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본 논문에서는 220GHz 광대역 고출력 인터리브형 이중 블레이드 진행파관을 설계 및 검증하였다. 먼저, 평면형 이중 빔 스태거드 이중 블레이드 슬로우 웨이브 구조를 제안하였다. 이중 모드 동작 방식을 사용하여 전송 성능과 대역폭을 단일 모드에 비해 거의 두 배로 향상시켰다. 둘째, 고출력 요구 사항을 충족하고 진행파관의 안정성을 향상시키기 위해 이중 펜슬형 전자 광학 시스템을 설계하였다. 구동 전압은 20~21kV, 전류는 2 × 80mA이다. 설계 목표는 이중 빔 건의 마스크 부분과 제어 전극을 사용하여 두 개의 펜슬 빔을 각각의 중심을 따라 7의 압축률로 집속하는 것이며, 집속 거리는 약 0.18mm이고 안정성이 우수하다. 균일한 자기 집속 시스템 또한 최적화하였다. 평면형 이중 전자 빔의 안정적인 전송 거리는 45mm에 도달할 수 있으며, 집속 자기장은 0.6T로 전체 고주파 시스템을 충분히 커버할 수 있다. (HFS). 전자광학 시스템의 활용성과 저속파 구조의 성능을 검증하기 위해 전체 HFS에 대해 입자 셀(PIC) 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션 결과, 빔 상호작용 시스템은 220GHz에서 최대 출력 310W에 근접하는 피크 전력을 달성할 수 있으며, 최적화된 빔 전압은 20.6kV, 빔 전류는 2 × 80mA, 이득은 38dB, 3dB 대역폭은 약 70GHz에서 35dB를 초과하는 것으로 나타났습니다. 마지막으로, HFS의 성능을 검증하기 위해 고정밀 미세구조 제작을 수행했으며, 대역폭 및 전송 특성이 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 확인했습니다. 따라서 본 논문에서 제안하는 방식은 향후 응용 가능성이 있는 고출력, 초광대역 테라헤르츠 대역 방사 소스 개발에 기여할 것으로 기대됩니다.
전통적인 진공 전자 소자인 진행파관(TWT)은 고해상도 레이더, 위성 통신 시스템, 우주 탐사 등 다양한 응용 분야에서 필수적인 역할을 수행합니다.^1,2,3 그러나 동작 주파수가 테라헤르츠(THz) 대역으로 진입함에 따라, 기존의 결합 공동 TWT와 나선형 TWT는 상대적으로 낮은 출력, 좁은 대역폭, 그리고 어려운 제조 공정으로 인해 요구를 충족시키지 못하고 있습니다. 따라서 THz 대역의 성능을 종합적으로 향상시키는 방법은 많은 연구 기관에서 매우 중요한 과제가 되었습니다. 최근에는 평면 구조를 특징으로 하는 새로운 저속파 구조(SWS), 특히 잠재력이 큰 SDV-SWS가 주목받고 있습니다. 이 구조는 2008년 UC-Davis에서 제안되었습니다.⁴ 평면 구조는 컴퓨터 수치 제어(CNC) 및 UV-LIGA와 같은 마이크로-나노 가공 기술을 통해 쉽게 제작할 수 있으며, 모든 금속 소재를 사용할 수 있습니다. 패키지 구조는 더 높은 출력과 이득으로 더 큰 열용량을 제공할 수 있으며, 도파관과 유사한 구조는 더 넓은 동작 대역폭을 제공할 수 있습니다. 현재, UC Davis는 2017년에 SDV-TWT를 사용하여 G-밴드5에서 100W 이상의 고출력과 거의 14GHz 대역폭의 신호를 생성할 수 있음을 최초로 시연했습니다. 그러나 이러한 결과는 테라헤르츠 대역에서 고출력과 넓은 대역폭에 대한 관련 요구 사항을 충족하지 못하는 한계를 여전히 가지고 있습니다. UC Davis의 G-밴드 SDV-TWT에는 시트 전자빔이 사용되었습니다. 