Grazie per aver visitato Nature.com. La versione del browser che stai utilizzando ha un supporto limitato per i CSS. Per un'esperienza ottimale, ti consigliamo di utilizzare un browser aggiornato (o di disattivare la modalità di compatibilità in Internet Explorer). Nel frattempo, per garantire il supporto continuo, visualizzeremo il sito senza stili e JavaScript.
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 il doppio rispetto alla modalità singola. In secondo luogo, al fine di 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 forma di matita, con una tensione di pilotaggio di 20~21 kV e una corrente di 2 × 80 mA. Obiettivi di progettazione. Utilizzando la parte di 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 focalizzazione è di circa 0,18 mm e la stabilità è buona. È stato inoltre ottimizzato il sistema di focalizzazione magnetica uniforme. La distanza di trasmissione stabile del doppio fascio di elettroni planare può raggiungere i 45 mm e il campo magnetico di focalizzazione è di 0,6 T, sufficiente a coprire l'intero sistema ad alta frequenza. (HFS). Quindi, per verificare l'usabilità del sistema elettro-ottico e le prestazioni della struttura a onda lenta, sono state eseguite anche simulazioni con celle di particelle (PIC) sull'intero HFS. I risultati mostrano che il sistema di interazione del fascio può raggiungere una potenza di uscita di picco 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 a 3 dB supera i 35 dB a circa 70 GHz. Infine, è stata 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 possa sviluppare sorgenti di radiazione nella banda dei terahertz ad alta potenza e a banda ultralarga con potenziale per future applicazioni.
Come 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, quando la frequenza operativa entra nella banda dei terahertz, i tradizionali TWT a cavità accoppiate e TWT elicoidali non sono stati in grado di soddisfare le esigenze a causa della potenza di uscita relativamente bassa, della larghezza di banda ristretta e dei processi di fabbricazione complessi. Pertanto, come migliorare in modo completo le prestazioni nella banda THz è diventato un problema di grande interesse per molti istituti di ricerca scientifica. Negli ultimi anni, 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 ampia attenzione grazie alle loro strutture planari naturali, in particolare le nuove SDV-SWS con un potenziale promettente. Questa struttura è stata proposta da UC-Davis nel 20084. La struttura planare può essere facilmente fabbricata mediante tecniche di micro-nano lavorazione come il controllo numerico computerizzato (CNC) e UV-LIGA, la struttura del pacchetto interamente metallico può fornire una maggiore capacità termica con una potenza di uscita e un guadagno più elevati, e la struttura simile a una guida d'onda può anche fornire una larghezza di banda di lavoro più ampia. Attualmente, l'UC Davis ha dimostrato per la prima volta nel 2017 che 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 delle lacune che non possono soddisfare i requisiti correlati di alta potenza e ampia larghezza di banda nella banda dei 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 (EOS) del fascio a foglio, ed esiste un tunnel del fascio in modalità sovra-regolante, che può anche causare l'autoregolazione del fascio. – Eccitazione e oscillazione 6,7. Al fine di 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 fascio con funzionamento a doppia modalità. Ovvero, al fine di aumentare la larghezza di banda operativa, in questa struttura viene proposto e introdotto il funzionamento a doppia modalità. Inoltre, al fine di 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 un EOS multifascio distribuito planare, che sfrutta la dimensione laterale dell'SWS. Grazie al tunneling 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, che può evitare il tunneling del fascio in modalità sovracorrente rispetto ai dispositivi a fascio laminare. Pertanto, è vantaggioso mantenere la stabilità del tubo a onda progressiva. Sulla base di precedenti nei lavori 8 e 9, questo articolo propone un EOS a doppio fascio di matita focalizzato con 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. In primo luogo, viene descritto il progetto della cella SWS con i relativi parametri, l'analisi delle caratteristiche di dispersione e i risultati della simulazione ad alta frequenza. Successivamente, in base alla struttura della cella unitaria, in questo articolo vengono progettati un'equazione di stato a doppio fascio di matita e un sistema di interazione del fascio. Vengono inoltre presentati i risultati della simulazione di particelle intracellulari per verificare l'applicabilità dell'equazione di stato e le prestazioni del SDV-TWT. Infine, l'articolo presenta brevemente i risultati della fabbricazione e dei test a freddo per verificare la correttezza dell'intero HFS. Infine, viene fornita una sintesi.
