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본 논문에서는 220GHz 광대역 고전력 인터리브 이중 블레이드 진행파 튜브를 설계하고 검증하였다. 먼저, 평면 이중 빔 스태거드 이중 블레이드 저속파 구조를 제안하였다. 이중 모드 동작 방식을 사용하여 전송 성능과 대역폭이 단일 모드의 거의 두 배에 달한다. 둘째, 고출력 전력 요구 사항을 충족하고 진행파 튜브의 안정성을 향상시키기 위해 구동 전압은 20~21kV, 전류는 2×80mA인 이중 연필 모양의 전자 광학 시스템을 설계하였다. 설계 목표. 이중 빔 건의 마스크 부분과 제어 전극을 사용하여 두 개의 연필 빔을 압축비 7로 각각의 중심을 따라 집중시킬 수 있으며, 초점 거리는 약 0.18mm로 안정성이 우수하다. 균일 자기 초점 시스템도 최적화하였다. 평면 이중 전자 빔의 안정적인 전송 거리는 45mm에 도달할 수 있으며, 초점 자기장은 0.6T로 전체를 커버하기에 충분하다. 고주파 시스템(HFS).그런 다음 전자-광학 시스템의 사용성과 느린 파동 구조의 성능을 검증하기 위해 입자 셀(PIC) 시뮬레이션도 전체 HFS에서 수행되었습니다.결과에 따르면 빔 상호 작용 시스템은 220GHz에서 약 310W의 최대 출력 전력을 달성할 수 있으며, 최적화된 빔 전압은 20.6kV, 빔 전류는 2 × 80mA, 이득은 38dB, 3dB 대역폭은 약 70GHz에서 35dB를 초과합니다.마지막으로 고정밀 미세 구조 제작을 수행하여 HFS의 성능을 검증했으며, 결과는 대역폭과 전송 특성이 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 보여줍니다.따라서 이 논문에서 제안하는 방식은 미래 응용 분야에 잠재력이 있는 고전력, 초광대역 테라헤르츠 대역 방사선원을 개발할 것으로 기대됩니다.
전통적인 진공 전자소자인 여행파관(TWT)은 고해상도 레이더, 위성 통신 시스템, 우주 탐사1,2,3와 같은 많은 응용 분야에서 대체 불가능한 역할을 합니다.그러나 동작 주파수가 테라헤르츠 대역에 진입하면서 기존의 결합 공동형 TWT와 나선형 TWT는 비교적 낮은 출력 전력, 좁은 대역폭, 어려운 제조 공정으로 인해 사람들의 요구를 충족시킬 수 없었습니다.따라서 THz 대역의 성능을 종합적으로 개선하는 방법은 많은 과학 연구 기관에서 매우 우려되는 문제가 되었습니다.최근 몇 년 동안, SDV(staggered double-blade) 구조 및 FW(folded waveguide) 구조와 같은 새로운 느린 파동 구조(SWS)는 자연스러운 평면 구조로 인해 광범위한 관심을 받았으며, 특히 유망한 잠재력을 가진 새로운 SDV-SWS가 주목을 받았습니다.이 구조는 2008년 UC-Davis에서 제안되었습니다.평면 구조는 CNC(computer numerical control) 및 UV-LIGA와 같은 마이크로나노 가공 기술을 통해 쉽게 제작할 수 있습니다. 전금속 패키지 구조는 더 높은 출력 전력과 이득으로 더 큰 열 용량을 제공할 수 있으며, 도파관과 같은 구조는 또한 더 넓은 작동 대역폭을 제공할 수 있습니다.현재 UC 데이비스는 2017년에 SDV-TWT가 G-대역5에서 100W를 초과하는 고전력 출력과 거의 14GHz 대역폭 신호를 생성할 수 있음을 처음으로 시연했습니다.그러나 이러한 결과는 여전히 테라헤르츠 대역에서 고전력 및 넓은 대역폭의 관련 요구 사항을 충족하지 못하는 격차가 있습니다.UC-데이비스의 G-대역 SDV-TWT의 경우 시트 전자 빔이 사용되었습니다.