Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, ënnerstëtzt CSS limitéiert. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript uweisen.
An dëser Aarbecht gëtt e 220GHz Breitband-Héichleistungs-Verleeë-Duebelblat-Reeswellenröhrchen entworf a verifizéiert. Als éischt gëtt eng planar Duebelstrahl-versetzt Duebelstrahl-Langwellenstruktur virgeschloen. Mat Hëllef vun engem Duebelmodus-Betribsschema sinn d'Transmissiounsleistung an d'Bandbreet bal duebel sou héich wéi bei Eenzelmodus. Zweetens, fir d'Ufuerderunge vun enger héijer Ausgangsleistung ze erfëllen an d'Stabilitéit vum Reeswellenröhrchen ze verbesseren, gëtt en duebelt bleistiftfërmegt elektronescht optescht System entwéckelt, d'Ufuerspannung ass 20~21 kV, an de Stroum ass 2 × 80 mA. Designziler. Mat Hëllef vum Maskendeel an der Kontrollelektrode an der Duebelstrahlkanoun kënnen déi zwee Bleistiftstralen laanscht hir jeeweileg Zentren mat engem Kompressiounsverhältnis vu 7 fokusséiert ginn, d'Fokussdistanz ass ongeféier 0,18 mm, an d'Stabilitéit ass gutt. Dat eenheetlecht Magnéitfokusséierungssystem gouf och optimiséiert. Déi stabil Transmissiounsdistanz vum planaren Duebelelektronenstrahl kann 45 mm erreechen, an d'Fokusséierungsmagnéitfeld ass 0,6 T, wat genuch ass fir dat ganzt Héichfrequenzsystem (HFS) ofzedecken. Dann, fir Fir d'Benotzbarkeet vum elektronesch-optesche System an d'Leeschtung vun der lueser Wellenstruktur ze verifizéieren, goufen och Partikelzell- (PIC) Simulatiounen um gesamten HFS duerchgefouert. D'Resultater weisen, datt de Strahlinteraktiounssystem eng Spëtzeausgangsleistung vu bal 310 W bei 220 GHz erreeche kann, d'optiméiert Strahlspannung 20,6 kV ass, de Strahlstroum 2 × 80 mA ass, de Gewënn 38 dB ass, an d'3-dB Bandbreet iwwerschreit 35 dB bei ongeféier 70 GHz. Schlussendlech gëtt eng héichpräzis Mikrostrukturfabrikatioun duerchgefouert fir d'Leeschtung vum HFS ze verifizéieren, an d'Resultater weisen, datt d'Bandbreet- an d'Transmissiounscharakteristike gutt mat de Simulatiounsresultater iwwereneestëmmen. Dofir gëtt erwaart, datt de Schema, deen an dësem Pabeier virgeschloe gëtt, héichleeschtungsfäeg, ultrabreet Terahertz-Band Stralungsquellen mat Potenzial fir zukünfteg Uwendungen entwéckelt.
Als traditionellt Vakuumelektronescht Gerät spillt de Wanderwellenröhr (TWT) eng onverzichtbar Roll a ville Uwendungen, wéi z. B. Héichopléisende Radar, Satellittekommunikatiounssystemer a Weltraumfuerschung1,2,3. Wéi d'Betribsfrequenz awer an d'Terahertz-Band kënnt, konnten déi traditionell gekoppelt-Kavitéits-TWT an d'spiralfërmeg TWT net méi d'Bedierfnesser vun de Leit erfëllen, wéinst der relativ gerénger Ausgangsleistung, der schmueler Bandbreet an de schwieregen Fabrikatiounsprozesser. Dofir ass d'Fro, wéi d'Leeschtung vum THz-Band ëmfaassend verbessert ka ginn, zu engem ganz besuergte Thema fir vill wëssenschaftlech Fuerschungsinstituter ginn. An de leschte Joren hunn nei lueswellestrukturen (SWSs), wéi z. B. gestaffelt Duebelblatstrukturen (SDV) a gefalte Wellenleiterstrukturen (FW), wéinst hiren natierleche planare Strukturen extensiv Opmierksamkeet kritt, besonnesch déi nei SDV-SWSs mat villverspriechendem Potenzial. Dës Struktur gouf 2008 vum UC-Davis virgeschloen4. Déi