이 방식은 빔의 전류 전달 용량을 크게 향상시킬 수 있지만, 시트 빔 전자 광학 시스템(EOS)의 불안정성으로 인해 장거리 전송을 유지하기 어렵고, 과모드 빔 터널이 발생하여 빔의 자체 조절을 유발할 수도 있습니다. – 여기 및 발진 6,7. THz TWT의 높은 출력, 넓은 대역폭 및 우수한 안정성 요구 사항을 충족하기 위해 본 논문에서는 이중 모드 동작을 갖는 이중 빔 SDV-SWS를 제안합니다. 즉, 동작 대역폭을 증가시키기 위해 이중 모드 동작을 이 구조에 도입했습니다. 또한 출력 전력을 증가시키기 위해 이중 펜슬 빔의 평면 분포를 사용합니다. 단일 펜슬 빔 라디오는 수직 크기 제약으로 인해 상대적으로 작습니다. 전류 밀도가 너무 높으면 빔 전류를 줄여야 하므로 출력 전력이 상대적으로 낮아집니다. 빔 전류를 개선하기 위해 SWS의 측면 크기를 활용하는 평면 분포 다중 빔 EOS가 등장했습니다. 독립적인 빔 터널링으로 인해 평면 분포 다중 빔은 높은 총 빔 전류와 낮은 빔당 전류를 유지하면서 높은 출력 전력을 달성할 수 있으며, 시트 빔 장치에 비해 오버모드 빔 터널링을 방지할 수 있습니다. 따라서 진행파 튜브의 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 이전 연구를 바탕으로 본 논문에서는 G 대역 균일 자기장 집속 이중 펜슬 빔 EOS를 제안하여 빔의 안정적인 전송 거리를 크게 향상시키고 빔 상호 작용 영역을 더욱 증가시켜 출력 전력을 크게 향상시킬 수 있다고 설명합니다.
본 논문의 구성은 다음과 같습니다. 먼저, SWS 셀 설계, 파라미터, 분산 특성 분석 및 고주파 시뮬레이션 결과를 기술합니다. 다음으로, 단위 셀 구조에 따라 이중 펜슬 빔 EOS와 빔 상호작용 시스템을 설계합니다. 셀 내부 입자 시뮬레이션 결과를 제시하여 EOS의 유용성과 SDV-TWT의 성능을 검증합니다. 또한, 제작 및 저온 테스트 결과를 간략히 제시하여 전체 HFS의 정확성을 검증합니다. 마지막으로, 본 논문의 결론을 제시합니다.
TWT의 가장 중요한 구성 요소 중 하나인 저속파 구조의 분산 특성은 전자 속도가 SWS의 위상 속도와 일치하는지 여부를 나타내며, 따라서 빔-파 상호작용에 큰 영향을 미칩니다. 전체 TWT의 성능을 향상시키기 위해 개선된 상호작용 구조가 설계되었습니다. 단위 셀의 구조는 그림 1에 나와 있습니다. 시트 빔의 불안정성과 단일 펜 빔의 출력 제한을 고려하여 이중 펜 빔 구조를 채택하여 출력과 동작 안정성을 더욱 향상시켰습니다. 또한, 동작 대역폭을 증가시키기 위해 SWS 동작에 이중 모드가 제안되었습니다. SDV 구조의 대칭성으로 인해 전자기장 분산 방정식의 해는 홀수 모드와 짝수 모드로 나눌 수 있습니다. 동시에 저주파 대역의 기본 홀수 모드와 고주파 대역의 기본 짝수 모드를 사용하여 빔 상호작용의 광대역 동기화를 구현함으로써 동작 대역폭을 더욱 향상시켰습니다.
전력 요구 사항에 따라 전체 튜브는 20kV의 구동 전압과 2 × 80mA의 이중 빔 전류로 설계되었습니다. SDV-SWS의 작동 대역폭에 전압을 최대한 가깝게 맞추기 위해 주기 p의 길이를 계산해야 합니다. 빔 전압과 주기 사이의 관계는 식 (1)10에 나와 있습니다.
중심 주파수 220GHz에서 위상 편이를 2.5π로 설정하면 주기 p는 0.46mm로 계산됩니다. 그림 2a는 SWS 단위 셀의 분산 특성을 보여줍니다. 20kV 빔라인은 이중 모드 곡선과 매우 잘 일치합니다. 정합 주파수 대역은 210~265.3GHz(홀수 모드) 및 265.4~280GHz(짝수 모드) 범위에서 약 70GHz에 도달할 수 있습니다. 그림 2b는 평균 결합 임피던스를 보여주는데, 210~290GHz 범위에서 0.6Ω보다 크므로 동작 대역폭 내에서 강한 상호 작용이 발생할 수 있음을 나타냅니다.