이 방식은 빔의 전류 전달 용량을 크게 향상시킬 수 있지만 시트 빔 전자 광학 시스템(EOS)의 불안정성으로 인해 긴 전송 거리를 유지하기 어렵고, 빔이 자체적으로 조절될 수 있는 오버모드 빔 터널이 있습니다. – 여기 및 발진 6,7. THz TWT의 높은 출력 전력, 넓은 대역폭 및 우수한 안정성이라는 요구 사항을 충족하기 위해 본 논문에서는 이중 모드 동작을 갖는 이중 빔 SDV-SWS를 제안합니다. 즉, 동작 대역폭을 증가시키기 위해 이중 모드 동작을 제안하고 이 구조에 도입합니다. 또한 출력 전력을 증가시키기 위해 이중 펜슬 빔의 평면 분포도 사용됩니다. 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 분산 다중 빔 EOS가 등장했습니다. 독립적인 빔 터널링으로 인해 평면 분산 다중 빔은 높은 총 빔 전류와 빔당 작은 전류를 유지하여 높은 출력 전력을 달성할 수 있으며, 이는 시트 빔 장치에 비해 과모드 빔 터널링을 방지할 수 있습니다. 따라서 진행파 튜브의 안정성을 유지하는 것이 유익합니다. 이전 연구8,9에 비해 본 논문에서는 G-밴드 균일 자기장 집속 이중 연필 빔 EOS를 제안하는데, 이는 빔의 안정된 전송 거리를 크게 개선하고 빔 상호작용 영역을 더욱 증가시켜 출력 전력을 크게 향상시킬 수 있다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저, 매개변수를 이용한 SWS 셀 설계, 분산 특성 분석 및 고주파 시뮬레이션 결과에 대해 설명한다. 그런 다음, 단위 셀의 구조에 따라 이중 연필 빔 EOS 및 빔 상호작용 시스템을 설계한다. 또한, EOS의 사용성과 SDV-TWT의 성능을 검증하기 위해 세포 내 입자 시뮬레이션 결과도 제시한다. 또한, 본 논문에서는 전체 HFS의 정확성을 검증하기 위해 제작 및 저온 테스트 결과를 간략하게 제시한다. 마지막으로 요약한다.
TWT의 가장 중요한 구성 요소 중 하나인 서파 구조의 분산 특성은 전자 속도가 SWS의 위상 속도와 일치하는지 여부를 나타내며, 이는 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, 이 구조는 출력 전력과 작동 안정성을 더욱 향상시키기 위해 이중 펜 빔을 채택했습니다. 한편, 작동 대역폭을 높이기 위해 SWS 작동을 위한 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 실현하여 작동 대역폭을 더욱 향상시킵니다.
전력 요구 사항에 따라 전체 튜브는 20kV의 구동 전압과 2×80mA의 이중 빔 전류로 설계되었습니다. 전압을 SDV-SWS의 작동 대역폭에 최대한 가깝게 맞추기 위해 주기 p의 길이를 계산해야 합니다. 빔 전압과 주기 간의 관계는 방정식(1)10에 나와 있습니다.
중심 주파수 220GHz에서 위상 편이를 2.5π로 설정하면 주기 p를 0.46mm로 계산할 수 있습니다.그림 2a는 SWS 단위 셀의 분산 특성을 보여줍니다.20kV 빔라인은 이중 모드 곡선과 매우 잘 일치합니다.일치하는 주파수 대역은 210~265.3GHz(홀수 모드)와 265.4~280GHz(짝수 모드) 범위에서 약 70GHz에 도달할 수 있습니다.그림 2b는 평균 결합 임피던스를 보여주는데, 210~290GHz에서 0.6Ω보다 크며, 이는 작동 대역폭에서 강한 상호 작용이 발생할 수 있음을 나타냅니다.
(a) 20 kV 전자빔라인을 갖춘 듀얼모드 SDV-SWS의 분산 특성.(b) SDV 완파회로의 상호 작용 임피던스.