Come uno dei componenti più importanti del TWT, le proprietà dispersive della struttura a onda lenta indicano se la velocità degli elettroni corrisponde alla velocità di fase dell'SWS, e quindi hanno una grande influenza sull'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 foglio e la limitazione di potenza del singolo fascio a penna, la struttura adotta un doppio fascio a penna per migliorare ulteriormente la potenza di uscita e la stabilità operativa. Allo stesso tempo, al fine di aumentare la larghezza di banda di lavoro, è stata proposta una doppia modalità per il funzionamento dell'SWS. Grazie alla simmetria della struttura SDV, la soluzione dell'equazione di dispersione del campo elettromagnetico può essere suddivisa in modalità pari e dispari. Allo stesso tempo, la modalità dispari fondamentale della banda di bassa frequenza e la modalità pari fondamentale della banda di alta frequenza vengono utilizzate per realizzare la sincronizzazione a banda larga dell'interazione del fascio, migliorando così ulteriormente la larghezza di banda di lavoro.
Secondo i 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 tensione del fascio e 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 pari a 0,46 mm. La Figura 2a mostra le proprietà di dispersione della cella unitaria SWS. La linea di fascio da 20 kV si adatta molto bene alla curva bimodale. Le bande di frequenza corrispondenti possono raggiungere circa 70 GHz negli intervalli 210–265,3 GHz (modo dispari) e 265,4–280 GHz (modo 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 fascio di elettroni da 20 kV. (b) Impedenza di interazione del circuito a onda lenta SDV.
Tuttavia, è importante notare che esiste un gap di banda tra i modi pari e dispari, e di solito ci riferiamo a questo gap di banda come banda di arresto, come mostrato in Figura 2a. Se il TWT viene utilizzato in prossimità di questa banda di frequenza, può verificarsi un forte accoppiamento del fascio, che porterà a oscillazioni indesiderate. Nelle applicazioni pratiche, generalmente evitiamo di utilizzare il TWT in prossimità della 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, la stabilità del funzionamento intorno alla banda di arresto verrà studiata nella successiva sezione di simulazione PIC per analizzare se possono verificarsi oscillazioni indesiderate.
Il modello dell'intero HFS è mostrato in Figura 3. È costituito da due stadi SDV-SWS, collegati da riflettori di Bragg. La funzione del riflettore è quella di interrompere la trasmissione del segnale tra i due stadi, sopprimere l'oscillazione e la riflessione di modi non operativi come i modi di ordine superiore generati tra le lame superiore e inferiore, migliorando così notevolmente la stabilità dell'intero tubo. Per il collegamento con l'ambiente esterno, viene utilizzato anche un accoppiatore conico 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 nel dominio del tempo nel software di simulazione 3D. Considerando l'effetto effettivo della banda terahertz sul materiale, il materiale dell'involucro sottovuoto è inizialmente impostato su 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 un effetto minimo 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.
Come alimentatore di dispositivi elettronici sottovuoto, il cannone elettronico determina direttamente se il dispositivo può generare una potenza di uscita sufficiente. In combinazione con l'analisi dell'HFS nella Sezione II, è necessario progettare un EOS a doppio fascio 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. In primo luogo, secondo i requisiti di progettazione di SWS nella Sez. Come mostrato in FIG. 2, la tensione di pilotaggio Ua dei fasci di elettroni è inizialmente impostata a 20 kV, le correnti I dei due fasci di elettroni sono entrambe di 80 mA e il diametro del fascio dw dei fasci di elettroni è di 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 a 7, quindi la densità di corrente del fascio di elettroni è di 603 A/cm2 e la densità di corrente del catodo è di 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 gli schemi orizzontali e verticali del cannone elettronico. Si può notare 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 a 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 di iniezione degli elettroni, le dimensioni delle due superfici catodiche sono determinate essere 0,91 mm × 0,13 mm.