planar Struktur kann einfach duerch Mikro-Nano-Veraarbechtungstechniken wéi Computernumeresch Kontroll (CNC) an UV-LIGA hiergestallt ginn, an d'Gesamtmetall-Packagestruktur kann eng méi grouss thermesch Kapazitéit mat enger méi héijer Leeschtung ubidden. Leeschtung a Verstärkung, an déi wellenleiterähnlech Struktur kann och eng méi breet Aarbechtsbandbreet ubidden. Aktuell huet d'UC Davis fir d'éischt Kéier am Joer 2017 demonstréiert, datt den SDV-TWT héich Leeschtungsausgäng vu méi wéi 100 W a bal 14 GHz Bandbreetsignaler am G-Band5 generéiere kann. Dës Resultater hunn awer ëmmer nach Lücken, déi d'Ufuerderunge vun héijer Leeschtung a breeder Bandbreet am Terahertzband net erfëllen kënnen. Fir den UC-Davis G-Band SDV-TWT goufen Elektronestrale aus Blatform benotzt. Och wann dëst Schema d'Stroumdroekapazitéit vum Stral däitlech verbessere kann, ass et schwéier eng laang Iwwerdroungsdistanz ze halen wéinst der Instabilitéit vum Elektronenoptiksystem (EOS) vum Blatform, an et gëtt en Iwwermodus-Strahltunnel, wat och dozou féiere kann, datt de Stral sech selwer reguléiert. – Anregung an Oszillatioun 6,7. Fir d'Ufuerderunge vun héijer Ausgangsleistung, breeder Bandbreet a gudder Stabilitéit vun THz TWT ze erfëllen, gëtt an dësem Pabeier en Dual-Beam SDV-SWS mat Dual-Modus-Betrib virgeschloen. Dat heescht, fir d'Betribsbandbreet ze erhéijen, gëtt Dual-Modus-Betrib an dëser Struktur virgeschloen an agefouert. An, fir d'Ausgangsleistung ze erhéijen, gëtt och eng planar Verdeelung vun Duebelbleistiftstrahlen benotzt. Eenzelbleistiftstrahlradioe si relativ kleng wéinst vertikale Gréisstbeschränkungen. Wann d'Stroumdicht ze héich ass, muss de Strahlstroum reduzéiert ginn, wat zu enger relativ niddreger Ausgangsleistung féiert. Fir de Strahlstroum ze verbesseren, ass planar verdeelt Multibeam EOS entstanen, déi d'lateral Gréisst vum SWS ausnotzt. Wéinst dem onofhängege Strahltunnel kann de planar verdeelte Multibeam eng héich Ausgangsleistung erreechen andeems en en héije Gesamtstrahlstroum an e klenge Stroum pro Strahl erhale bleift, wat Overmode-Strahltunnel am Verglach mat Sheet-Beam-Geräter vermeide kann. Dofir ass et virdeelhaft d'Stabilitéit vum Reeswellenröhrchen z'erhalen. Op Basis vun der fréierer Aarbecht8,9 proposéiert dëse Pabeier e G-Band eenheetleche Magnéitfeld-fokusséierenden Duebelbleistiftstrahl EOS, wat d'stabil Transmissiounsdistanz vum Stral däitlech verbessere kann an d'Interaktiounsfläch vum Stral weider vergréissere kann, wouduerch d'Ausgangsleistung däitlech verbessert gëtt.
D'Struktur vun dësem Pabeier ass wéi follegt. Als éischt gëtt den Design vun der SWS-Zell mat Parameteren, der Analyse vun der Dispersiounscharakteristik an de Resultater vun der Héichfrequenzsimulatioun beschriwwen. Duerno ginn, no der Struktur vun der Eenheetszell, en Duebelbleistiftstrahl-EOS an e Strahlinteraktiounssystem an dësem Pabeier entwéckelt. D'Resultater vun der intrazellulärer Partikelsimulatioun ginn och presentéiert fir d'Benotzbarkeet vun EOS an d'Leeschtung vun SDV-TWT ze verifizéieren. Zousätzlech presentéiert den Pabeier kuerz d'Fabrikatiouns- an d'Kalttestresultater fir d'Korrektheet vum gesamten HFS ze verifizéieren. Schlussendlech gëtt eng Zesummefassung gemaach.