그러나 홀수 모드와 짝수 모드 사이에 밴드 갭이 있다는 것을 알아두는 것이 중요하며, 일반적으로 이 밴드 갭을 그림 2a와 같이 정지 대역이라고 합니다. TWT가 이 주파수 대역 근처에서 작동하면 강한 빔 결합 강도가 발생할 수 있으며, 이는 원치 않는 진동을 유발합니다. 실제 응용 분야에서는 일반적으로 정지 대역 근처에서 TWT를 사용하지 않습니다. 그러나 이 느린 파동 구조의 밴드 갭은 0.1GHz에 불과한 것을 알 수 있습니다. 이 작은 밴드 갭이 진동을 유발하는지 여부를 판단하는 것은 어렵습니다. 따라서 다음 PIC 시뮬레이션 섹션에서 정지 대역 주변에서의 작동 안정성을 조사하여 원치 않는 진동이 발생할 수 있는지 분석합니다.
그림 3은 전체 HFS의 모델을 보여줍니다.브래그 반사기로 연결된 두 단계의 SDV-SWS로 구성됩니다.반사기의 기능은 두 단계 사이의 신호 전달을 차단하고, 상부 및 하부 블레이드 사이에서 생성된 고차 모드와 같은 비작동 모드의 진동 및 반사를 억제하여 전체 튜브의 안정성을 크게 향상시키는 것입니다.외부 환경에 연결하기 위해 선형 테이퍼형 커플러를 사용하여 SWS를 WR-4 표준 도파관에 연결합니다.2단계 구조의 투과 계수는 3D 시뮬레이션 소프트웨어의 시간 영역 솔버로 측정합니다.테라헤르츠 대역이 재료에 미치는 실제 효과를 고려하여 진공 봉투의 재료는 처음에 구리로 설정되고 전도도는 2.25×107 S/m12로 감소합니다.
그림 4는 선형 테이퍼 커플러를 사용한 HFS와 사용하지 않은 HFS의 전송 결과를 보여줍니다. 결과에 따르면 커플러는 전체 HFS의 전송 성능에 거의 영향을 미치지 않습니다. 207~280GHz 광대역에서 전체 시스템의 반사 손실(S11 < − 10 dB)과 삽입 손실(S21 > − 5 dB)은 HFS가 좋은 전송 특성을 가지고 있음을 보여줍니다.
전자총은 진공 전자소자의 전원 공급 장치로서 소자가 충분한 출력 전력을 생성할 수 있는지 여부를 직접적으로 결정합니다. 섹션 II의 HFS 분석과 결합하여 충분한 전력을 제공하도록 듀얼 빔 EOS를 설계해야 합니다. 이 부분에서는 W-대역 8, 9의 이전 작업을 기반으로 평면 마스크 부분과 제어 전극을 사용하여 이중 펜슬 전자총을 설계합니다. 먼저, 섹션 II의 SWS의 설계 요구 사항에 따라. 그림에 표시된 대로. 2, 전자빔의 구동 전압 Ua는 초기에 20 kV로 설정되고, 두 전자빔의 전류 I는 모두 80 mA이며, 전자빔의 빔 직경 dw는 0.13 mm입니다. 동시에 전자빔과 음극의 전류 밀도가 달성될 수 있도록 전자빔의 압축비를 7로 설정하므로 전자빔의 전류 밀도는 603 A/cm2이고 음극의 전류 밀도는 86 A/cm2이며, 이는 새로운 음극 재료를 사용하여 달성할 수 있습니다. 설계 이론 14, 15, 16, 17에 따르면 일반적인 피어스 전자총을 고유하게 식별할 수 있습니다.
그림 5는 각각 총의 수평 및 수직 개략도를 보여줍니다. 전자총의 x 방향 프로파일은 일반적인 시트형 전자총의 프로파일과 거의 동일하지만 y 방향에서는 두 전자빔이 마스크에 의해 부분적으로 분리되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 두 음극의 위치는 각각 x = – 0.155mm, y = 0mm 및 x = 0.155mm, y = 0mm입니다. 압축비와 전자 주입 크기의 설계 요구 사항에 따라 두 음극 표면의 치수는 0.91mm × 0.13mm로 결정되었습니다.
