Matur nuwun sampun ngunjungi Nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo pengalaman sing paling apik, disaranake sampeyan nggunakake browser sing dianyari (utawa mateni mode kompatibilitas ing Internet Explorer). Kangge, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita bakal nampilake situs tanpa gaya lan JavaScript.
Ing makalah iki, tabung gelombang lelungan bilah ganda interleaved daya dhuwur broadband 220GHz dirancang lan diverifikasi. Kapisan, struktur gelombang alon bilah ganda planar diusulake. Kanthi nggunakake skema operasi mode ganda, kinerja transmisi lan bandwidth meh kaping pindho saka mode tunggal. Kapindho, kanggo nyukupi syarat daya output dhuwur lan nambah stabilitas tabung gelombang lelungan, sistem optik elektronik bentuk pensil ganda dirancang, voltase nyopir yaiku 20 ~ 21 kV, lan arus yaiku 2 × 80 mA. Tujuan desain. Kanthi nggunakake bagean topeng lan elektroda kontrol ing bedhil sinar ganda, rong sinar pensil bisa difokusake ing sadawane pusat masing-masing kanthi rasio kompresi 7, jarak fokus udakara 0,18 mm, lan stabilitas apik. Sistem fokus magnetik seragam uga wis dioptimalake. Jarak transmisi stabil saka sinar elektron ganda planar bisa tekan 45 mm, lan medan magnet fokus yaiku 0,6 T, sing cukup kanggo nutupi kabeh sistem frekuensi tinggi (HFS). Banjur, kanggo Kanggo verifikasi kegunaan sistem elektron-optik lan kinerja struktur gelombang alon, simulasi sel partikel (PIC) uga ditindakake ing kabeh HFS. Asil kasebut nuduhake yen sistem interaksi sinar bisa entuk daya output puncak meh 310 W ing 220 GHz, voltase sinar sing dioptimalake yaiku 20,6 kV, arus sinar yaiku 2 × 80 mA, gain yaiku 38 dB, lan bandwidth 3-dB ngluwihi 35 dB udakara 70 GHz. Pungkasan, fabrikasi mikrostruktur presisi dhuwur ditindakake kanggo verifikasi kinerja HFS, lan asil kasebut nuduhake yen bandwidth lan karakteristik transmisi cocog karo asil simulasi. Mulane, skema sing diusulake ing makalah iki diarepake bakal ngembangake sumber radiasi terahertz-band ultra-broadband daya dhuwur kanthi potensial kanggo aplikasi ing mangsa ngarep.
Minangka piranti elektronik vakum tradisional, tabung gelombang lelungan (TWT) nduweni peran sing ora bisa diganti ing pirang-pirang aplikasi kayata radar resolusi dhuwur, sistem komunikasi satelit, lan eksplorasi ruang angkasa1,2,3. Nanging, nalika frekuensi operasi mlebu ing pita terahertz, TWT rongga gandheng tradisional lan TWT heliks ora bisa nyukupi kabutuhan wong amarga daya output sing relatif kurang, bandwidth sing sempit, lan proses manufaktur sing angel. Mulane, kepiye carane ningkatake kinerja pita THz kanthi komprehensif wis dadi masalah sing kuwatir banget kanggo akeh lembaga riset ilmiah. Ing taun-taun pungkasan, struktur gelombang alon (SWS) anyar, kayata struktur bilah ganda staggered (SDV) lan struktur pandu gelombang lipat (FW), wis entuk perhatian sing ekstensif amarga struktur planar alami, utamane SDV-SWS anyar kanthi potensi sing janjeni. Struktur iki diusulake dening UC-Davis ing taun 20084. Struktur planar bisa digawe kanthi gampang nganggo teknik pangolahan mikro-nano kayata kontrol numerik komputer (CNC) lan UV-LIGA, struktur paket kabeh-logam bisa nyedhiyakake kapasitas termal sing luwih gedhe kanthi daya output sing luwih dhuwur. lan gain, lan struktur kaya waveguide uga bisa nyedhiyakake bandwidth kerja sing luwih amba. Saiki, UC Davis nduduhake kanggo pisanan ing