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本稿では、220GHz広帯域高出力インターリーブ型ダブルブレード進行波管を設計し、検証した。まず、平面ダブルビームスタッガードダブルブレードスローウェーブ構造を提案した。デュアルモード動作方式を採用することで、伝送性能と帯域幅はシングルモードの約2倍になった。次に、高出力電力の要件を満たし、進行波管の安定性を向上させるために、ダブルペンシル型電子光学システムを設計した。駆動電圧は20～21kV、電流は2×80mAである。設計目標。ダブルビームガンのマスク部と制御電極を使用することで、2本のペンシルビームをそれぞれの中心に沿って圧縮比7で集束させることができ、集束距離は約0.18mmで、安定性は良好である。均一磁気集束システムも最適化されている。平面ダブル電子ビームの安定した伝送距離は45mmに達し、集束磁場は0.6Tで、高次に、電子光学システムの有用性と遅波構造の性能を検証するために、HFS全体に対して粒子セル（PIC）シミュレーションも実行しました。結果によると、ビーム相互作用システムは220GHzで約310Wのピーク出力を達成でき、最適化されたビーム電圧は20.6kV、ビーム電流は2×80mA、ゲインは38dB、3dB帯域幅は約70GHzで35dBを超えています。最後に、HFSの性能を検証するために高精度微細構造の製造が行われ、帯域幅と伝送特性がシミュレーション結果とよく一致することが示されました。したがって、本稿で提案された方式は、将来のアプリケーションの可能性を秘めた高出力、超広帯域テラヘルツ帯放射源の開発に期待されます。
伝統的な真空電子デバイスである進行波管（TWT）は、高解像度レーダー、衛星通信システム、宇宙探査など、多くのアプリケーションでかけがえのない役割を果たしています1,2,3。しかし、動作周波数がテラヘルツ帯に入ると、従来の結合空洞TWTとヘリカルTWTは、比較的低い出力、狭い帯域幅、および困難な製造プロセスのために人々のニーズを満たすことができなくなりました。そのため、THz帯域のパフォーマンスを包括的に向上させる方法は、多くの科学研究機関にとって非常に懸念される問題となっています。近年、スタッガードデュアルブレード（SDV）構造や折り畳み導波路（FW）構造などの新しい低速波構造（SWS）は、その自然な平面構造、特に有望な可能性を秘めた新しいSDV-SWSのために大きな注目を集めています。この構造は、2008年にカリフォルニア大学デービス校によって提案されました4。平面構造は、コンピュータ数値制御（CNC）やUV-LIGAなどのマイクロナノ加工技術によって簡単に製造できます。全金属パッケージ構造は、より高い出力と利得でより大きな熱容量を提供することができ、導波管のような構造はより広い動作帯域幅も提供することができます。現在、カリフォルニア大学デービス校は、SDV-TWTが100Wを超える高出力とGバンドで約14GHzの帯域幅の信号を生成できることを2017年に初めて実証しました5。ただし、これらの結果には、テラヘルツ帯域での高出力と広い帯域幅の関連要件を満たすことができないギャップがまだあります。UC-DavisのGバンドSDV-TWTでは、シート電子ビームが使用されています。この方式はビームの電流容量を大幅に向上させることができますが、シートビーム電子光学系（EOS）の不安定性のために長い伝送距離を維持することが難しく、オーバーモードビームトンネルがあり、ビームが自己調整する可能性もあります。 – 励起と発振6,7。THz TWTの高出力、広帯域幅、および良好な安定性の要件を満たすために、本稿ではデュアルモード動作を備えたデュアルビームSDV-SWSを提案する。つまり、動作帯域幅を増やすために、この構造にデュアルモード動作を提案し、導入する。また、出力を高めるために、ダブルペンシルビームの平面分布も使用される。シングルペンシルビーム無線機は、垂直サイズの制約により比較的小型である。電流密度が高すぎる場合は、ビーム電流を減らす必要があり、その結果、出力が比較的低くなります。