각 전자빔이 x방향으로 받은 집중 전기장을 그 자체의 중심을 기준으로 대칭이 되도록 하기 위해 본 논문에서는 전자총에 제어 전극을 적용한다.집속 전극과 제어 전극의 전압을 -20 kV로 설정하고, 양극의 전압을 0 V로 설정하면 그림 6과 같이 듀얼 빔 총의 궤적 분포를 얻을 수 있다.방출된 전자는 y방향으로 좋은 압축성을 가지고 있으며, 각 전자빔은 자체의 대칭 중심을 따라 x방향으로 수렴하는 것을 볼 수 있다.이는 제어 전극이 집중 전극에 의해 생성된 불균일한 전기장을 균형 있게 조절한다는 것을 나타낸다.
그림 7은 x 및 y 방향의 빔 포락선을 보여줍니다. 결과에 따르면 x 방향의 전자 빔 투사 거리가 y 방향의 투사 거리와 다릅니다. x 방향의 투사 거리는 약 4mm이고 y 방향의 투사 거리는 7mm에 가깝습니다. 따라서 실제 투사 거리는 4~7mm 사이에서 선택해야 합니다. 그림 8은 음극 표면에서 4.6mm 떨어진 전자 빔의 단면을 보여줍니다. 단면의 모양이 표준 원형 전자 빔에 가장 가까운 것을 볼 수 있습니다. 두 전자 빔 사이의 거리는 설계된 0.31mm에 가깝고 반경은 약 0.13mm로 설계 요구 사항을 충족합니다. 그림 9는 빔 전류의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 두 빔 전류가 76mA인 것을 볼 수 있으며, 이는 설계된 80mA와 잘 일치합니다.
실제 응용 분야에서 구동 전압의 변동을 고려할 때 이 모델의 전압 감도를 연구할 필요가 있다. 19.8 ~ 20.6 kV의 전압 범위에서 그림 1과 그림 1.10 및 11에 표시된 것처럼 전류와 빔 전류 포락선이 얻어진다. 결과로부터 구동 ​​전압의 변화가 전자빔 포락선에 영향을 미치지 않고 전자빔 전류는 0.74 ~ 0.78 A까지만 변하는 것을 알 수 있다. 따라서 이 논문에서 설계한 전자총은 전압에 대한 감도가 좋다고 볼 수 있다.
구동 전압 변동이 x 및 y 방향 빔 포락선에 미치는 영향.
균일한 자기 초점 필드는 일반적인 영구 자석 초점 시스템입니다. 빔 채널 전체에 걸쳐 균일한 자기장 분포로 인해 축대칭 전자 빔에 매우 적합합니다. 이 섹션에서는 이중 연필 빔의 장거리 전송을 유지하기 위한 균일한 자기 초점 시스템을 제안합니다. 생성된 자기장과 빔 포락선을 분석하여 초점 시스템의 설계 방식을 제안하고 감도 문제를 연구합니다. 단일 연필 빔의 안정된 전송 이론18,19에 따르면 브릴루앙 자기장 값은 방정식 (2)로 계산할 수 있습니다. 이 논문에서는 이 등가성을 사용하여 측면으로 분포된 이중 연필 빔의 자기장을 추정합니다. 이 논문에서 설계한 전자총과 결합하여 계산된 자기장 값은 약 4000Gs입니다. 참고 문헌 20에 따르면 실제 설계에서는 일반적으로 계산된 값의 1.5-2배가 선택됩니다.
그림 12는 균일한 자기장 초점 필드 시스템의 구조를 보여줍니다. 파란색 부분은 축 방향으로 자화된 영구 자석입니다. 재료는 NdFeB 또는 FeCoNi로 선택되었습니다. 시뮬레이션 모델에 설정된 잔류 자기 Br은 1.3 T이고 투자율은 1.05입니다. 전체 회로에서 빔의 안정적인 전송을 보장하기 위해 자석의 길이는 처음에 70mm로 설정되었습니다. 또한 x 방향의 자석 크기는 빔 채널의 횡 자기장이 균일한지 여부를 결정하므로 x 방향의 크기가 너무 작을 수 없습니다. 동시에 전체 튜브의 비용과 무게를 고려할 때 자석의 크기는 너무 커서는 안 됩니다. 따라서 자석은 처음에 150mm × 150mm × 70mm로 설정되었습니다. 한편, 전체 느린 파동 회로를 초점 시스템에 배치할 수 있도록 자석 사이의 거리는 20mm로 설정되었습니다.