taun 2017 yen SDV-TWT bisa ngasilake output daya dhuwur luwih saka 100 W lan sinyal bandwidth meh 14 GHz ing G-band5. Nanging, asil kasebut isih duwe kesenjangan sing ora bisa memenuhi syarat sing gegandhengan karo daya dhuwur lan bandwidth sing amba ing pita terahertz. Kanggo SDV-TWT G-band UC-Davis, sinar elektron lembaran wis digunakake. Sanajan skema iki bisa nambah kapasitas arus sinar kanthi signifikan, angel njaga jarak transmisi sing dawa amarga ketidakstabilan sistem optik elektron sinar lembaran (EOS), lan ana trowongan sinar over-mode, sing uga bisa nyebabake sinar ngatur dhewe. – Eksitasi lan osilasi 6,7. Kanggo nyukupi syarat daya output sing dhuwur, bandwidth sing amba, lan stabilitas THz TWT sing apik, SDV-SWS dual-beam kanthi operasi dual-mode diusulake ing makalah iki. Yaiku, kanggo nambah bandwidth operasi, operasi dual-mode diusulake lan dikenalake ing struktur iki. Lan, kanggo nambah daya output, distribusi planar saka sinar pensil ganda uga digunakake. Radio sinar pensil tunggal relatif cilik amarga watesan ukuran vertikal. Yen kapadhetan arus dhuwur banget, arus sinar kudu dikurangi, sing nyebabake daya output sing relatif kurang. Kanggo nambah arus sinar, EOS multibeam sing didistribusikake planar wis muncul, sing nggunakake ukuran lateral SWS. Amarga tunneling sinar independen, multi-beam sing didistribusikake planar bisa entuk daya output sing dhuwur kanthi njaga arus sinar total sing dhuwur lan arus cilik saben sinar, sing bisa nyegah tunneling sinar overmode dibandhingake karo piranti sheet-beam. Mulane, migunani kanggo njaga stabilitas tabung gelombang sing lelungan. Adhedhasar karya sadurunge 8,9, Makalah iki ngusulake medan magnet seragam G-band sing fokus ing sinar pensil ganda EOS, sing bisa ningkatake jarak transmisi sinar sing stabil lan luwih nambah area interaksi sinar, saengga ningkatake daya output kanthi signifikan.
Struktur makalah iki kaya ing ngisor iki. Kapisan, desain sel SWS kanthi parameter, analisis karakteristik dispersi, lan asil simulasi frekuensi dhuwur diterangake. Banjur, miturut struktur sel unit, EOS sinar pensil ganda lan sistem interaksi sinar dirancang ing makalah iki. Asil simulasi partikel intraseluler uga diwenehake kanggo verifikasi kegunaan EOS lan kinerja SDV-TWT. Kajaba iku, makalah kasebut kanthi ringkes nampilake asil fabrikasi lan uji adhem kanggo verifikasi kebenaran kabeh HFS. Pungkasan, gawe ringkesan.
Minangka salah sawijining komponen TWT sing paling penting, sifat dispersif saka struktur gelombang alon nuduhake manawa kecepatan elektron cocog karo kecepatan fase SWS, lan kanthi mangkono nduweni pengaruh gedhe marang interaksi sinar-gelombang. Kanggo nambah kinerja kabeh TWT, struktur interaksi sing luwih apik dirancang. Struktur sel unit dituduhake ing Gambar 1. Ngelingi ketidakstabilan sinar lembaran lan watesan daya sinar pena tunggal, struktur kasebut nggunakake sinar pena ganda kanggo luwih ningkatake daya output lan stabilitas operasi. Sauntara kuwi, kanggo nambah bandwidth kerja, mode ganda wis diusulake kanggo operasi SWS. Amarga simetri struktur SDV, solusi persamaan dispersi medan elektromagnetik bisa dipérang dadi mode ganjil lan genap. Ing wektu sing padha, mode ganjil dhasar saka pita frekuensi rendah lan mode genap dhasar saka pita frekuensi dhuwur digunakake kanggo nggayuh sinkronisasi broadband interaksi sinar, saengga luwih ningkatake bandwidth kerja.