(a) 20kV 전자빔라인을 사용하는 이중 모드 SDV-SWS의 분산 특성. (b) SDV 저속파 회로의 상호 작용 임피던스.
하지만 홀수 모드와 짝수 모드 사이에는 대역 간극이 존재하며, 그림 2a에서 보는 바와 같이 이 대역 간극을 일반적으로 정지 대역이라고 합니다. TWT를 이 주파수 대역 근처에서 동작시키면 강한 빔 결합이 발생하여 원치 않는 발진이 일어날 수 있습니다. 실제 응용 분야에서는 일반적으로 정지 대역 근처에서 TWT를 사용하는 것을 피합니다. 그러나 이 저속파 구조의 대역 간극은 0.1GHz에 불과합니다. 이처럼 작은 대역 간극이 발진을 유발하는지 여부를 판단하기는 어렵습니다. 따라서 다음 PIC 시뮬레이션 섹션에서는 정지 대역 주변에서의 동작 안정성을 조사하여 원치 않는 발진이 발생할 수 있는지 분석할 것입니다.
그림 3은 전체 HFS의 모델을 보여줍니다. 이 모델은 브래그 반사기로 연결된 두 단계의 SDV-SWS로 구성됩니다. 반사기의 기능은 두 단계 사이의 신호 전송을 차단하고, 상부 및 하부 블레이드 사이에서 발생하는 고차 모드와 같은 비작동 모드의 발진 및 반사를 억제하여 전체 튜브의 안정성을 크게 향상시키는 것입니다. 외부 환경과의 연결을 위해 선형 테이퍼 커플러를 사용하여 SWS를 WR-4 표준 도파관에 연결합니다. 2단계 구조의 투과 계수는 3D 시뮬레이션 소프트웨어의 시간 영역 솔버를 사용하여 측정합니다. 테라헤르츠 대역이 재료에 미치는 실제 영향을 고려하여 진공 외피의 재료는 초기에는 구리로 설정하고 전도도는 2.25×10⁷ S/m¹²로 감소시켰습니다.
그림 4는 선형 테이퍼형 커플러를 사용했을 때와 사용하지 않았을 때의 HFS 전송 결과를 보여줍니다. 결과는 커플러가 전체 HFS의 전송 성능에 거의 영향을 미치지 않음을 나타냅니다. 207~280GHz 광대역에서 전체 시스템의 반사 손실(S11 < -10dB)과 삽입 손실(S21 > -5dB)은 HFS가 우수한 전송 특성을 가지고 있음을 보여줍니다.
진공 전자 장치의 전원 공급 장치로서 전자총은 장치가 충분한 출력 전력을 생성할 수 있는지 여부를 직접적으로 결정합니다. 2절의 HFS 분석과 결합하여 충분한 전력을 제공하기 위해서는 이중 빔 EOS를 설계해야 합니다. 이 부분에서는 W-밴드에 대한 이전 연구8,9를 기반으로 평면 마스크 부분과 제어 전극을 사용하여 이중 펜슬 전자총을 설계합니다. 먼저, 2절의 SWS 설계 요구 사항에 따라 그림과 같이, 2. 전자빔의 구동 전압 Ua는 초기 20kV로 설정되고, 두 전자빔의 전류 I는 모두 80mA이며, 전자빔의 빔 직경 dw는 0.13mm입니다. 동시에 전자빔과 음극의 전류 밀도를 확보하기 위해 전자빔의 압축비를 7로 설정하여 전자빔의 전류 밀도는 603A/cm2, 음극의 전류 밀도는 86A/cm2가 되도록 합니다. 이는 새로운 음극 재료를 사용하여 달성할 수 있습니다. 설계 이론 14, 15, 16, 17에 따르면, 일반적인 피어스 전자총은 고유하게 식별될 수 있습니다.
그림 5는 전자총의 수평 및 수직 개략도를 각각 보여준다. x축 방향의 전자총 형상은 일반적인 판형 전자총과 거의 동일하지만, y축 방향으로는 두 개의 전자빔이 마스크에 의해 부분적으로 분리되어 있음을 알 수 있다. 두 음극의 위치는 각각 x = – 0.155 mm, y = 0 mm와 x = 0.155 mm, y = 0 mm이다. 압축비와 전자 주입량에 대한 설계 요구 사항에 따라 두 음극 표면의 크기는 0.91 mm × 0.13 mm로 결정되었다.