2015년 Purna Chandra Panda21은 균일한 자기 초점 시스템에 새로운 계단형 구멍이 있는 극 조각을 제안했는데, 이를 통해 음극으로의 플럭스 누설 크기와 극 조각 구멍에서 생성되는 횡자기장을 더욱 줄일 수 있습니다. 이 논문에서는 초점 시스템의 극 조각에 계단형 구조를 추가합니다. 극 조각의 두께는 처음에 1.5mm로 설정되었고, 세 개의 계단의 높이와 너비는 0.5mm이며, 극 조각 구멍 사이의 거리는 그림 13에서 볼 수 있듯이 2mm입니다.
그림 14a는 두 전자빔의 중심선을 따라 축 방향 자기장 분포를 보여줍니다. 두 전자빔을 따라 자기장 힘이 동일함을 알 수 있습니다. 자기장 값은 약 6000Gs로, 투과율과 초점 성능을 높이기 위한 이론적인 브릴루앙 자기장의 1.5배입니다. 동시에 음극의 자기장은 거의 0이어서 폴피스가 자속 누설 방지에 좋은 효과가 있음을 나타냅니다. 그림 14b는 두 전자빔의 상단 가장자리에서 z 방향으로 횡자기장 분포 By를 보여줍니다. 횡자기장이 폴피스 구멍에서만 200Gs 미만인 반면, 느린 파동 회로에서는 횡자기장이 거의 0이어서 횡자기장이 전자빔에 미치는 영향이 무시할 수 있음을 증명합니다. 폴피스의 자기 포화를 방지하려면 폴피스 내부의 자기장 세기를 연구해야 합니다. 그림 14c는 자기장 분포의 절대값을 보여줍니다. 극편 내부.자기장 세기의 절대값이 1.2T보다 작은 것을 볼 수 있으며, 이는 극편의 자기포화가 발생하지 않음을 나타냅니다.
Br = 1.3 T에 대한 자기장 강도 분포.(a) 축 방향 자기장 분포.(b) z 방향의 측면 자기장 분포.(c) 극 조각 내의 자기장 분포의 절대값.
CST PS 모듈을 기반으로 듀얼 빔 건과 초점 시스템의 축 방향 상대 위치가 최적화되었습니다.참고 문헌 9와 시뮬레이션에 따르면 최적의 위치는 자석에서 멀어지면서 양극 조각이 극 조각과 겹치는 곳입니다.그러나 잔류 자기장을 1.3T로 설정하면 전자 빔의 투과율이 99%에 도달할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다.잔류 자기장을 1.4T로 높이면 초점 자기장이 6500Gs로 증가합니다.xoz 및 yoz 평면의 빔 궤적은 그림 15에 나와 있습니다.빔의 투과율이 좋고 변동이 작으며 전송 거리가 45mm 이상임을 알 수 있습니다.
Br = 1.4 T인 균질 자기 시스템 하에서 이중 연필 빔의 궤적.(a) xoz 비행기.(b) yoz 항공기.
그림 16은 음극에서 떨어진 다른 위치에서의 빔 단면을 보여줍니다. 초점 시스템에서 빔 단면의 모양이 잘 유지되고 단면 직경이 크게 변하지 않는 것을 볼 수 있습니다. 그림 17은 각각 x 및 y 방향의 빔 포락선을 보여줍니다. 양방향에서 빔의 변동이 매우 작은 것을 볼 수 있습니다. 그림 18은 빔 전류의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 결과에 따르면 전류는 약 2 × 80 mA이며 이는 전자총 설계에서 계산된 값과 일치합니다.
음극으로부터 떨어진 다른 위치에서의 전자빔 단면(초점 시스템 포함).