Miturut syarat daya, kabeh tabung dirancang nganggo voltase penggerak 20 kV lan arus sinar ganda 2 × 80 mA. Kanggo cocogake voltase kanthi bandwidth operasi SDV-SWS, kita kudu ngetung dawa periode p. Hubungan antarane voltase sinar lan periode dituduhake ing persamaan (1)10:
Kanthi nyetel owah-owahan fase dadi 2,5π ing frekuensi tengah 220 GHz, periode p bisa diitung dadi 0,46 mm. Gambar 2a nuduhake sifat dispersi sel unit SWS. Beamline 20 kV cocog banget karo kurva bimodal. Pita frekuensi sing cocog bisa tekan sekitar 70 GHz ing rentang 210–265,3 GHz (mode ganjil) lan 265,4–280 GHz (mode genap). Gambar 2b nuduhake impedansi kopling rata-rata, sing luwih gedhe tinimbang 0,6 Ω saka 210 nganti 290 GHz, sing nuduhake yen interaksi sing kuwat bisa kedadeyan ing bandwidth operasi.
(a) Karakteristik dispersi SDV-SWS mode ganda kanthi garis berkas elektron 20 kV. (b) Impedansi interaksi sirkuit gelombang alon SDV.
Nanging, penting kanggo dicathet yen ana celah pita antarane mode ganjil lan genap, lan biasane kita nyebutake celah pita iki minangka pita mandheg, kaya sing dituduhake ing Gambar 2a. Yen TWT dioperasikake cedhak pita frekuensi iki, kekuatan kopling sinar sing kuwat bisa kedadeyan, sing bakal nyebabake osilasi sing ora dikarepake. Ing aplikasi praktis, umume kita ngindhari nggunakake TWT cedhak stopband. Nanging, bisa dideleng yen celah pita struktur gelombang alon iki mung 0,1 GHz. Angel nemtokake manawa celah pita cilik iki nyebabake osilasi. Mulane, stabilitas operasi ing sekitar pita mandheg bakal diselidiki ing bagean simulasi PIC ing ngisor iki kanggo nganalisis manawa osilasi sing ora dikarepake bisa kedadeyan.
Model saka kabeh HFS dituduhake ing Gambar 3. Iki kasusun saka rong tahapan SDV-SWS, sing disambungake dening reflektor Bragg. Fungsi reflektor yaiku kanggo motong transmisi sinyal antarane rong tahapan, nyegah osilasi lan refleksi mode sing ora bisa digunakake kayata mode urutan dhuwur sing digawe antarane bilah ndhuwur lan ngisor, saengga ningkatake stabilitas kabeh tabung. Kanggo sambungan menyang lingkungan njaba, coupler tapered linier uga digunakake kanggo nyambungake SWS menyang waveguide standar WR-4. Koefisien transmisi struktur rong tingkat diukur dening pemecah domain wektu ing piranti lunak simulasi 3D. Ngelingi efek nyata saka pita terahertz ing materi, materi amplop vakum wiwitane disetel menyang tembaga, lan konduktivitas dikurangi dadi 2,25 × 107 S / m12.
Gambar 4 nuduhake asil transmisi kanggo HFS nganggo lan tanpa coupler linear tapered. Asil kasebut nuduhake yen coupler nduweni pengaruh cilik marang kinerja transmisi kabeh HFS. Kerugian bali (S11 < − 10 dB) lan kerugian penyisipan (S21 > − 5 dB) saka kabeh sistem ing broadband 207 ~ 280 GHz nuduhake yen HFS nduweni karakteristik transmisi sing apik.