본 논문에서는 각 전자빔이 x축 방향으로 받는 집속 전기장이 자체 중심을 기준으로 대칭이 되도록 하기 위해 전자총에 제어 전극을 적용했습니다. 집속 전극과 제어 전극의 전압을 -20kV로, 양극의 전압을 0V로 설정했을 때, 그림 6과 같이 이중 빔 전자총의 궤적 분포를 얻을 수 있었습니다. 방출된 전자들은 y축 방향으로 우수한 압축성을 보이며, 각 전자빔은 자체 대칭 중심을 따라 x축 방향으로 수렴하는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 제어 전극이 집속 전극에 의해 발생하는 불균등한 전기장을 상쇄하는 역할을 한다는 것을 나타냅니다.
그림 7은 x축과 y축 방향의 빔 포락선을 보여줍니다. 결과는 전자빔의 x축 방향 투사 거리가 y축 방향 투사 거리와 다르다는 것을 보여줍니다. x축 방향 투사 거리는 약 4mm이고, y축 방향 투사 거리는 약 7mm입니다. 따라서 실제 투사 거리는 4mm에서 7mm 사이로 선택해야 합니다. 그림 8은 음극 표면에서 4.6mm 떨어진 지점에서의 전자빔 단면을 보여줍니다. 단면의 모양이 표준 원형 전자빔에 가장 가깝다는 것을 알 수 있습니다. 두 전자빔 사이의 거리는 설계값인 0.31mm에 가깝고, 반지름은 약 0.13mm로 설계 요구 사항을 충족합니다. 그림 9는 빔 전류 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 두 빔 전류는 모두 76mA로 설계값인 80mA와 잘 일치합니다.
실제 응용 분야에서 구동 전압의 변동을 고려할 때, 본 모델의 전압 감도를 연구하는 것이 필요합니다. 19.8~20.6kV의 전압 범위에서 전류 및 빔 전류의 엔벨로프를 얻었으며, 이는 그림 1과 그림 1.10, 1.11에 나타나 있습니다. 결과에서 알 수 있듯이, 구동 전압의 변화는 전자빔 엔벨로프에 영향을 미치지 않으며, 전자빔 전류는 0.74A에서 0.78A로만 변화합니다. 따라서 본 논문에서 설계한 전자총은 전압에 대한 감도가 우수하다고 할 수 있습니다.
구동 전압 변동이 x축 및 y축 빔 포락선에 미치는 영향.
균일한 자기 집속장은 일반적인 영구 자석 집속 시스템입니다. 빔 채널 전체에 걸쳐 균일한 자기장 분포를 가지므로 축대칭 전자 빔에 매우 적합합니다. 본 절에서는 이중 펜슬 빔의 장거리 전송을 유지하기 위한 균일한 자기 집속 시스템을 제안합니다. 생성된 자기장과 빔 엔벨로프를 분석하여 집속 시스템의 설계 방안을 제시하고 감도 문제를 연구합니다. 단일 펜슬 빔의 안정 전송 이론¹⁸,¹⁹에 따르면 브릴루인 자기장 값은 식 (2)로 계산할 수 있습니다. 본 논문에서는 이 등식을 이용하여 측면으로 분포된 이중 펜슬 빔의 자기장을 추정합니다. 본 논문에서 설계한 전자총과 결합했을 때 계산된 자기장 값은 약 4000 Gs입니다. 참고문헌²⁰에 따르면 실제 설계에서는 계산값의 1.5~2배를 일반적으로 사용합니다.
그림 12는 균일 자기장 집속 시스템의 구조를 보여줍니다. 파란색 부분은 축 방향으로 자화된 영구 자석입니다. 재질은 NdFeB 또는 FeCoNi를 사용했습니다. 시뮬레이션 모델에서 잔류 자화(Br)는 1.3T, 투자율은 1.05로 설정했습니다. 전체 회로에서 빔의 안정적인 전송을 보장하기 위해 자석의 길이는 초기 70mm로 설정했습니다. 또한, x 방향 자석의 크기는 빔 채널 내 횡방향 자기장의 균일성을 결정하므로 x 방향 크기가 너무 작아서는 안 됩니다. 동시에 전체 튜브의 비용과 무게를 고려하여 자석의 크기가 너무 커서도 안 됩니다. 따라서 자석의 초기 크기는 150mm × 150mm × 70mm로 설정했습니다. 한편, 전체 저속파 회로를 집속 시스템 내에 배치할 수 있도록 자석 사이의 거리는 20mm로 설정했습니다.