실제 처리 응용 분야에서 조립 오류, 전압 변동 및 자기장 강도의 변화와 같은 일련의 문제를 고려할 때 초점 시스템의 민감도를 분석할 필요가 있습니다. 실제 처리에서는 양극 조각과 극 조각 사이에 간격이 있기 때문에 이 간격을 시뮬레이션에서 설정해야 합니다. 간격 값은 0.2mm로 설정되었고 그림 19a는 y 방향의 빔 포락선과 빔 전류를 보여줍니다. 이 결과는 빔 포락선의 변화가 크지 않고 빔 전류가 거의 변하지 않음을 보여줍니다. 따라서 시스템은 조립 오류에 민감하지 않습니다. 구동 전압의 변동에 대해 오차 범위는 ±0.5kV로 ​​설정되었습니다. 그림 19b는 비교 결과를 보여줍니다. 전압 변화가 빔 포락선에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있습니다. 오차 범위는 자기장 강도의 변화에 ​​대해 -0.02에서 +0.03T로 설정되었습니다. 비교 결과는 그림 20에 나와 있습니다. 빔 포락선이 거의 변하지 않는 것을 알 수 있으며 이는 전체 EOS가 자기장 강도의 변화에 ​​민감하지 않음을 의미합니다. 전계 강도.
균일한 자기 초점 시스템 하에서의 빔 포락선과 전류 결과.(a) 조립 허용 오차는 0.2mm입니다.(b) 구동 전압 변동은 ±0.5kV입니다.
축 자기장 강도 변동이 0.63~0.68 T 범위인 균일한 자기 초점 시스템 아래의 빔 포락선.
본 논문에서 설계한 초점 시스템이 HFS와 일치하도록 하기 위해서는 연구를 위해 초점 시스템과 HFS를 결합하는 것이 필요하다.그림 21은 HFS가 로드된 경우와 로드되지 않은 경우의 빔 포락선을 비교한 것이다.결과에 따르면, 전체 HFS에 HFS가 로드된 경우 빔 포락선은 크게 변하지 않는다.따라서 초점 시스템은 위 설계의 여행파관 HFS에 적합하다.
섹션 III에서 제안된 EOS의 정확성을 검증하고 220GHz SDV-TWT의 성능을 조사하기 위해 빔-파동 상호 작용의 3D-PIC 시뮬레이션을 수행했습니다.시뮬레이션 소프트웨어의 한계로 인해 전체 EOS를 HFS에 추가할 수 없었습니다.따라서 전자총은 직경이 0.13mm이고 두 표면 사이의 거리가 0.31mm인 동등한 방출 표면으로 교체했습니다.이는 위에서 설계한 전자총과 동일한 매개변수입니다.EOS의 둔감성과 우수한 안정성으로 인해 구동 전압을 적절히 최적화하여 PIC 시뮬레이션에서 최상의 출력 전력을 얻을 수 있습니다.시뮬레이션 결과에 따르면 포화 출력 전력과 이득은 구동 전압이 20.6kV, 빔 전류가 2 × 80mA(603A/cm2), 입력 전력이 0.05W일 때 얻을 수 있습니다.
최상의 출력 신호를 얻으려면 사이클 수도 최적화해야 합니다.그림 22a에서 보듯이 두 단계의 수가 42 + 48 사이클일 때 최상의 출력 전력을 얻습니다.0.05W 입력 신호는 38dB의 이득으로 314W로 증폭됩니다.FFT(고속 푸리에 변환)로 얻은 출력 전력 스펙트럼은 순수하며 220GHz에서 피크를 이룹니다.그림 22b는 대부분의 전자가 에너지를 잃고 있는 SWS의 전자 에너지의 축 방향 위치 분포를 보여줍니다.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 삽입의 끝에서 전자빔이 있는 전자의 에너지 분포.
그림 23은 듀얼 모드 듀얼 빔 SDV-TWT의 출력 전력 대역폭과 이득을 보여줍니다. 주파수를 200~275GHz로 스위핑하고 구동 전압을 최적화하면 출력 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이 결과는 3dB 대역폭이 205~275GHz를 커버할 수 있음을 보여주며, 이는 듀얼 모드 동작으로 동작 대역폭을 크게 넓힐 수 있음을 의미합니다.