ビーム電流を改善するために、SWSの横方向サイズを活用する平面分散マルチビームEOSが登場しました。独立したビームトンネリングにより、平面分散マルチビームは、シートビームデバイスと比較して、オーバーモードビームトンネリングを回避できる高い総ビーム電流とビームあたりの小さな電流を維持することで、高出力を達成できます。したがって、進行波管の安定性を維持するのに有益です。に基づいて前研究8,9 に引き続き、本論文では、ビームの安定した伝送距離を大幅に改善し、ビームの相互作用面積をさらに拡大し、それによって出力を大幅に向上させることができる G バンド均一磁場集束ダブルペンシルビーム EOS を提案します。
この論文の構成は次のとおりです。まず、パラメータ、分散特性解析、高周波シミュレーション結果を含む SWS セル設計について説明します。次に、ユニットセルの構造に従って、この論文ではダブルペンシルビーム EOS とビーム相互作用システムを設計します。また、EOS の有用性と SDV-TWT の性能を検証するために、細胞内粒子シミュレーション結果も示します。さらに、この論文では、HFS 全体の正確性を検証するために、製造とコールドテストの結果を簡単に示します。最後にまとめます。
TWTの最も重要な構成要素の一つである遅波構造の分散特性は、電子速度がSWSの位相速度と一致するかどうかを示し、ビーム波相互作用に大きな影響を与えます。TWT全体の性能を向上させるために、改良された相互作用構造が設計されています。ユニットセルの構造を図1に示します。シートビームの不安定性とシングルペンビームの電力制限を考慮して、この構造はダブルペンビームを採用し、出力と動作安定性をさらに向上させています。同時に、動作帯域幅を増やすために、SWSをデュアルモードで動作させることが提案されています。SDV構造の対称性により、電磁場分散方程式の解は奇数モードと偶数モードに分けることができます。同時に、低周波帯域の基本奇数モードと高周波帯域の基本偶数モードを用いてビーム相互作用の広帯域同期を実現し、動作帯域幅をさらに向上させます。
電力要件に応じて、チューブ全体は駆動電圧20kV、ダブルビーム電流2×80mAで設計されています。電圧をSDV-SWSの動作帯域幅にできるだけ近づけるためには、周期pの長さを計算する必要があります。ビーム電圧と周期の関係は式（1）10に示されています。
中心周波数 220 GHz で位相シフトを 2.5π に設定すると、周期 p は 0.46 mm と計算できます。図 2a は、SWS ユニット セルの分散特性を示しています。20 kV ビームラインは、双峰曲線に非常によく一致しています。一致する周波数帯域は、210～265.3 GHz (奇数モード) および 265.4～280 GHz (偶数モード) の範囲で約 70 GHz に達します。図 2b は、平均結合インピーダンスを示しています。これは、210～290 GHz で 0.6 Ω を超えており、動作帯域幅で強い相互作用が発生する可能性があることを示しています。
(a) 20 kV電子ビームラインを備えたデュアルモードSDV-SWSの分散特性。(b) SDVスローウェーブ回路の相互作用インピーダンス。
ただし、奇数モードと偶数モードの間にバンドギャップがあることに注意することが重要であり、図 2a に示すように、このバンドギャップを通常ストップ バンドと呼びます。TWT をこの周波数帯域付近で動作させると、強いビーム結合強度が発生し、不要な振動を引き起こす可能性があります。実際のアプリケーションでは、通常、ストップ バンド付近での TWT の使用は避けます。ただし、この低速波構造のバンドギャップはわずか 0.1 GHz であることがわかります。この小さなバンドギャップが振動を引き起こすかどうかを判断することは困難です。したがって、次の PIC シミュレーション セクションでは、ストップ バンド付近での動作の安定性を調査し、不要な振動が発生するかどうかを分析します。