Als ee vun de wichtegste Komponente vum TWT weisen d'Dispersiounseigenschaften vun der Lueswellestruktur un, ob d'Elektronegeschwindegkeet mat der Phasgeschwindegkeet vum SWS iwwereneestëmmt, an hunn doduerch e groussen Afloss op d'Stral-Welle-Interaktioun. Fir d'Leeschtung vum ganze TWT ze verbesseren, gouf eng verbessert Interaktiounsstruktur entwéckelt. D'Struktur vun der Eenheetszell ass an der Figur 1 gewisen. Ënner Berécksiichtegung vun der Instabilitéit vum Blechstral an der Leeschtungsbegrenzung vum eenzege Penstral adoptéiert d'Struktur en duebele Penstral fir d'Ausgangsleistung an d'Operatiounsstabilitéit weider ze verbesseren. Fir d'Aarbechtsbandbreet ze erhéijen, gouf en Duebelmodus fir de SWS-Betrib virgeschloen. Wéinst der Symmetrie vun der SDV-Struktur kann d'Léisung vun der elektromagnetescher Felddispersiounsgläichung an ongerued an egal Modi opgedeelt ginn. Gläichzäiteg ginn de fundamentale ongeruede Modus vum Nidderfrequenzband an de fundamentale egal Modus vum Héichfrequenzband benotzt fir d'Breitbandsynchroniséierung vun der Strahlinteraktioun ze realiséieren, wouduerch d'Aarbechtsbandbreet weider verbessert gëtt.
Geméiss den Energiebedarf ass dat ganzt Rouer mat enger Undriffsspannung vun 20 kV an engem Duebelstrahlstroum vun 2 × 80 mA entworf. Fir d'Spannung sou no wéi méiglech un d'Betribsbandbreet vum SDV-SWS unzepassen, musse mir d'Längt vun der Period p berechnen. D'Bezéiung tëscht Strahlspannung a Period gëtt an der Equatioun (1)10 gewisen:
Wann d'Phasenverschiebung op 2,5π bei der Mëttelfrequenz vun 220 GHz agestallt gëtt, kann d'Period p op 0,46 mm berechent ginn. Figur 2a weist d'Dispersiounseigenschaften vun der SWS-Eenheetszell. D'20 kV-Strahllinn passt ganz gutt mat der bimodaler Kurve iwwereneen. Iwwereneestëmmend Frequenzbänner kënnen ongeféier 70 GHz am Beräich vun 210–265,3 GHz (ongerueden Modus) an 265,4–280 GHz (Geräumsmodus) erreechen. Figur 2b weist déi duerchschnëttlech Kopplungsimpedanz, déi méi grouss wéi 0,6 Ω vun 210 bis 290 GHz ass, wat drop hiweist, datt staark Interaktiounen an der Betribsbandbreet optriede kënnen.
(a) Dispersiounscharakteristike vun engem Dual-Mode SDV-SWS mat enger 20 kV Elektronestrahlleitung. (b) Interaktiounsimpedanz vum SDV-Langwellekrees.
Et ass awer wichteg ze bemierken, datt et eng Bandlück tëscht dem ongeruedenen an dem egalen Modus gëtt, an dës Bandlück bezeechne mir normalerweis als Stopband, wéi an der Figur 2a gewisen. Wann den TWT no bei dësem Frequenzband bedriwwe gëtt, kann eng staark Strahlkopplungsstäerkt optrieden, wat zu ongewollten Schwéngunge féiert. A prakteschen Uwendungen vermeiden mir normalerweis d'Benotzung vun TWT no beim Stopband. Et kann awer gesi ginn, datt d'Bandlück vun dëser lueser Wellenstruktur nëmmen 0,1 GHz ass. Et ass schwéier ze bestëmmen, ob dës kleng Bandlück Schwéngunge verursaacht. Dofir gëtt d'Stabilitéit vum Betrib ronderëm de Stopband an der folgender PIC-Simulatiounssektioun ënnersicht, fir ze analyséieren, ob ongewollt Schwéngunge kënne optrieden.
De Modell vum gesamten HFS gëtt an der Figur 3 gewisen. Et besteet aus zwou Stufe vun SDV-SWS, déi duerch Bragg-Reflektoren verbonne sinn. D'Funktioun vum Reflektor ass et, d'Signaltransmissioun tëscht den zwou Stufe ofzeschneiden, d'Schwéngungen an d'Reflexioun vun net-funktionnelle Modi wéi z. B. héichuerdnungsmodi, déi tëscht den ieweschten an ënneschte Blieder generéiert ginn, z'ënnerdrécken, wouduerch d'Stabilitéit vum ganze Rouer däitlech verbessert gëtt. Fir d'Verbindung mat der externer Ëmwelt gëtt och e lineare konische Koppler benotzt fir den SWS mat engem WR-4 Standard-Wellenleiter ze verbannen. Den Transmissiounskoeffizient vun der zwee-Niveau-Struktur gëtt vun engem Zäitdomän-Léiser an der 3D-Simulatiounssoftware gemooss. Ënner Berécksiichtegung vum tatsächlechen Effekt vum Terahertzband um Material gëtt d'Material vun der Vakuumhüll ufanks op Koffer gesat, an d'Konduktivitéit gëtt op 2,25 × 107 S/m12 reduzéiert.