Al fine di rendere il campo elettrico focalizzato ricevuto da ciascun fascio di elettroni nella direzione x simmetrico rispetto al proprio centro, 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, è possibile ottenere la distribuzione della traiettoria del cannone a doppio fascio, come mostrato in Fig. 6. Si può osservare che gli elettroni emessi presentano una buona comprimibilità nella direzione y e che 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'inviluppo 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 vicina 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 osservare che la forma della sezione trasversale è la più simile a quella di un fascio di elettroni circolare standard. La distanza tra i due fasci di elettroni è vicina al valore progettato di 0,31 mm 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 notare che le correnti dei due fasci sono di 76 mA, il che è in buon accordo con il valore progettato di 80 mA.
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, sono stati ottenuti gli inviluppi della corrente e della corrente del fascio, come mostrato in Figura 1 e Figure 1.10 e 11. Dai risultati, si può osservare che la variazione della tensione di pilotaggio non ha alcun effetto sull'inviluppo del fascio di elettroni e la corrente del fascio di elettroni varia 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.
L'effetto delle fluttuazioni della tensione di pilotaggio sugli inviluppi del fascio nelle direzioni x e y.
Un campo di focalizzazione magnetico uniforme è un comune sistema di focalizzazione a magneti permanenti. Grazie alla distribuzione uniforme del campo magnetico lungo tutto il canale del fascio, è molto adatto per fasci di elettroni assialsimmetrici. In questa sezione, viene proposto un sistema di focalizzazione magnetica uniforme per mantenere la trasmissione a lunga distanza di doppi fasci a 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 doppio fascio a matita distribuito lateralmente. Combinato con il cannone elettronico progettato in questo articolo, il valore del campo magnetico calcolato è di circa 4000 Gs. Secondo il Rif. 20, 1,5-2 volte il valore calcolato viene solitamente scelto nei progetti pratici.
La Figura 12 mostra la struttura di un sistema di focalizzazione del campo magnetico uniforme. La parte blu rappresenta il magnete permanente magnetizzato in direzione assiale. Il materiale scelto è NdFeB o FeCoNi. La remanenza Br impostata nel modello di simulazione è di 1,3 T e la permeabilità è di 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 sia 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 onda lenta 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 elemento polare con un nuovo foro a gradini in un sistema di focalizzazione magnetica uniforme, che può ulteriormente ridurre l'entità della dispersione di flusso verso il catodo e il campo magnetico trasversale generato nel foro dell'elemento polare. In questo articolo, aggiungiamo una struttura a gradini all'elemento polare del sistema di focalizzazione. Lo spessore dell'elemento polare è inizialmente impostato a 1,5 mm, l'altezza e la larghezza dei tre gradini sono di 0,5 mm e la distanza tra i fori dell'elemento polare è di 2 mm, come mostrato in Figura 13.
La Figura 14a mostra la distribuzione del campo magnetico assiale lungo gli assi centrali dei due fasci di elettroni. Si può notare che le forze del campo magnetico lungo i due fasci di elettroni sono uguali. Il valore del campo magnetico è di circa 6000 Gs, che è 1,5 volte il campo Brillouin teorico per aumentare le prestazioni di trasmissione e focalizzazione. Allo stesso tempo, il campo magnetico al catodo è quasi 0, indicando che il pezzo 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 notare che il campo magnetico trasversale è inferiore a 200 Gs solo nel foro del pezzo polare, mentre nel circuito a onda lenta, il campo magnetico trasversale è quasi zero, il che dimostra che l'influenza del campo magnetico trasversale sul fascio di elettroni è trascurabile. Per prevenire la saturazione magnetica dei pezzi polari, è necessario studiare l'intensità del campo magnetico all'interno dei pezzi polari. La Figura 14c mostra il valore assoluto della distribuzione del campo magnetico all'interno del polo pezzo.Si può notare che il valore assoluto dell'intensità del campo magnetico è inferiore a 1,2 T, il che indica che non si verificherà la saturazione magnetica del pezzo polare.
