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本論文では、220GHz広帯域高出力インターリーブ型二重ブレード進行波管の設計と検証を行った。まず、平面二重ビーム千鳥配置二重ブレード遅波構造を提案した。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ほぼ2倍となる。次に、高出力電力の要求を満たし、進行波管の安定性を向上させるため、二重ペンシル型電子光学系を設計した。駆動電圧は20～21kV、電流は2×80mAである。設計目標：二重ビームガン内のマスク部と制御電極を用いることで、2つのペンシルビームをそれぞれの中心に7倍の圧縮率で集束させることができ、集束距離は約0.18mmで安定性も良好である。均一磁気集束システムも最適化した。平面二重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であり、高周波システム全体をカバーするのに十分である。 （HFS）。次に、電子光学系の使いやすさ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。結果は、ビーム相互作用システムが 220 GHz で約 310 W のピーク出力電力を達成できること、最適化されたビーム電圧が 20.6 kV、ビーム電流が 2 × 80 mA、利得が 38 dB、3 dB 帯域幅が約 70 GHz で 35 dB を超えることを示しています。最後に、高精度の微細構造製造を実行して HFS の性能を検証し、結果は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を示しています。したがって、本論文で提案された方式は、将来の応用が期待される高出力超広帯域テラヘルツ帯放射源の開発につながると期待されます。
従来の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用途で不可欠な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、従来の結合空洞型TWTやヘリカル型TWTは、出力電力の低さ、帯域幅の狭さ、製造プロセスの難しさなどから、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、テラヘルツ帯の性能を総合的に向上させる方法は、多くの研究機関にとって非常に重要な課題となっています。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）構造などの新しいスローウェーブ構造（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によって広く注目を集めています。この構造は2008年にUC-Davis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容易に製造でき、オールメタルパッケージ構造となっています。より高い出力電力とゲインでより大きな熱容量を提供でき、導波路のような構造はより広い動作帯域幅も提供できます。現在、UC Davis は 2017 年に初めて SDV-TWT が G バンドで 100 W を超える高出力と 14 GHz 近い帯域幅の信号を生成できることを実証しました 5。しかし、これらの結果には、テラヘルツ バンドでの高出力と広い帯域幅に関する関連要件を満たせ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) の不安定性により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、ビームの自己調整を引き起こす可能性もあります。 – 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、本論文ではデュアルモード動作のデュアルビームSDV-SWSを提案する。つまり、動作帯域幅を増やすために、この構造ではデュアルモード動作が提案され導入されている。また、出力電力を増やすために、ダブルペンシルビームの平面分布も使用されている。シングルペンシルビーム無線機は、垂直方向のサイズ制約のため比較的小さい。電流密度が高すぎると、ビーム電流を減らす必要があり、結果として出力電力が比較的低くなる。ビーム電流を改善するために、SWSの横方向のサイズを利用する平面分布マルチビームEOSが登場した。独立したビームトンネル効果により、平面分布マルチビームは、シートビームデバイスと比較して、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電力を達成でき、オーバーモードビームトンネル効果を回避できる。したがって、進行波管の安定性を維持するのに有利である。研究8,9では、本論文ではGバンド均一磁場集束ダブルペンシルビームEOSを提案しており、ビームの安定した伝送距離を大幅に改善し、ビーム相互作用領域をさらに拡大することで、出力電力を大幅に向上させることができる。
本論文の構成は以下のとおりです。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、単位セルの構造に基づいて、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。EOSの有用性とSDV-TWTの性能を検証するために、セル内粒子シミュレーション結果も提示します。さらに、HFS全体の正確性を検証するために、製作結果と低温試験結果を簡単に紹介します。最後に、まとめを行います。
TWTの最も重要な構成要素の1つとして、スローウェーブ構造の分散特性は、電子速度がSWSの位相速度と一致するかどうかを示し、ビームと波の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、出力電力と動作安定性をさらに向上させています。同時に、動作帯域幅を拡大するために、SWSの動作にデュアルモード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モードと偶モードに分けられます。同時に、低周波数帯域の基本奇モードと高周波数帯域の基本偶モードを使用して、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ています。
電力要件に基づき、チューブ全体は駆動電圧20kV、二重ビーム電流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、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で示されます。
中心周波数 220 GHz で位相シフトを 2.5π に設定することで、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、バイモーダル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 (奇モード) および 265.4～280 GHz (偶モード) 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おり、210～290 GHz で 0.6 Ω より大きく、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、奇モードと偶モードの間にはバンドギャップがあり、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ぶことに注意することが重要です。TWTがこの周波数帯域の近くで動作する場合、強いビーム結合強度が発生し、不要な振動につながる可能性があります。実際のアプリケーションでは、一般的にストップバンドの近くでTWTを使用することは避けます。ただし、このスローウェーブ構造のバンドギャップはわずか0.1GHz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、不要な振動が発生する可能性があるかどうかを分析するために、ストップバンド付近での動作の安定性を調査します。