Minangka sumber daya piranti elektronik vakum, bedhil elektron langsung nemtokake manawa piranti kasebut bisa ngasilake daya output sing cukup. Digabungake karo analisis HFS ing Bagian II, EOS dual-beam kudu dirancang kanggo nyedhiyakake daya sing cukup. Ing bagean iki, adhedhasar karya sadurunge ing W-band8,9, bedhil elektron pensil ganda dirancang nggunakake bagean topeng planar lan elektroda kontrol. Kapisan, miturut syarat desain SWS ing Bagian. Kaya sing dituduhake ing Gambar. 2, voltase panggerak Ua saka sinar elektron wiwitane disetel dadi 20 kV, arus I saka rong sinar elektron loro-lorone 80 mA, lan diameter sinar dw saka sinar elektron yaiku 0,13 mm. Ing wektu sing padha, kanggo mesthekake yen kapadhetan arus sinar elektron lan katoda bisa digayuh, rasio kompresi sinar elektron disetel dadi 7, saengga kapadhetan arus sinar elektron yaiku 603 A/cm2, lan kapadhetan arus katoda yaiku 86 A/cm2, sing bisa digayuh kanthi Iki digayuh nggunakake bahan katoda anyar. Miturut teori desain 14, 15, 16, 17, bedhil elektron Pierce khas bisa diidentifikasi kanthi unik.
Gambar 5 nuduhake diagram skematis horisontal lan vertikal bedhil kasebut. Bisa dideleng yen profil bedhil elektron ing arah-x meh padha karo bedhil elektron kaya lembaran khas, dene ing arah-y, rong sinar elektron dipisahake sebagian dening topeng. Posisi rong katoda ana ing x = – 0,155 mm, y = 0 mm lan x = 0,155 mm, y = 0 mm. Miturut syarat desain rasio kompresi lan ukuran injeksi elektron, dimensi rong permukaan katoda ditemtokake dadi 0,91 mm × 0,13 mm.
Kanggo nggawe medan listrik fokus sing ditampa dening saben sinar elektron ing arah-x simetris ing sekitar pusat dhewe, makalah iki ngetrapake elektroda kontrol menyang bedhil elektron. Kanthi nyetel voltase elektroda fokus lan elektroda kontrol dadi −20 kV, lan voltase anoda dadi 0 V, kita bisa entuk distribusi lintasan bedhil sinar ganda, kaya sing dituduhake ing Gambar 6. Bisa dideleng manawa elektron sing dipancarake duwe kompresibilitas sing apik ing arah-y, lan saben sinar elektron konvergen menyang arah-x ing sadawane pusat simetri dhewe, sing nuduhake manawa elektroda kontrol nyeimbangake medan listrik sing ora padha sing diasilake dening elektroda fokus.
Gambar 7 nuduhake amplop sinar ing arah x lan y. Asil kasebut nuduhake yen jarak proyeksi sinar elektron ing arah-x beda karo arah-y. Jarak lemparan ing arah-x kira-kira 4mm, lan jarak lemparan ing arah-y cedhak karo 7mm. Mulane, jarak lemparan sing nyata kudu dipilih antarane 4 lan 7 mm. Gambar 8 nuduhake penampang sinar elektron ing 4,6 mm saka permukaan katoda. Kita bisa ndeleng yen bentuk penampang paling cedhak karo sinar elektron bunder standar. Jarak antarane rong sinar elektron cedhak karo 0,31 mm sing dirancang, lan radius kira-kira 0,13 mm, sing memenuhi syarat desain. Gambar 9 nuduhake asil simulasi arus sinar. Bisa dideleng yen rong arus sinar yaiku 76mA, sing cocog karo 80mA sing dirancang.
Ngelingi fluktuasi voltase penggerak ing aplikasi praktis, perlu disinaoni sensitivitas voltase model iki. Ing kisaran voltase 19,8 ~ 20,6 kV, amplop arus lan sinar dipikolehi, kaya sing dituduhake ing Gambar 1 lan Gambar 1.10 lan 11. Saka asil kasebut, bisa dideleng manawa owah-owahan voltase penggerak ora ana pengaruh ing amplop sinar elektron, lan arus sinar elektron mung owah saka 0,74 nganti 0,78 A. Mulane, bisa dianggep manawa bedhil elektron sing dirancang ing makalah iki duwe sensitivitas sing apik kanggo voltase.
Efek saka fluktuasi voltase sing nyurung ing selubung sinar arah x lan y.