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 del polo.
Basandosi sul modulo CST PS, la posizione relativa assiale del cannone a doppio fascio e del sistema di focalizzazione è ottimizzata. Secondo il riferimento 9 e le simulazioni, la posizione ottimale è quella in cui il pezzo anodico si sovrappone al pezzo polare lontano dal magnete. Tuttavia, si è scoperto che se la remanenza era impostata a 1,3 T, la trasmittanza del fascio di elettroni non poteva raggiungere il 99%. Aumentando la remanenza a 1,4 T, il campo magnetico di focalizzazione aumenterà a 6500 Gs. Le traiettorie del fascio sui piani xoz e yoz sono mostrate nella Figura 15. Si può notare che il fascio ha una buona trasmissione, piccole fluttuazioni e una distanza di trasmissione superiore a 45 mm.
Traiettorie di doppi fasci di fascio in un sistema magnetico omogeneo con Br = 1,4 T. (a) Piano xoz. (b) Aeromobile yoz.
La Figura 16 mostra la sezione trasversale del fascio in diverse posizioni lontano 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 nelle direzioni x e y, rispettivamente. 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, 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 rispetto al catodo.
Considerando una serie di problemi quali errori di assemblaggio, fluttuazioni di tensione e variazioni dell'intensità del campo magnetico nelle applicazioni di lavorazione pratiche, è necessario analizzare la sensibilità del sistema di focalizzazione. Poiché nella lavorazione reale è presente uno spazio tra l'anodo e il polo, questo spazio deve essere impostato nella simulazione. Il valore dello spazio è stato impostato a 0,2 mm e la Figura 19a mostra l'inviluppo del fascio e la corrente del fascio nella direzione y. Questo risultato mostra che la variazione dell'inviluppo 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 notare che la variazione di tensione ha un effetto minimo sull'inviluppo 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 notare che l'inviluppo del fascio cambia a malapena, il che significa che l'intero EOS è insensibile alle variazioni del campo magnetico. forza sul campo.
Inviluppo del fascio e risultati di corrente in 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.
Inviluppo 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 sia 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 l'HFS a tubo a onda progressiva del progetto sopra descritto.
Per verificare la correttezza dell'equazione di stato (EOS) proposta nella Sezione III e per studiare le prestazioni del 220 GHz SDV-TWT, è stata eseguita una simulazione 3D-PIC dell'interazione fascio-onda. A causa delle limitazioni del software di simulazione, non è stato possibile aggiungere l'intera EOS all'HFS. Pertanto, il cannone elettronico è stato sostituito con una superficie emittente 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 in precedenza. 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 e il guadagno di saturazione 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 potenza di uscita ottimale si ottiene con un numero di cicli pari a 42 + 48 per ogni stadio, come mostrato in Figura 22a. Un segnale di ingresso di 0,05 W viene amplificato a 314 W con un guadagno di 38 dB. Lo spettro di potenza di uscita ottenuto tramite 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 nell'SWS, con la maggior parte degli elettroni che perdono energia. Questo risultato indica che l'SDV-SWS è in grado di 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 energetica 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 fascio e doppia modalità. Le prestazioni di uscita possono essere ulteriormente migliorate variando le frequenze da 200 a 275 GHz e ottimizzando la tensione di pilotaggio. Questo risultato mostra che la larghezza di banda a 3 dB può coprire l'intervallo 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 Fig. 2a, sappiamo che esiste una banda di arresto tra i modi pari e dispari, che può portare a oscillazioni indesiderate. Pertanto, è necessario studiare la stabilità del lavoro intorno agli arresti. Le figure 24a-c mostrano i risultati della simulazione di 20 ns a 265,3 GHz, 265,35 GHz e 265,4 GHz, rispettivamente. Si può notare che, sebbene i risultati della simulazione presentino alcune fluttuazioni, la potenza di uscita è relativamente stabile. Lo spettro è mostrato anche nella Figura 24, ed è puro. Questi risultati indicano che non vi è auto-oscillazione vicino alla banda di arresto.