2015년 Purna Chandra Panda21는 균일한 자기 집속 시스템에서 새로운 계단형 구멍이 있는 폴피스를 제안했는데, 이는 음극으로의 누설 자속의 크기와 폴피스 구멍에서 발생하는 횡방향 자기장의 크기를 더욱 줄일 수 있습니다. 본 논문에서는 집속 시스템의 폴피스에 계단형 구조를 추가했습니다. 폴피스의 두께는 초기 1.5mm로 설정하고, 세 계단의 높이와 너비는 각각 0.5mm이며, 폴피스 구멍 사이의 거리는 2mm로 설정했습니다(그림 13 참조).
그림 14a는 두 전자빔의 중심선을 따라 축 방향 자기장 분포를 보여줍니다. 두 전자빔을 따라 작용하는 자기장의 세기가 동일함을 알 수 있습니다. 자기장 값은 약 6000 Gs로, 이론적인 브릴루앙 자기장의 1.5배에 해당하여 투과 및 집속 성능을 향상시킵니다. 동시에 음극에서의 자기장은 거의 0에 가까워, 극편이 자속 누설 방지에 효과적임을 나타냅니다. 그림 14b는 두 전자빔 상단 가장자리에서 z 방향의 횡방향 자기장 분포를 보여줍니다. 극편 구멍에서만 횡방향 자기장이 200 Gs 미만인 것을 알 수 있으며, 저속파 회로에서는 횡방향 자기장이 거의 0에 가까워 횡방향 자기장이 전자빔에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도로 작음을 증명합니다. 극편의 자기 포화를 방지하기 위해서는 극편 내부의 자기장 세기를 연구해야 합니다. 그림 14c는 극편 내부의 자기장 분포의 절대값을 보여줍니다. 극편의 절대 자기장 세기가 1.2T 미만임을 알 수 있으며, 이는 극편의 자기포화 현상이 발생하지 않음을 나타냅니다.
Br = 1.3 T일 때의 자기장 세기 분포. (a) 축 방향 자기장 분포. (b) z 방향의 횡 방향 자기장 분포. (c) 극편 내부의 자기장 분포의 절댓값.
CST PS 모듈을 기반으로 이중 빔 건과 집속 시스템의 축 방향 상대 위치를 최적화했습니다. 참고문헌 9와 시뮬레이션에 따르면 최적 위치는 양극 부분이 자석에서 멀리 떨어진 극 부분과 겹치는 지점입니다. 그러나 잔류 자기를 1.3T로 설정하면 전자빔의 투과율이 99%에 도달하지 못하는 것으로 나타났습니다. 잔류 자기를 1.4T로 증가시키면 집속 자기장이 6500Gs까지 증가합니다. 그림 15는 xoz 및 yoz 평면에서의 빔 궤적을 보여줍니다. 빔의 투과율이 우수하고 변동이 작으며 전송 거리가 45mm 이상임을 확인할 수 있습니다.
Br = 1.4 T의 균일한 자기 시스템 하에서 이중 펜슬 빔의 궤적. (a) xoz 평면. (b) yoz 항공기.
그림 16은 음극에서 떨어진 여러 위치에서의 빔 단면을 보여줍니다. 집속 시스템 내에서 빔 단면의 형태가 잘 유지되고 단면 직경도 크게 변하지 않는 것을 알 수 있습니다. 그림 17은 각각 x축과 y축 방향의 빔 포락선을 보여줍니다. 두 방향 모두에서 빔의 변동이 매우 작은 것을 확인할 수 있습니다. 그림 18은 빔 전류의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 결과는 전류가 약 2 × 80 mA임을 보여주며, 이는 전자총 설계에서 계산된 값과 일치합니다.
(집속 시스템을 사용한) 전자빔 단면적을 음극으로부터 다양한 위치에서 측정한 결과.
