore del campo magnetico è di circa 6000 Gs, ovvero 1,5 volte il campo teorico di Brillouin, per aumentare le prestazioni di trasmissione e focalizzazione. Allo stesso tempo, il campo magnetico al catodo è quasi pari a 0, il che indica che l'espansione polare ha un buon effetto nel prevenire la dispersione del flusso magnetico. La Figura 14b mostra la distribuzione del campo magnetico trasversale By nella direzione z sul bordo superiore dei due fasci di elettroni. Si può osservare che il campo magnetico trasversale è inferiore a 200 Gs solo nel foro dell'espansione polare, mentre nel circuito a onda lenta, il campo magnetico trasversale è quasi nullo, il che dimostra che l'influenza del campo magnetico trasversale sul fascio di elettroni è trascurabile. Per prevenire la saturazione magnetica delle espansioni polari, è necessario studiare l'intensità del campo magnetico all'interno delle espansioni polari. La Figura 14c mostra il valore assoluto della distribuzione del campo magnetico all'interno dell'espansione polare. Si può vedere che il valore assoluto dell'intensità del campo magnetico è inferiore a 1,2 T, il che indica che la saturazione magnetica dell'espansione polare non si verificherà.
Distribuzione dell'intensità del campo magnetico per Br = 1,3 T.(a) Distribuzione del campo assiale.(b) Distribuzione del campo laterale By nella direzione z.(c) Valore assoluto della distribuzione del campo all'interno dell'espansione polare.
Grazie al modulo CST PS, la posizione relativa assiale del cannone a doppio fascio e del sistema di focalizzazione è ottimizzata. Secondo il Rif. 9 e le simulazioni, la posizione ottimale è quella in cui l'anodo si sovrappone all'espansione polare, lontano dal magnete. Tuttavia, si è scoperto che impostando la rimanenza a 1,3 T, la trasmittanza del fascio di elettroni non poteva raggiungere il 99%. Aumentando la rimanenza a 1,4 T, il campo magnetico di focalizzazione aumenta a 6500 Gs. Le traiettorie del fascio sui piani xoz e yoz sono mostrate in Figura 15. Si può osservare che il fascio presenta una buona trasmissione, piccole fluttuazioni e una distanza di trasmissione superiore a 45 mm.
Traiettorie di fasci di doppia matita sotto un sistema magnetico omogeneo con Br = 1,4 T.(a) piano xoz.(b) aereo yoz.
La Figura 16 mostra la sezione trasversale del fascio in diverse posizioni lontane dal catodo. Si può notare che la forma della sezione del fascio nel sistema di focalizzazione è ben mantenuta e il diametro della sezione non cambia molto. La Figura 17 mostra gli inviluppi del fascio rispettivamente nelle direzioni x e y. Si può notare che la fluttuazione del fascio in entrambe le direzioni è molto piccola. La Figura 18 mostra i risultati della simulazione della corrente del fascio. I risultati mostrano che la corrente è di circa 2 × 80 mA, il che è coerente con il valore calcolato nella progettazione del cannone elettronico.
Sezione trasversale del fascio di elettroni (con sistema di focalizzazione) in diverse posizioni lontano dal catodo.
Considerando una serie di problemi come errori di assemblaggio, fluttuazioni di tensione e variazioni dell'intensità del campo magnetico nelle applicazioni di elaborazione pratica, è necessario analizzare la sensibilità del sistema di messa a fuoco. Poiché c'è uno spazio tra il pezzo dell'anodo e l'espansione polare nell'elaborazione effettiva, questo spazio deve essere impostato nella simulazione. Il valore dello spazio è stato impostato a 0,2 mm e la Figura 19a mostra l'involucro del fascio e la corrente del fascio nella direzione y. Questo risultato mostra che la variazione nell'involucro del fascio non è significativa e la corrente del fascio cambia a malapena. Pertanto, il sistema è insensibile agli errori di assemblaggio. Per la fluttuazione della tensione di pilotaggio, l'intervallo di errore è impostato a ±0,5 kV. La Figura 19b mostra i risultati del confronto. Si può vedere che la variazione di tensione ha scarso effetto sull'involucro del fascio. L'intervallo di errore è impostato da -0,02 a +0,03 T per le variazioni dell'intensità del campo magnetico. I risultati del confronto sono mostrati nella Figura 20. Si può vedere che l'involucro del fascio cambia a malapena, il che significa che l'intero EOS è insensibile alle variazioni nell'intensità del campo magnetico.