HFS全体のモデルを図3に示します。これは、ブラッグ反射器で接続された2段のSDV-SWSで構成されています。反射器の機能は、2段間の信号伝送を遮断し、上部ブレードと下部ブレードの間に発生する高次モードなどの非動作モードの振動と反射を抑制し、チューブ全体の安定性を大幅に向上させることです。外部環境との接続には、線形テーパカップラーも使用され、SWSがWR-4標準導波管に接続されています。2レベル構造の透過係数は、3Dシミュレーションソフトウェアの時間領域ソルバーによって測定されます。テラヘルツ帯域が材料に実際に及ぼす影響を考慮して、真空エンベロープの材料は最初に銅に設定され、導電率は2.25×107 S/m12に下げられています。
図4は、線形テーパ結合器を使用する場合と使用しない場合のHFSの伝送結果を示しています。この結果から、結合器はHFS全体の伝送性能にほとんど影響を与えないことがわかります。207〜280GHzの広帯域におけるシステム全体のリターンロス（S11 < − 10 dB）と挿入損失（S21 > − 5 dB）は、HFSが優れた伝送特性を持っていることを示しています。
真空電子デバイスの電源として、電子銃はデバイスが十分な出力電力を生成できるかどうかを直接決定します。セクションIIのHFSの分析と組み合わせて、十分な電力を供給できるようにデュアルビームEOSを設計する必要があります。この部分では、Wバンドでの以前の研究8,9に基づいて、平面マスク部分と制御電極を使用してダブルペンシル電子銃を設計します。まず、セクションのSWSの設計要件に従って、図に示すように、 2では、電子ビームの駆動電圧Uaを初期20kVに設定し、2つの電子ビームの電流Iを両方とも80mAに設定し、電子ビームのビーム径dwを0.13mmにします。同時に、電子ビームと陰極の電流密度を確実に達成できるように、電子ビームの圧縮比を7に設定し、電子ビームの電流密度を603A/cm2、陰極の電流密度を86A/cm2にします。これは、新しい陰極材料を使用することで実現できます。設計理論14、15、16、17によれば、典型的なピアス電子銃を一意に識別できます。
図5は、それぞれ電子銃の水平方向と垂直方向の概略図を示しています。電子銃のx方向のプロファイルは一般的なシート状電子銃とほぼ同じですが、y方向では2つの電子ビームがマスクによって部分的に分離されていることがわかります。2つのカソードの位置は、それぞれx = - 0.155 mm、y = 0 mmとx = 0.155 mm、y = 0 mmです。圧縮比と電子注入サイズの設計要件に従って、2つのカソード表面の寸法は0.91 mm × 0.13 mmに決定されました。
本論文では、各電子ビームがx方向に受ける集束電界をその中心に対して対称にするために、電子銃に制御電極を適用する。集束電極と制御電極の電圧を-20kV、陽極の電圧を0Vに設定すると、図6に示すようなデュアルビーム銃の軌道分布が得られる。放出された電子はy方向に良好な圧縮性を持ち、各電子ビームは自身の対称中心に沿ってx方向に向かって収束することがわかり、これは制御電極が集束電極によって生成される不均一な電界を均衡させていることを示す。
図7は、x方向とy方向のビームエンベロープを示しています。結果は、x方向の電子ビームの投影距離がy方向の投影距離と異なることを示しています。x方向の投影距離は約4mmで、y方向の投影距離は7mmに近いです。したがって、実際の投影距離は4〜7mmの間で選択する必要があります。図8は、カソード表面から4.6mmの位置での電子ビームの断面を示しています。断面の形状が標準的な円形電子ビームに最も近いことがわかります。2つの電子ビーム間の距離は設計された0.31mmに近く、半径は約0.13mmで、設計要件を満たしています。図9は、ビーム電流のシミュレーション結果を示しています。2つのビーム電流は76mAであり、設計の80mAとよく一致していることがわかります。
実際のアプリケーションでの駆動電圧の変動を考慮すると、このモデルの電圧感度を検討する必要があります。 19.8〜20.6 kVの電圧範囲では、図1と図1.10および11に示すように、電流エンベロープとビーム電流エンベロープが得られます。結果から、駆動電圧の変化は電子ビームエンベロープに影響を与えず、電子ビーム電流は0.74〜0.78 Aにしか変化しないことがわかります。したがって、本論文で設計した電子銃は電圧に対する感度が優れていると考えられます。