실제 가공 응용 분야에서 조립 오류, 전압 변동, 자기장 세기 변화와 같은 여러 문제를 고려할 때, 집속 시스템의 감도를 분석하는 것이 필수적입니다. 실제 가공에서는 양극과 극편 사이에 간격이 존재하므로, 시뮬레이션에서도 이 간격을 설정해야 합니다. 간격 값을 0.2mm로 설정했을 때, 그림 19a는 y 방향의 빔 엔벨로프와 빔 전류를 보여줍니다. 이 결과는 빔 엔벨로프의 변화가 미미하고 빔 전류의 변화도 거의 없음을 보여줍니다. 따라서 시스템은 조립 오류에 둔감합니다. 구동 전압 변동의 경우, 오차 범위를 ±0.5kV로 ​​설정했습니다. 그림 19b는 비교 결과를 보여줍니다. 전압 변화가 빔 엔벨로프에 미치는 영향이 거의 없음을 알 수 있습니다. 자기장 세기 변화의 경우, 오차 범위를 -0.02T에서 +0.03T까지 설정했습니다. 비교 결과는 그림 20에 나타나 있습니다. 빔 엔벨로프의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있으며, 이는 전체 EOS가 자기장 세기 변화에 둔감함을 의미합니다.
균일한 자기 집속 시스템 하에서의 빔 엔벨로프 및 전류 결과.(a) 조립 공차는 0.2mm입니다.(b) 구동 전압 변동은 ±0.5kV입니다.
축 방향 자기장 세기 변동이 0.63~0.68T 범위인 균일한 자기 집속 시스템 하에서의 빔 포락선.
본 논문에서 설계한 집속 시스템이 HFS와 호환되는지 확인하기 위해, 집속 시스템과 HFS를 결합하여 연구할 필요가 있다. 그림 21은 HFS를 적용했을 때와 적용하지 않았을 때의 빔 엔벨로프를 비교한 것이다. 결과는 HFS 전체를 적용했을 때 빔 엔벨로프가 크게 변하지 않음을 보여준다. 따라서, 본 설계의 집속 시스템은 진행파관 HFS에 적합하다.
3절에서 제안된 EOS의 정확성을 검증하고 220GHz SDV-TWT의 성능을 조사하기 위해 빔-파 상호작용에 대한 3D-PIC 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션 소프트웨어의 한계로 인해 전체 EOS를 HFS에 추가할 수 없었으므로, 전자총을 직경 0.13mm, 양 표면 간 거리 0.31mm의 등가 방출면으로 대체했습니다. 이는 앞서 설계한 전자총과 동일한 매개변수입니다. EOS의 낮은 감도와 우수한 안정성 덕분에 PIC 시뮬레이션에서 최적의 출력 전력을 얻기 위해 구동 전압을 적절히 최적화할 수 있었습니다. 시뮬레이션 결과, 구동 전압 20.6kV, 빔 전류 2 × 80mA(603A/cm²), 입력 전력 0.05W에서 포화 출력 전력과 이득을 얻을 수 있음을 확인했습니다.
최적의 출력 신호를 얻기 위해서는 사이클 수도 최적화해야 합니다. 그림 22a에서 볼 수 있듯이, 2단계 사이클 수가 42 + 48일 때 최적의 출력 전력이 얻어집니다. 0.05W의 입력 신호가 38dB의 이득으로 314W까지 증폭됩니다. 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 얻은 출력 전력 스펙트럼은 220GHz에서 피크를 나타내는 순수한 형태입니다. 그림 22b는 SWS 내 전자 에너지의 축 방향 위치 분포를 보여주는데, 대부분의 전자가 에너지를 잃는 것을 알 수 있습니다. 이 결과는 SDV-SWS가 전자의 운동 에너지를 RF 신호로 변환하여 신호 증폭을 실현할 수 있음을 나타냅니다.
220GHz에서의 SDV-SWS 출력 신호.(a) 스펙트럼을 포함한 출력 전력.(b) SWS 끝부분에 있는 전자 빔의 에너지 분포 (삽입 그림).