그러나 그림 2a에 따르면 홀수 모드와 짝수 모드 사이에 정지 대역이 있어서 원치 않는 진동이 발생할 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 정지 대역 주변의 작업 안정성을 연구할 필요가 있습니다. 그림 24a-c는 각각 265.3GHz, 265.35GHz 및 265.4GHz에서의 20ns 시뮬레이션 결과입니다. 시뮬레이션 결과에 약간의 변동이 있지만 출력 전력은 비교적 안정적임을 알 수 있습니다. 스펙트럼은 각각 그림 24에 표시되어 있으며 순수합니다. 이러한 결과는 정지 대역 근처에 자체 발진이 없음을 나타냅니다.
제작 및 측정은 전체 HFS의 정확성을 검증하는 데 필수적입니다.이 부분에서 HFS는 0.1mm의 공구 직경과 10μm의 가공 정확도를 갖춘 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기술을 사용하여 제작됩니다.고주파 구조의 재료는 무산소 고전도(OFHC) 구리로 제공됩니다.그림 25a는 제작된 구조를 보여줍니다.전체 구조는 길이가 66.00mm, 너비가 20.00mm, 높이가 8.66mm입니다.8개의 핀 구멍이 구조 주위에 분포되어 있습니다.그림 25b는 주사 전자 현미경(SEM)으로 구조를 보여줍니다.이 구조의 블레이드는 균일하게 생산되고 표면 거칠기가 좋습니다.정밀 측정 후 전체 가공 오차는 5% 미만이고 표면 거칠기는 약 0.4μm입니다.가공 구조는 설계 및 정밀도 요구 사항을 충족합니다.
그림 26은 실제 시험 결과와 전송 성능 시뮬레이션을 비교한 것입니다.그림 26a의 포트 1과 포트 2는 각각 HFS의 입력 및 출력 포트에 해당하며 그림 3의 포트 1과 포트 4와 동일합니다.S11의 실제 측정 결과는 시뮬레이션 결과보다 약간 더 좋습니다.동시에 S21의 측정 결과는 약간 더 나쁩니다.그 이유는 시뮬레이션에서 설정된 재료 전도도가 너무 높고 실제 가공 후 표면 거칠기가 좋지 않기 때문일 수 있습니다.전반적으로 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 잘 일치하며 전송 대역폭은 70GHz의 요구 사항을 충족하여 제안된 듀얼 모드 SDV-TWT의 실행 가능성과 정확성을 검증합니다.따라서 실제 제작 공정과 시험 결과와 결합하여 이 논문에서 제안한 초광대역 듀얼 빔 SDV-TWT 설계를 후속 제작 및 응용 분야에 사용할 수 있습니다.
본 논문에서는 평면 분포 220GHz 듀얼 빔 SDV-TWT의 세부적인 설계를 제시합니다. 듀얼 모드 동작과 듀얼 빔 여기의 조합은 동작 대역폭과 출력 전력을 더욱 증가시킵니다. 또한 전체 HFS의 정확성을 검증하기 위해 제작 및 저온 테스트도 수행했습니다. 실제 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다. 설계된 2빔 EOS의 경우 마스크 섹션과 제어 전극을 함께 사용하여 2펜슬 빔을 생성했습니다. 설계된 균일한 초점 자기장 하에서 전자빔은 양호한 모양으로 장거리에 걸쳐 안정적으로 전송될 수 있습니다. 앞으로 EOS의 생산 및 테스트가 수행될 것이며, 전체 TWT의 열 테스트도 수행될 것입니다. 이 논문에서 제안하는 SDV-TWT 설계 방식은 현재의 성숙한 평면 처리 기술을 완전히 결합했으며 성능 지표와 처리 및 조립에서 큰 잠재력을 보여줍니다. 따라서 이 논문에서는 평면 구조가 테라헤르츠 대역에서 진공 전자 소자의 개발 추세가 될 가능성이 가장 높다고 믿습니다.
이 연구에서 사용된 대부분의 원시 데이터와 분석 모델이 이 논문에 포함되었습니다. 합리적인 요청이 있을 경우 해당 저자에게 추가 관련 정보를 얻을 수 있습니다.
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