Medan fokus magnetik seragam minangka sistem fokus magnet permanen sing umum. Amarga distribusi medan magnet seragam ing saindenging saluran sinar, iki cocog banget kanggo sinar elektron aksisimetris. Ing bagean iki, sistem fokus magnetik seragam kanggo njaga transmisi jarak jauh saka sinar pensil ganda diusulake. Kanthi nganalisis medan magnet lan amplop sinar sing diasilake, skema desain sistem fokus diusulake, lan masalah sensitivitas disinaoni. Miturut teori transmisi stabil saka sinar pensil tunggal 18,19, nilai medan magnet Brillouin bisa diitung kanthi persamaan (2). Ing makalah iki, kita uga nggunakake padanan iki kanggo ngira medan magnet saka sinar pensil ganda sing disebarake kanthi lateral. Digabungake karo bedhil elektron sing dirancang ing makalah iki, nilai medan magnet sing diitung yaiku udakara 4000 Gs. Miturut Ref. 20, 1,5-2 kali nilai sing diitung biasane dipilih ing desain praktis.
Gambar 12 nuduhake struktur sistem medan fokus medan magnet seragam. Bagean biru yaiku magnet permanen sing dimagnetisasi ing arah aksial. Pilihan bahan yaiku NdFeB utawa FeCoNi. Remanensi Br sing disetel ing model simulasi yaiku 1,3 T lan permeabilitas yaiku 1,05. Kanggo njamin transmisi sinar sing stabil ing kabeh sirkuit, dawa magnet wiwitane disetel dadi 70 mm. Kajaba iku, ukuran magnet ing arah x nemtokake manawa medan magnet transversal ing saluran sinar seragam, sing mbutuhake ukuran ing arah x ora kena cilik banget. Ing wektu sing padha, ngelingi biaya lan bobot kabeh tabung, ukuran magnet ora kena gedhe banget. Mulane, magnet wiwitane disetel dadi 150 mm × 150 mm × 70 mm. Sauntara kuwi, kanggo mesthekake yen kabeh sirkuit gelombang alon bisa diselehake ing sistem fokus, jarak antarane magnet disetel dadi 20mm.
Ing taun 2015, Purna Chandra Panda21 ngusulake potongan kutub kanthi bolongan berundak anyar ing sistem fokus magnetik seragam, sing bisa nyuda gedhene kebocoran fluks menyang katoda lan medan magnet transversal sing diasilake ing bolongan potongan kutub. Ing makalah iki, kita nambahake struktur berundak menyang potongan kutub sistem fokus. Kekandelan potongan kutub wiwitane disetel dadi 1,5mm, dhuwur lan jembar telung undak yaiku 0,5mm, lan jarak antarane bolongan potongan kutub yaiku 2mm, kaya sing dituduhake ing Gambar 13.
Gambar 14a nuduhake distribusi medan magnet aksial ing sadawane garis tengah rong sinar elektron. Bisa dideleng yen gaya medan magnet ing sadawane rong sinar elektron padha. Nilai medan magnet kira-kira 6000 Gs, yaiku 1,5 kali medan Brillouin teoretis kanggo nambah kinerja transmisi lan fokus. Ing wektu sing padha, medan magnet ing katoda meh 0, nuduhake yen potongan kutub duwe efek sing apik kanggo nyegah kebocoran fluks magnet. Gambar 14b nuduhake distribusi medan magnet transversal Ing arah z ing pinggir ndhuwur rong sinar elektron. Bisa dideleng yen medan magnet transversal kurang saka 200 Gs mung ing bolongan potongan kutub, dene ing sirkuit gelombang alon, medan magnet transversal meh nol, sing mbuktekake yen pengaruh medan magnet transversal ing sinar elektron bisa diabaikan. Kanggo nyegah saturasi magnetik potongan kutub, perlu sinau kekuatan medan magnet ing njero potongan kutub. Gambar 14c nuduhake nilai absolut distribusi medan magnet ing njero potongan kutub. Bisa dideleng yen nilai absolut medan magnet Kekuwatan kurang saka 1.2T, nuduhake yen saturasi magnetik saka potongan kutub ora bakal kedadeyan.