駆動電圧変動が x 方向および y 方向のビーム エンベロープに与える影響。
均一磁気集束場は、一般的な永久磁石集束システムです。ビームチャネル全体に均一な磁場分布があるため、軸対称電子ビームに非常に適しています。このセクションでは、二重ペンシルビームの長距離伝送を維持するための均一磁気集束システムを提案します。生成される磁場とビームエンベロープを解析することにより、集束システムの設計スキームを提案し、感度の問題を検討します。単一ペンシルビームの安定伝送理論18,19によれば、ブリルアン磁場値は式（2）で計算できます。本稿では、この等価性を使用して、横方向に分布した二重ペンシルビームの磁場も推定します。本稿で設計した電子銃と組み合わせると、計算された磁場値は約4000 Gsになります。文献20によれば、実際の設計では通常、計算値の1.5～2倍が選択されます。
図12は均一磁場集束磁場システムの構造を示しています。青い部分は軸方向に磁化された永久磁石です。材料の選択はNdFeBまたはFeCoNiです。シミュレーションモデルで設定された残留磁気Brは1.3T、透磁率は1.05です。回路全体でビームの安定した伝送を確保するために、磁石の長さは最初に70mmに設定されています。また、磁石のx方向のサイズは、ビームチャネル内の横磁場が均一かどうかを決定し、x方向のサイズが小さすぎてはなりません。同時に、コストとチューブ全体の重量を考慮すると、磁石のサイズは大きすぎてはなりません。したがって、磁石は最初に150 mm × 150 mm × 70 mmに設定されています。一方、遅波回路全体を集束システムに配置できるように、磁石間の距離は20mmに設定されています。
2015 年に Purna Chandra Panda21 は、均一磁気集束システムに新しい段差穴付きポールピースを提案しました。これにより、カソードへの磁束漏れの大きさと、ポールピースの穴で生成される横方向磁場をさらに低減できます。 この論文では、集束システムのポールピースに段差構造を追加します。 図 13 に示すように、ポールピースの厚さは初期状態で 1.5 mm に設定され、3 段の高さと幅はそれぞれ 0.5 mm、ポールピースの穴間の距離は 2 mm です。
図14aは、2つの電子ビームの中心線に沿った軸方向の磁場分布を示しています。2つの電子ビームに沿った磁場の力は等しいことがわかります。磁場の値は約6000Gsで、理論上のブリルアン磁場の1.5倍であり、透過率と集束性能を向上させます。同時に、カソードの磁場はほぼ0であり、ポールピースが磁束漏れの防止に優れた効果を発揮していることを示しています。図14bは、2つの電子ビームの上端におけるZ方向の横磁場分布Byを示しています。横磁場が200Gs未満であるのはポールピースの穴の部分のみであり、スローウェーブ回路では横磁場がほぼ0であるため、横磁場が電子ビームに与える影響はごくわずかであることがわかります。ポールピースの磁気飽和を防ぐには、ポールピース内部の磁場強度を調べる必要があります。図14cは、ポールピース内部の磁場分布の絶対値を示しています。磁極片の磁気飽和は発生しないことがわかる。磁界強度の絶対値は1.2T未満であることがわかる。
Br = 1.3 T のときの磁場強度分布。(a) 軸方向の磁場分布。(b) Z 方向の横方向の磁場分布 By。(c) 極片内の磁場分布の絶対値。
CST PSモジュールに基づいて、デュアルビームガンとフォーカスシステムの軸方向の相対位置が最適化されています。文献9とシミュレーションによると、最適な位置は、アノードピースが磁石から離れたポールピースと重なる場所です。ただし、残留磁気を1.3Tに設定すると、電子ビームの透過率が99％に達しないことがわかりました。残留磁気を1.4Tに増やすと、フォーカス磁場は6500Gsに増加します。xoz平面とyoz平面上のビーム軌道を図15に示します。ビームの透過率は良好で、変動が小さく、伝送距離は45mmを超えていることがわかります。