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つのSDV-SWSステージで構成されています。反射器の機能は、2つのステージ間の信号伝送を遮断し、上下のブレード間で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、それによってチューブ全体の安定性を大幅に向上させることです。外部環境への接続には、SWSをWR-4標準導波管に接続するために、線形テーパーカプラも使用されます。2レベル構造の伝送係数は、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。テラヘルツ帯が材料に及ぼす実際の影響を考慮して、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に低減されます。
図4は、線形テーパーカプラを使用した場合と使用しない場合のHFSの伝送結果を示しています。結果から、カプラは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反射損失（S11 < -10dB）と挿入損失（S21 > -5dB）は、HFSが良好な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 の解析と合わせて、十分な電力を供給するためにデュアルビーム EOS を設計する必要があります。この部分では、W バンド 8、9 の以前の研究に基づいて、平面マスク部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、電子ビームの駆動電圧Uaは初期設定で20kV、2つの電子ビームの電流Iは両方とも80mA、電子ビームのビーム径dwは0.13mmです。同時に、電子ビームと陰極の電流密度が達成されるように、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は603A/cm2、陰極の電流密度は86A/cm2となります。これは新しい陰極材料を使用することで達成できます。設計理論14、15、16、17によれば、典型的なピアース電子銃は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方向の形状は、典型的なシート状電子銃の形状とほぼ同じであることがわかりますが、y方向では、2つの電子ビームはマスクによって部分的に分離されています。2つの陰極の位置は、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つの陰極表面の寸法は0.91 mm × 0.13 mmと決定されます。
各電子ビームがx方向で受ける集束電界が自身の中心に対して対称になるようにするため、本論文では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-20 kV、陽極の電圧を0 Vに設定することで、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方向に収束することがわかる。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している。
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。結果から、電子ビームの x 方向の投影距離は y 方向の投影距離と異なることがわかります。x 方向の投射距離は約 4 mm であり、y 方向の投射距離は 7 mm に近い値です。したがって、実際の投射距離は 4 ～ 7 mm の間で選択する必要があります。図 8 は、陰極表面から 4.6 mm の位置での電子ビームの断面を示しています。断面の形状は、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値の 0.31 mm に近く、半径は約 0.13 mm であり、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 76 mA であり、設計値の 80 mA 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は駆動電圧が変動するため、このモデルの電圧感度を研究する必要がある。19.8～20.6 kVの電圧範囲で、電流とビーム電流の包絡線が得られ、図1および図1.10と11に示すとおりである。結果から、駆動電圧の変化は電子ビームの包絡線に影響を与えず、電子ビーム電流は0.74から0.78 Aに変化するだけであることがわかる。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高いと考えられる。
駆動電圧の変動がx方向およびy方向のビームエンベロープに及ぼす影響。
均一な磁場集束フィールドは、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、ダブルペンシルビームの長距離伝送を維持するための均一な磁場集束システムを提案します。生成された磁場とビームエンベロープを分析することにより、集束システムの設計案が提案され、感度問題が研究されます。単一ペンシルビームの安定伝送理論18、19によると、ブリルアン磁場値は式(2)で計算できます。この論文では、この等価性を使用して、横方向に分布したダブルペンシルビームの磁場を推定します。この論文で設計され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によると、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、均一磁場集束場システムの構造を示しています。青色の部分は、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化 Br は 1.3 T、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、磁石の長さは初期設定で 70 mm に設定されています。さらに、x 方向の磁石のサイズは、ビーム チャネル内の横方向磁場が均一であるかどうかを決定するため、x 方向のサイズが小さすぎないようにする必要があります。同時に、チューブ全体のコストと重量を考慮すると、磁石のサイズは大きすぎないようにする必要があります。したがって、磁石は初期設定で 150 mm × 150 mm × 70 mm に設定されています。同時に、スローウェーブ回路全体を集束システムに配置できるようにするために、磁石間の距離は 20 mm に設定されています。
2015年、Purna Chandra Panda21は、均一磁気集束システムに新しい段付き穴を備えたポールピースを提案しました。これにより、陰極への磁束漏れとポールピース穴で発生する横方向磁場の大きさをさらに低減できます。本論文では、集束システムのポールピースに段付き構造を追加します。ポールピースの厚さは初期設定で1.5mm、3つの段の高さと幅は0.5mm、ポールピース穴間の距離は2mmです（図13参照）。
図14aは、2つの電子ビームの中心線に沿った軸方向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力が等しいことがわかります。磁場値は約6000Gsで、これは理論的なブリルアン磁場の1.5倍であり、透過率と集束性能を向上させます。同時に、陰極の磁場はほぼ0であり、ポールピースが磁束漏れを防ぐのに効果的であ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方向の横方向磁場分布Byを示しています。横方向磁場はポールピースの穴でのみ200Gs未満であり、遅波回路では横方向磁場はほぼゼロであることがわかります。これは、横方向磁場が電子ビームに与える影響が無視できるほど小さいことを証明しています。ポールピースの磁気飽和を防ぐために、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。磁界強度の絶対値は1.2T未満であることがわかる。これは磁極片の磁気飽和が発生しないことを示している。