Distribusi kekuatan medan magnet kanggo Br = 1.3 T.(a) Distribusi medan aksial.(b) Distribusi medan lateral By ing arah z.(c) Nilai absolut distribusi medan ing njero potongan kutub.
Adhedhasar modul CST PS, posisi relatif aksial bedhil sinar ganda lan sistem fokus dioptimalake. Miturut Ref. 9 lan simulasi, lokasi optimal yaiku ing ngendi potongan anoda tumpang tindih potongan kutub adoh saka magnet. Nanging, ditemokake yen remanensi disetel dadi 1.3T, transmitansi sinar elektron ora bisa tekan 99%. Kanthi nambah remanensi dadi 1.4 T, medan magnet fokus bakal ditambah dadi 6500 Gs. Lintasan sinar ing bidang xoz lan yoz dituduhake ing Gambar 15. Bisa dideleng yen sinar kasebut duwe transmisi sing apik, fluktuasi cilik, lan jarak transmisi luwih saka 45mm.
Lintasan sinar pensil ganda ing sangisore sistem magnetik homogen kanthi Br = 1,4 T.(a) bidang xoz.(b) pesawat yoz.
Gambar 16 nuduhake penampang balok ing posisi sing beda-beda adoh saka katoda. Bisa dideleng manawa wujud penampang balok ing sistem fokus dijaga kanthi apik, lan diameter penampang ora owah akeh. Gambar 17 nuduhake amplop balok ing arah x lan y. Bisa dideleng manawa fluktuasi balok ing loro arah kasebut cilik banget. Gambar 18 nuduhake asil simulasi arus balok. Asil kasebut nuduhake manawa arus kasebut udakara 2 × 80 mA, sing konsisten karo nilai sing diitung ing desain bedhil elektron.
Penampang berkas elektron (kanthi sistem fokus) ing posisi sing beda-beda adoh saka katoda.
Ngelingi sawetara masalah kayata kesalahan perakitan, fluktuasi voltase, lan owah-owahan kekuatan medan magnet ing aplikasi pangolahan praktis, perlu kanggo nganalisis sensitivitas sistem fokus. Amarga ana celah antarane potongan anoda lan potongan kutub ing pangolahan nyata, celah iki kudu disetel ing simulasi. Nilai celah disetel dadi 0,2 mm lan Gambar 19a nuduhake amplop sinar lan arus sinar ing arah y. Asil iki nuduhake yen owah-owahan ing amplop sinar ora signifikan lan arus sinar meh ora owah. Mulane, sistem ora sensitif marang kesalahan perakitan. Kanggo fluktuasi voltase penggerak, rentang kesalahan disetel dadi ±0,5 kV. Gambar 19b nuduhake asil perbandingan. Bisa dideleng yen owah-owahan voltase duwe pengaruh cilik ing amplop sinar. Rentang kesalahan disetel saka -0,02 nganti +0,03 T kanggo owah-owahan kekuatan medan magnet. Asil perbandingan dituduhake ing Gambar 20. Bisa dideleng yen amplop sinar meh ora owah, sing tegese kabeh EOS ora sensitif marang owah-owahan kekuatan medan magnet.
Asil amplop sinar lan arus ing sistem fokus magnetik seragam. (a) Toleransi perakitan yaiku 0,2 mm. (b) Fluktuasi voltase penggerak yaiku ±0,5 kV.
Selubung sinar ing sangisore sistem fokus magnetik seragam kanthi fluktuasi kekuatan medan magnet aksial wiwit saka 0,63 nganti 0,68 T.
Kanggo mesthekake yen sistem fokus sing dirancang ing makalah iki bisa cocog karo HFS, perlu digabungake sistem fokus lan HFS kanggo riset. Gambar 21 nuduhake perbandingan amplop sinar kanthi lan tanpa HFS sing dimuat. Asil kasebut nuduhake yen amplop sinar ora owah akeh nalika kabeh HFS dimuat. Mulane, sistem fokus cocok kanggo HFS tabung gelombang lelungan saka desain ing ndhuwur.