Br = 1.4 T の均一磁場システム下での二重ペンシルビームの軌跡。(a) xoz 平面。(b) yoz 航空機。
図16は、カソードから離れた異なる位置でのビームの断面を示しています。集束システムにおけるビーム断面の形状が良好に維持され、断面直径が大きく変化していないことがわかります。図17は、それぞれx方向とy方向のビームエンベロープを示しています。両方向のビームの変動が非常に小さいことがわかります。図18は、ビーム電流のシミュレーション結果を示しています。結果は、電流が約2×80mAであることを示しており、これは電子銃設計における計算値と一致しています。
カソードから離れたさまざまな位置での電子ビームの断面（集束システムを使用）。
実際の加工アプリケーションにおける組み立て誤差、電圧変動、磁場強度の変化などの一連の問題を考慮すると、集束システムの感度を分析する必要があります。実際の加工では陽極片と極片の間に隙間があるため、シミュレーションでこのギャップを設定する必要があります。ギャップ値は 0.2 mm に設定され、図 19 a は y 方向のビーム エンベロープとビーム電流を示しています。この結果から、ビーム エンベロープの変化は大きくなく、ビーム電流はほとんど変化しないことがわかります。したがって、システムは組み立て誤差の影響を受けません。駆動電圧の変動については、誤差範囲を ±0.5 kV に設定しています。図 19 b に比較結果を示します。電圧の変化はビーム エンベロープにほとんど影響を与えないことがわかります。磁場強度の変化に対する誤差範囲は、-0.02 T から +0.03 T に設定されています。比較結果を図 20 に示します。
均一な磁気集束システム下でのビームエンベロープと電流の結果。(a) 組み立て許容誤差は 0.2 mm です。(b) 駆動電圧の変動は ±0.5 kV です。
軸方向磁場強度の変動が 0.63 ～ 0.68 T の範囲にある均一な磁気集束システム下のビーム エンベロープ。
本論文で設計した集束システムが HFS と適合できることを保証するためには、集束システムと HFS を組み合わせて研究する必要があります。図 21 は、HFS をロードした場合とロードしない場合のビーム エンベロープの比較を示しています。この結果から、HFS 全体をロードしてもビーム エンベロープはあまり変化しないことがわかります。したがって、この集束システムは、上記設計の進行波管 HFS に適しています。
セクションIIIで提案されたEOSの正確さを検証し、220GHz SDV-TWTの性能を調査するために、ビーム波相互作用の3D-PICシミュレーションを実行します。シミュレーションソフトウェアの制限により、EOS全体をHFSに追加することはできませんでした。したがって、電子銃は、上記で設計された電子銃と同じパラメータである、直径0.13mm、2つの表面間の距離が0.31mmの等価放射面に置き換えられました。EOSは鈍感で安定性が優れているため、PICシミュレーションで駆動電圧を適切に最適化して最高の出力電力を実現できます。シミュレーション結果によると、飽和出力電力とゲインは、駆動電圧20.6kV、ビーム電流2×80mA（603A / cm2）、入力電力0.05Wで得られます。
最良の出力信号を得るためには、サイクル数も最適化する必要があります。図22aに示すように、2つのステージの数が42 + 48サイクルのときに、最良の出力電力が得られます。0.05Wの入力信号は、38dBのゲインで314Wに増幅されます。高速フーリエ変換（FFT）によって得られた出力電力スペクトルは純粋で、220GHzでピークに達します。図22bは、SWSにおける電子エネルギーの軸方向の位置分布を示しており、ほとんどの電子がエネルギーを失っています。この結果は、SDV-SWSが電子の運動エネルギーをRF信号に変換し、信号増幅を実現できることを示しています。
220 GHz での SDV-SWS 出力信号。(a) 含まれるスペクトルを含む出力電力。(b) SWS インセットの端にある電子ビームによる電子のエネルギー分布。