Br = 1.3 T 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) ポールピース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ます。文献 9 とシミュレーションによると、最適な位置は、磁石から離れた位置で陽極片が極片と重なる場所です。しかし、残留磁化を 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。残留磁化を 1.4T に増やすと、フォーカス磁場が 6500 Gs に増加します。xoz 面と yoz 面上のビーム軌跡を図 15 に示します。ビームは良好な透過率、小さな変動、および 45mm を超える透過距離を持っていることがわかります。
Br = 1.4 T の均一磁場システムにおける二重ペンシルビームの軌跡。(a) xoz 平面。(b) yoz 航空機。
図16は、陰極から離れたさまざまな位置でのビームの断面を示しています。集束システム内のビーム断面の形状がよく維持され、断面の直径があまり変化しないことがわかります。図17は、x方向とy方向のビームエンベロープをそれぞれ示しています。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、これは電子銃の設計で計算された値と一致しています。
陰極から離れた様々な位置における電子ビームの断面（集束システム使用時）。
実際の加工アプリケーションでは、組み立てエラー、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ギャップがあるため、このギャップをシミュレーションで設定する必要があります。ギャップの値は 0.2 mm に設定され、図 19a 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。この結果は、ビーム エンベロープの変化が重要ではなく、ビーム電流がほとんど変化しないことを示しています。したがって、システムは組み立てエラーに対して鈍感です。駆動電圧の変動については、誤差範囲を ±0.5 kV に設定しました。図 19b は比較結果を示しています。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。磁場強度の変化については、誤差範囲を -0.02 ～ +0.03 T に設定しました。比較結果を図 20 に示します。ビーム エンベロープがほとんど変化しないことがわかります。これは、EOS 全体が磁場強度の変化に対して鈍感であることを意味します。
均一な磁気集束システムにおけるビームエンベロープと電流の結果。(a) 組み立て公差は 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0.63～0.68Tの範囲にある均一磁気集束システムにおける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に適合す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る。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る。結果から、HFS全体をロードしてもビームエンベロープはほとんど変化しないことがわかる。したがって、集束システムは上記の設計の進行波管HFSに適している。
セクション III で提案された EOS の正確性を検証し、220 GHz 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。そのため、電子銃を、直径 0.13 mm、2 つの表面間の距離が 0.31 mm の等価な発光面に置き換えました。これは、上記で設計した電子銃と同じパラメータです。EOS の感度が低く安定性が高いため、駆動電圧を適切に最適化して、PIC シミュレーションで最高の出力電力を得ることができます。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 20.6 kV、ビーム電流 2 × 80 mA (603 A/cm2)、入力電力 0.05 W で得られます。
最適な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 段のサイクル数が 42 + 48 の場合に最高の出力電力が得られます。0.05 W の入力信号は、38 dB のゲインで 314 W 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、220 GHz でピークがあります。図 22b は、SWS 内の電子エネルギーの軸方向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。
SDV-SWSの出力信号（220GHz）。(a) スペクトルを含む出力電力。(b) SWS挿入図の終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。出力性能は、周波数を200～275GHzにスイープし、駆動電圧を最適化することで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り動作帯域幅を大幅に拡大できることを意味します。
しかし、図2aによれば、奇モードと偶モードの間には阻止帯域があり、不要な発振を引き起こす可能性があることがわかります。したがって、阻止帯域付近で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265.3GHz、265.35GHz、265.4GHzにおける20nsの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、阻止帯域付近で自己発振がないことを示しています。
HFS 全体の正確性を検証するには、製作と測定が必要です。この部分では、HFS は、工具径 0.1 mm、加工精度 10 μm のコンピュータ数値制御 (CNC) 技術を使用して製作されます。高周波構造の材料は、無酸素高伝導性 (OFHC) 銅です。図 25a は、製作された構造を示しています。構造全体の長さは 66.00 mm、幅は 20.00 mm、高さは 8.66 mm です。構造の周囲に 8 つのピン穴が配置されています。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、表面粗さが良好です。精密測定後、全体の加工誤差は 5% 未満で、表面粗さは約 0.4μm です。加工された構造は、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と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劣っています。その理由は、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、実際の加工後の表面粗さが悪いことが考えられます。全体として、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が検証されています。したがって、実際の製造プロセスとテスト結果と合わせて、本論文で提案された超広帯域デュアルビームSDV-TWT設計は、その後の製造とアプリケーションに使用できます。
本論文では、平面分布220GHzデュアルビームSDV-TWTの詳細設計について述べる。デュアルモード動作とデュアルビーム励起の組み合わせにより、動作帯域幅と出力電力がさらに増加する。また、HFS全体の正確性を検証するために、製造と低温試験も実施する。実際の測定結果は、シミュレーション結果とよく一致する。設計した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する。設計した均一集束磁場により、電子ビームは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の製造と試験を実施し、TWT全体の熱試験も実施する予定である。本論文で提案するこのSDV-TWT設計方式は、現在の成熟した平面加工技術を完全に組み合わせており、性能指標と加工および組み立てにおいて大きな可能性を示している。したがって、本論文では、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最も高いと考えている。
本研究で使用した生データおよび分析モデルのほとんどは、本論文に掲載されています。さらに詳しい関連情報は、適切な要請があれば、責任著者から入手できます。
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