Kanggo verifikasi kebenaran EOS sing diusulake ing Bagian III lan nyelidiki kinerja SDV-TWT 220 GHz, simulasi 3D-PIC saka interaksi gelombang-beam ditindakake. Amarga watesan piranti lunak simulasi, kita ora bisa nambah kabeh EOS menyang HFS. Mulane, bedhil elektron diganti karo permukaan pemancar sing padha kanthi diameter 0,13mm lan jarak antarane rong permukaan 0,31mm, parameter sing padha karo bedhil elektron sing dirancang ing ndhuwur. Amarga ora sensitif lan stabilitas EOS sing apik, voltase penggerak bisa dioptimalake kanthi bener kanggo entuk daya output paling apik ing simulasi PIC. Asil simulasi nuduhake yen daya output jenuh lan gain bisa dipikolehi ing voltase penggerak 20,6 kV, arus beam 2 × 80 mA (603 A/cm2), lan daya input 0,05 W.
Kanggo entuk sinyal output sing paling apik, jumlah siklus uga kudu dioptimalake. Daya output sing paling apik dipikolehi nalika jumlah rong tahapan yaiku 42 + 48 siklus, kaya sing dituduhake ing Gambar 22a. Sinyal input 0,05 W dikuatake dadi 314 W kanthi gain 38 dB. Spektrum daya output sing dipikolehi dening Fast Fourier Transform (FFT) murni, kanthi puncak ing 220 GHz. Gambar 22b nuduhake distribusi posisi aksial energi elektron ing SWS, kanthi sebagian besar elektron kelangan energi. Asil iki nuduhake yen SDV-SWS bisa ngowahi energi kinetik elektron dadi sinyal RF, saengga bisa nggayuh amplifikasi sinyal.
Sinyal output SDV-SWS ing 220 GHz. (a) Daya output nganggo spektrum sing kalebu. (b) Distribusi energi elektron karo sinar elektron ing pungkasan inset SWS.
Gambar 23 nuduhake bandwidth daya output lan gain saka dual-mode dual-beam SDV-TWT. Performa output bisa luwih ditingkatake kanthi nyapu frekuensi saka 200 nganti 275 GHz lan ngoptimalake voltase drive. Asil iki nuduhake yen bandwidth 3-dB bisa nutupi 205 nganti 275 GHz, sing tegese operasi dual-mode bisa ngembangake bandwidth operasi kanthi signifikan.
Nanging, miturut Gambar 2a, kita ngerti manawa ana pita mandheg antarane mode ganjil lan genap, sing bisa nyebabake osilasi sing ora dikarepake. Mulane, stabilitas kerja ing sekitar mandheg kudu disinaoni. Gambar 24a-c minangka asil simulasi 20 ns ing 265,3 GHz, 265,35 GHz, lan 265,4 GHz. Bisa dideleng manawa sanajan asil simulasi duwe sawetara fluktuasi, daya output relatif stabil. Spektrum uga dituduhake ing Gambar 24, spektrum kasebut murni. Asil kasebut nuduhake manawa ora ana osilasi mandiri cedhak pita mandheg.
Fabrikasi lan pangukuran dibutuhake kanggo verifikasi kebenaran kabeh HFS. Ing bagean iki, HFS digawe nggunakake teknologi kontrol numerik komputer (CNC) kanthi diameter alat 0,1 mm lan akurasi mesin 10 μm. Bahan kanggo struktur frekuensi dhuwur diwenehake dening tembaga konduktivitas dhuwur bebas oksigen (OFHC). Gambar 25a nuduhake struktur sing digawe. Kabeh struktur duwe dawa 66,00 mm, jembar 20,00 mm lan dhuwur 8,66 mm. Wolung bolongan pin disebar ing sekitar struktur. Gambar 25b nuduhake struktur kanthi mikroskop elektron pindai (SEM). Bilah struktur iki diprodhuksi kanthi seragam lan duwe kekasaran permukaan sing apik. Sawise pangukuran sing tepat, kesalahan mesin sakabèhé kurang saka 5%, lan kekasaran permukaan udakara 0,4 μm. Struktur mesin memenuhi syarat desain lan presisi.