図23は、デュアルモードデュアルビームSDV-TWTの出力電力帯域幅とゲインを示しています。周波数を200〜275GHzに掃引し、駆動電圧を最適化することで、出力パフォーマンスをさらに向上させることができます。この結果は、3dB帯域幅が205〜275GHzをカバーできることを示しており、デュアルモード動作によって動作帯域幅を大幅に広げることができることを意味します。
ただし、図 2a によると、奇数モードと偶数モードの間にストップ バンドがあり、不要な発振につながる可能性があることがわかっています。したがって、ストップ周辺の動作安定性を検討する必要があります。図 24a ～ c​​ は、それぞれ 265.3 GHz、265.35 GHz、265.4 GHz での 20 ns シミュレーション結果です。シミュレーション結果には多少の変動がありますが、出力電力は比較的安定していることがわかります。スペクトルもそれぞれ図 24 に示されており、スペクトルは純粋です。これらの結果は、ストップ バンド付近に自己発振がないことを示しています。
HFS全体の正確さを検証するには、製造と測定が必要です。この部分では、工具径0.1mm、加工精度10μmのコンピュータ数値制御（CNC）技術を使用してHFSを製造しています。高周波構造の材料は、無酸素高伝導性（OFHC）銅です。図25aは製造された構造を示しています。構造全体の長さは66.00mm、幅は20.00mm、高さは8.66mmです。8つのピンホールが構造の周囲に分布しています。図25bは、走査型電子顕微鏡（SEM）による構造を示しています。この構造のブレードは均一に製造されており、表面粗さが良好です。正確な測定の後、全体の加工誤差は5％未満で、表面粗さは約0.4μmです。加工構造は設計と精度の要件を満たしています。
図26は、実際のテスト結果と伝送性能のシミュレーションの比較を示しています。図26aのポート1とポート2は、それぞれHFSの入力ポートと出力ポートに対応し、図3のポート1とポート4に相当します。S11の実際の測定結果は、シミュレーション結果よりもわずかに優れています。同時に、S21の測定結果はわずかに悪くなっています。これは、シミュレーションで設定された材料の導電率が高すぎることと、実際の機械加工後の表面粗さが悪いことが原因である可能性があります。全体的に、測定結果はシミュレーション結果とよく一致しており、伝送帯域幅は70GHzの要件を満たしており、提案されたデュアルモードSDV-TWTの実現可能性と正確性を検証しています。したがって、実際の製造プロセスとテスト結果を組み合わせることで、本稿で提案した超広帯域デュアルビームSDV-TWT設計は、後続の製造およびアプリケーションに使用できます。
本稿では、平面分布220GHzデュアルビームSDV-TWTの詳細な設計を紹介する。デュアルモード動作とデュアルビーム励起を組み合わせることで、動作帯域幅と出力がさらに向上する。また、HFS全体の正確性を検証するために、製造とコールドテストも実施している。実際の測定結果はシミュレーション結果とよく一致している。設計された2ビームEOSでは、マスクセクションと制御電極を併用して2本のペンシルビームを生成している。設計された均一な集束磁場下では、電子ビームを良好な形状で長距離にわたって安定して伝送できる。今後は、EOSの製造とテストを実施し、TWT全体の熱テストも実施する予定である。本稿で提案するこのSDV-TWT設計スキームは、現在成熟している平面加工技術を完全に組み合わせており、性能指標と加工・組立において大きな可能性を示している。したがって、本稿では、平面構造がテラヘルツ帯の真空電子デバイスの開発トレンドになる可能性が高いと考えている。
この研究の生データと分析モデルのほとんどはこの論文に含まれています。さらに関連のある情報は、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。
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