그림 23은 듀얼 모드 듀얼 빔 SDV-TWT의 출력 전력 대역폭과 이득을 보여줍니다. 200GHz에서 275GHz까지 주파수를 스위핑하고 구동 전압을 최적화하면 출력 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이 결과는 3dB 대역폭이 205GHz에서 275GHz까지 커버할 수 있음을 보여주며, 이는 듀얼 모드 동작이 동작 대역폭을 크게 확장할 수 있음을 의미합니다.
그러나 그림 2a에 따르면 홀수 모드와 짝수 모드 사이에 정지 대역이 존재하며, 이로 인해 원치 않는 발진이 발생할 수 있습니다. 따라서 정지 대역 주변의 동작 안정성을 연구할 필요가 있습니다. 그림 24a~c는 각각 265.3GHz, 265.35GHz, 265.4GHz에서 20ns 동안의 시뮬레이션 결과입니다. 시뮬레이션 결과에 약간의 변동이 있지만 출력 전력은 비교적 안정적인 것을 확인할 수 있습니다. 그림 24에는 각각의 스펙트럼도 나타나 있으며, 스펙트럼은 깨끗합니다. 이러한 결과는 정지 대역 근처에서 자체 발진이 발생하지 않음을 보여줍니다.
전체 HFS의 정확성을 검증하기 위해서는 제작 및 측정이 필수적입니다. 이 부분에서는 공구 직경 0.1mm, 가공 정밀도 10μm의 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기술을 이용하여 HFS를 제작했습니다. 고주파 구조의 재료로는 무산소 고전도성(OFHC) 구리를 사용했습니다. 그림 25a는 제작된 구조를 보여줍니다. 전체 구조는 길이 66.00mm, 폭 20.00mm, 높이 8.66mm입니다. 구조 주변에는 8개의 핀홀이 분포되어 있습니다. 그림 25b는 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 구조입니다. 이 구조의 블레이드는 균일하게 제작되었으며 표면 조도가 양호합니다. 정밀 측정 결과, 전체 가공 오차는 5% 미만이고 표면 조도는 약 0.4μm입니다. 제작된 구조는 설계 및 정밀도 요구 사항을 충족합니다.
그림 26은 실제 시험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 보여줍니다. 그림 26a의 포트 1과 포트 2는 각각 HFS의 입력 및 출력 포트에 해당하며, 그림 3의 포트 1과 포트 4에 해당합니다. S11의 실제 측정 결과는 시뮬레이션 결과보다 약간 우수합니다. 반면 S21의 측정 결과는 약간 떨어집니다. 이는 시뮬레이션에서 설정한 재료 전도도가 너무 높고 실제 가공 후 표면 조도가 좋지 않기 때문일 수 있습니다. 전반적으로 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 잘 일치하며, 전송 대역폭은 70GHz 요구 사항을 충족하여 제안된 이중 모드 SDV-TWT의 실현 가능성과 정확성을 검증합니다. 따라서 실제 제작 공정 및 시험 결과와 함께, 본 논문에서 제안한 초광대역 이중 빔 SDV-TWT 설계는 향후 제작 및 응용에 활용될 수 있습니다.
본 논문에서는 평면형 220GHz 이중빔 SDV-TWT의 상세 설계를 제시합니다. 이중 모드 동작과 이중빔 여기의 조합은 동작 대역폭과 출력 전력을 더욱 향상시킵니다. 전체 HFS의 정확성을 검증하기 위해 제작 및 저온 테스트도 수행했습니다. 실제 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다. 설계된 이중빔 EOS(전자빔 집속기)에는 마스크 부분과 제어 전극을 함께 사용하여 두 개의 펜슬 빔을 생성합니다. 설계된 균일 집속 자기장 하에서 전자빔은 안정적인 형태로 장거리 전송이 가능합니다. 향후 EOS의 제작 및 테스트와 전체 TWT의 열 테스트를 수행할 예정입니다. 본 논문에서 제안하는 SDV-TWT 설계 방식은 현재 성숙한 평면 가공 기술을 완벽하게 활용하여 성능 지표 및 가공·조립 측면에서 큰 잠재력을 보여줍니다. 따라서 본 논문은 평면 구조가 테라헤르츠 대역 진공 전자 소자의 발전 추세가 될 가능성이 높다고 생각합니다.
본 연구의 대부분의 원자료와 분석 모델은 이 논문에 포함되어 있습니다. 추가적인 관련 정보는 합리적인 요청이 있을 경우 해당 저자에게서 얻을 수 있습니다.
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