Gambar 26 nuduhake perbandingan antarane asil tes nyata lan simulasi kinerja transmisi. Port 1 lan Port 2 ing Gambar 26a cocog karo port input lan output HFS, lan padha karo Port 1 lan Port 4 ing Gambar 3. Asil pangukuran nyata S11 rada luwih apik tinimbang asil simulasi. Ing wektu sing padha, asil sing diukur saka S21 rada luwih elek. Alesane bisa uga amarga konduktivitas materi sing disetel ing simulasi dhuwur banget lan kekasaran permukaan sawise mesin nyata kurang apik. Sakabèhé, asil sing diukur cocog karo asil simulasi, lan bandwidth transmisi nyukupi syarat 70 GHz, sing verifikasi kelayakan lan kebenaran dual-mode SDV-TWT sing diusulake. Mulane, digabungake karo proses fabrikasi lan asil tes nyata, desain dual-beam SDV-TWT ultra-broadband sing diusulake ing makalah iki bisa digunakake kanggo fabrikasi lan aplikasi sabanjure.
Ing makalah iki, desain rinci distribusi planar 220 GHz dual-beam SDV-TWT ditampilake. Kombinasi operasi dual-mode lan eksitasi dual-beam luwih nambah bandwidth operasi lan daya output. Fabrikasi lan uji adhem uga ditindakake kanggo verifikasi kebenaran kabeh HFS. Asil pangukuran nyata cocog karo asil simulasi. Kanggo EOS rong beam sing dirancang, bagean topeng lan elektroda kontrol wis digunakake bebarengan kanggo ngasilake sinar rong pensil. Ing sangisore medan magnet fokus seragam sing dirancang, sinar elektron bisa ditularake kanthi stabil ing jarak sing adoh kanthi bentuk sing apik. Ing mangsa ngarep, produksi lan uji coba EOS bakal ditindakake, lan uji termal kabeh TWT uga bakal ditindakake. Skema desain SDV-TWT sing diusulake ing makalah iki nggabungake teknologi pangolahan bidang sing wis diwasa saiki, lan nuduhake potensi gedhe ing indikator kinerja lan pangolahan lan perakitan. Mulane, makalah iki percaya yen struktur planar paling mungkin dadi tren pangembangan piranti elektronik vakum ing pita terahertz.
Sebagéan gedhé data mentah lan model analitis ing panliten iki wis dilebokake ing makalah iki. Informasi sing luwih relevan bisa dipikolehi saka penulis sing cocog miturut panyuwunan sing cukup.
Gamzina, D. et al. Mesin CNC skala nano saka elektronik vakum sub-terahertz. Piranti elektronik IEEE Trans.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. lan Paoloni, C. Mikrofabrikasi UV-LIGA saka pandu gelombang sub-terahertz nggunakake fotoresist SU-8 multilayer.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 Pangiket sing kuwat saka propagasi gelombang plasmonik liwat waveguides.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Kinerja Penguat Tabung Gelombang Perjalanan 220-GHz Mesin Nano CNC. Piranti elektronik IEEE Trans.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Nyelidiki ketidakstabilan diokotron saka sinar elektron lembaran sing amba tanpa wates nggunakake teori model cairan adhem makroskopik. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV babagan kesempatan kanggo nambah bandwidth kanthi tata letak planar saka balok ing klystron multibeam. Ing Konferensi Internasional IEEE kaping 12 babagan Elektronika Vakum, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Desain bedhil elektron telung sinar kanthi distribusi bidang pamisah sinar sempit ing tabung gelombang perjalanan bilah ganda staggered W-band[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 Sistem optik elektron telung sinar terdistribusi planar kanthi pamisahan sinar sempit kanggo mode fundamental W-band TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Riset babagan Tabung Gelombang Keliling Bilah Ganda Interleaved kanthi Balok Lembaran Gelombang Milimeter 20-22 (PhD, Universitas Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Panliten babagan stabilitas interaksi sinar-gelombang saka tabung gelombang perjalanan bilah ganda interleaved G-band. Konferensi Internasional kaping 43 babagan Milimeter Inframerah lan Gelombang Terahertz 2018, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).