Risultati dell'involucro del fascio e della corrente con un sistema di focalizzazione magnetica uniforme. (a) La tolleranza di assemblaggio è di 0,2 mm. (b) La fluttuazione della tensione di pilotaggio è di ±0,5 kV.
Involucro del fascio sotto un sistema di focalizzazione magnetica uniforme con fluttuazioni dell'intensità del campo magnetico assiale comprese tra 0,63 e 0,68 T.
Per garantire che il sistema di focalizzazione progettato in questo articolo possa essere compatibile con l'HFS, è necessario combinare il sistema di focalizzazione e l'HFS per la ricerca. La Figura 21 mostra un confronto degli inviluppi del fascio con e senza HFS caricato. I risultati mostrano che l'inviluppo del fascio non cambia molto quando l'intero HFS è caricato. Pertanto, il sistema di focalizzazione è adatto per il tubo a onda progressiva HFS del progetto sopra indicato.
Per verificare la correttezza dell'EOS proposto nella Sezione III e studiare le prestazioni dell'SDV-TWT a 220 GHz, è stata eseguita una simulazione 3D-PIC dell'interazione fascio-onda. A causa delle limitazioni del software di simulazione, non siamo stati in grado di aggiungere l'intero EOS all'HFS. Pertanto, il cannone elettronico è stato sostituito con una superficie di emissione equivalente con un diametro di 0,13 mm e una distanza tra le due superfici di 0,31 mm, gli stessi parametri del cannone elettronico progettato sopra. Grazie all'insensibilità e alla buona stabilità dell'EOS, la tensione di pilotaggio può essere opportunamente ottimizzata per ottenere la migliore potenza di uscita nella simulazione PIC. I risultati della simulazione mostrano che la potenza di uscita saturata e il guadagno possono essere ottenuti a una tensione di pilotaggio di 20,6 kV, una corrente del fascio di 2 × 80 mA (603 A/cm2) e una potenza di ingresso di 0,05 W.
Per ottenere il miglior segnale di uscita, è necessario ottimizzare anche il numero di cicli. La migliore potenza di uscita si ottiene quando il numero di due stadi è 42 + 48 cicli, come mostrato nella Figura 22a. Un segnale di ingresso da 0,05 W viene amplificato a 314 W con un guadagno di 38 dB. Lo spettro di potenza di uscita ottenuto dalla trasformata di Fourier veloce (FFT) è puro, con un picco a 220 GHz. La Figura 22b mostra la distribuzione della posizione assiale dell'energia degli elettroni nel SWS, con la maggior parte degli elettroni che perdono energia. Questo risultato indica che l'SDV-SWS può convertire l'energia cinetica degli elettroni in segnali RF, realizzando così l'amplificazione del segnale.
Segnale di uscita SDV-SWS a 220 GHz. (a) Potenza di uscita con spettro incluso. (b) Distribuzione dell'energia degli elettroni con il fascio di elettroni all'estremità dell'inserto SWS.
La figura 23 mostra la larghezza di banda della potenza di uscita e il guadagno di un SDV-TWT a doppio raggio e doppia modalità. Le prestazioni di uscita possono essere ulteriormente migliorate estendendo le frequenze da 200 a 275 GHz e ottimizzando la tensione di pilotaggio. Questo risultato mostra che la larghezza di banda di 3 dB può coprire da 205 a 275 GHz, il che significa che il funzionamento in doppia modalità può ampliare notevolmente la larghezza di banda operativa.