La fabbricazione e la misurazione sono necessarie per verificare la correttezza dell'intera HFS. In questa parte, la HFS viene fabbricata utilizzando la tecnologia di 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 costituito da rame ad alta conduttività privo di 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 per perni 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 lavorata soddisfa i requisiti di progettazione e precisione.
La Figura 26 mostra il confronto tra i risultati effettivi dei test 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 effettivi delle misurazioni di S11 sono leggermente migliori dei risultati della simulazione. Allo stesso tempo, i risultati misurati di S21 sono leggermente peggiori. La ragione 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, combinando il processo di fabbricazione effettivo e i risultati dei test, il progetto SDV-TWT a doppio fascio a banda ultralarga proposto in questo articolo può essere utilizzato per successive fabbricazioni e applicazioni.
In questo articolo viene presentato un progetto dettagliato di un SDV-TWT a doppio fascio con distribuzione planare a 220 GHz. La combinazione di funzionamento a doppia modalità ed eccitazione a doppio fascio aumenta ulteriormente la larghezza di banda operativa e la potenza di uscita. Sono stati inoltre effettuati test di fabbricazione e 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 due fasci progettato, una sezione di 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 effettuati la produzione e il collaudo dell'EOS, e verrà anche effettuato il test termico dell'intero TWT. Questo schema di progettazione SDV-TWT proposto in questo articolo combina pienamente l'attuale tecnologia di elaborazione planare matura e mostra un grande potenziale in termini di indicatori di prestazione, processo e assemblaggio. Pertanto, questo articolo ritiene che la struttura planare sia molto probabilmente destinata a diventare la tendenza di sviluppo dei dispositivi elettronici sottovuoto nella banda dei 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 richieste all'autore corrispondente previa motivazione.
Gamzina, D. et al. Lavorazione CNC su scala nanometrica di elettronica sottovuoto sub-terahertz. IEEE Trans. electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. e Paoloni, C. Microfabbricazione UV-LIGA di guide d'onda sub-terahertz utilizzando fotoresist multistrato SU-8. J. Micromechanics. Microelectronics. 26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 THz technology roadmap. 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 Forte confinamento della propagazione di onde plasmoniche tramite guide d'onda a doppio reticolo sfalsato a banda ultralarga. application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Prestazioni di un amplificatore a tubo a onda progressiva da 220 GHz lavorato con nano CNC. IEEE Trans. electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Indagine sull'instabilità diocotron di fasci di elettroni a foglio infinitamente larghi utilizzando la teoria del modello di fluido freddo macroscopico. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV sull'opportunità di aumentare la larghezza di banda mediante la disposizione planare del fascio in un klystron multifascio. In 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. Progettazione di cannoni elettronici a tre fasci con distribuzione del piano di divisione del fascio ristretta in un tubo a onda viaggiante a doppia lama sfalsata in 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 & Ruan, CJ Sistema ottico elettronico planare distribuito a tre fasci con stretta separazione dei fasci per TWT in modalità fondamentale in banda W. IEEE Trans. electronic devices. 68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Ricerca su tubo a onda progressiva a doppia lama interlacciata con fasci laminari a onda millimetrica 20-22 (Dottorato di ricerca, Università di Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studio sulla stabilità dell'interazione fascio-onda di un tubo a onda progressiva a doppia lama interlacciata in banda G. 2018 43a Conferenza Internazionale sulle Onde Infrarosse Millimetriche e Terahertz, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).