Tuttavia, secondo la Figura 2a, sappiamo che c'è una banda di arresto tra le modalità dispari e pari, che può portare a oscillazioni indesiderate. Pertanto, è necessario studiare la stabilità del lavoro attorno agli arresti. Le Figure 24a-c sono i risultati della simulazione di 20 ns rispettivamente a 265,3 GHz, 265,35 GHz e 265,4 GHz. Si può vedere che, sebbene i risultati della simulazione presentino alcune fluttuazioni, la potenza di uscita è relativamente stabile. Lo spettro è mostrato anche nella Figura 24 rispettivamente, lo spettro è puro. Questi risultati indicano che non c'è auto-oscillazione vicino alla banda di arresto.
La fabbricazione e la misurazione sono necessarie per verificare la correttezza dell'intero HFS. In questa parte, l'HFS è fabbricato utilizzando la tecnologia a controllo numerico computerizzato (CNC) con un diametro dell'utensile di 0,1 mm e una precisione di lavorazione di 10 μm. Il materiale per la struttura ad alta frequenza è fornito da rame ad alta conduttività senza ossigeno (OFHC). La Figura 25a mostra la struttura fabbricata. L'intera struttura ha una lunghezza di 66,00 mm, una larghezza di 20,00 mm e un'altezza di 8,66 mm. Otto fori sono distribuiti attorno alla struttura. La Figura 25b mostra la struttura tramite microscopia elettronica a scansione (SEM). Le lame di questa struttura sono prodotte in modo uniforme e presentano una buona rugosità superficiale. Dopo una misurazione precisa, l'errore di lavorazione complessivo è inferiore al 5% e la rugosità superficiale è di circa 0,4 μm. La struttura di lavorazione soddisfa i requisiti di progettazione e precisione.
La Figura 26 mostra il confronto tra i risultati dei test effettivi e le simulazioni delle prestazioni di trasmissione. La porta 1 e la porta 2 nella Figura 26a corrispondono rispettivamente alle porte di ingresso e di uscita dell'HFS e sono equivalenti alla porta 1 e alla porta 4 nella Figura 3. I risultati delle misurazioni effettive di S11 sono leggermente migliori dei risultati della simulazione. Allo stesso tempo, i risultati misurati di S21 sono leggermente peggiori. Il motivo potrebbe essere che la conduttività del materiale impostata nella simulazione è troppo elevata e la rugosità superficiale dopo la lavorazione effettiva è scarsa. Nel complesso, i risultati misurati sono in buon accordo con i risultati della simulazione e la larghezza di banda di trasmissione soddisfa il requisito di 70 GHz, il che verifica la fattibilità e la correttezza del SDV-TWT a doppia modalità proposto. Pertanto, in combinazione con il processo di fabbricazione effettivo e i risultati dei test, il progetto SDV-TWT a doppio fascio a banda ultralarga proposto in questo documento può essere utilizzato per la fabbricazione e le applicazioni successive.
In questo articolo viene presentato il progetto dettagliato di un SDV-TWT a doppio raggio a 220 GHz con distribuzione planare. La combinazione di funzionamento a doppia modalità ed eccitazione a doppio raggio aumenta ulteriormente la larghezza di banda operativa e la potenza di uscita. Vengono inoltre eseguiti la fabbricazione e il test a freddo per verificare la correttezza dell'intero HFS. I risultati delle misurazioni effettive sono in buon accordo con i risultati della simulazione. Per l'EOS a doppio raggio progettato, una sezione a maschera ed elettrodi di controllo sono stati utilizzati insieme per produrre un fascio a due matite. Sotto il campo magnetico di focalizzazione uniforme progettato, il fascio di elettroni può essere trasmesso stabilmente su lunghe distanze con una buona forma. In futuro, verranno eseguiti la produzione e i test dell'EOS e il test termico dell'intero TWT. Lo schema di progettazione SDV-TWT proposto in questo articolo combina pienamente l'attuale tecnologia di elaborazione piana matura e mostra un grande potenziale in termini di indicatori di prestazione, elaborazione e assemblaggio. Pertanto, questo articolo ritiene che la struttura planare sia molto probabilmente destinata a diventare la tendenza di sviluppo dei dispositivi elettronici a vuoto nella banda terahertz.
La maggior parte dei dati grezzi e dei modelli analitici utilizzati in questo studio sono stati inclusi nel presente documento. Ulteriori informazioni pertinenti possono essere ottenute dall'autore corrispondente su richiesta ragionevole.
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