Figur 4 weist d'Transmissiounsresultater fir HFS mat an ouni linear konisch Koppler. D'Resultater weisen, datt de Koppler wéineg Afloss op d'Transmissiounsleistung vum gesamten HFS huet. De Réckgangsverloscht (S11 < −10 dB) an den Insertion-Verloscht (S21 > −5 dB) vum ganze System am 207~280 GHz Breitband weisen, datt HFS gutt Transmissiounseigenschaften huet.
Als Stroumversuergung vun elektroneschen Apparater am Vakuum bestëmmt d'Elektronekanoun direkt, ob den Apparat genuch Ausgangsleistung generéiere kann. Kombinéiert mat der Analyse vun HFS an der Sektioun II, muss en Duebelstrahl-EOS entwéckelt ginn, fir genuch Leeschtung ze liwweren. An dësem Deel, baséiert op fréierer Aarbecht am W-Band8,9, gëtt en Duebelbleistift-Elektronekanoun mat engem planare Maskendeel an Kontrollelektroden entworf. Als éischt, no den Designufuerderunge vum SWS an der Sektioun. Wéi an der FIG. gewisen. 2, d'Undriffsspannung Ua vun den Elektronestralen ass ufanks op 20 kV agestallt, d'Stréim I vun den zwee Elektronestralen sinn allebéid 80 mA, an den Duerchmiesser dw vun den Elektronestralen ass 0,13 mm. Gläichzäiteg, fir sécherzestellen, datt d'Stroumdicht vum Elektronestral an der Kathod erreecht ka ginn, gëtt d'Kompressiounsverhältnis vum Elektronestral op 7 agestallt, sou datt d'Stroumdicht vum Elektronestral 603 A/cm2 an d'Stroumdicht vun der Kathod 86 A/cm2 ass, wat erreecht ka ginn duerch Dëst gëtt mat neie Kathodematerialien erreecht. Geméiss der Designtheorie 14, 15, 16, 17 kann eng typesch Pierce-Elektronekanoun eendeiteg identifizéiert ginn.
Figur 5 weist déi horizontal respektiv vertikal schematesch Diagrammer vun der Kanoun. Et ass ze gesinn, datt de Profil vun der Elektronekanoun an der x-Richtung bal identesch mat deem vun enger typescher blatfërmeger Elektronekanoun ass, während an der y-Richtung déi zwee Elektronestrale deelweis duerch d'Mask getrennt sinn. D'Positioune vun den zwou Kathoden sinn bei x = – 0,155 mm, y = 0 mm an x ​​= 0,155 mm, y = 0 mm. Geméiss den Designufuerderunge vum Kompressiounsverhältnis an der Elektroneinjektiounsgréisst sinn d'Dimensioune vun den zwou Kathodenuewerflächen op 0,91 mm × 0,13 mm festgeluecht.
Fir dat fokusséiert elektrescht Feld, dat vun all Elektronestrahl an der x-Richtung empfaange gëtt, symmetresch ëm säin eegenen Zentrum ze maachen, gëtt an dësem Artikel eng Kontrollelektrode op d'Elektronekanoun applizéiert. Wann d'Spannung vun der Fokusséierungselektrode an der Kontrollelektrode op −20 kV an d'Spannung vun der Anode op 0 V agestallt gëtt, kënne mir d'Trajektorieverdeelung vun der Duebelstrahlkanoun kréien, wéi an der Fig. 6 gewisen. Et ass ze gesinn, datt déi emittéiert Elektronen eng gutt Kompressibilitéit an der y-Richtung hunn, an all Elektronestrahl konvergéiert a Richtung x-Richtung laanscht säin eegenen Symmetriezentrum, wat drop hiweist, datt d'Kontrollelektrode dat ongläicht elektrescht Feld ausbalancéiert, dat vun der Fokusséierungselektrode generéiert gëtt.
Figur 7 weist d'Stralenhüll an den x- an y-Richtungen. D'Resultater weisen, datt d'Projektiounsdistanz vum Elektronestral an der x-Richtung anescht ass wéi déi an der y-Richtung. D'Wurfdistanz an der x-Richtung ass ongeféier 4 mm, an d'Wurfdistanz an der y-Richtung ass no bei 7 mm. Dofir soll déi tatsächlech Wurfdistanz tëscht 4 a 7 mm gewielt ginn. Figur 8 weist de Querschnitt vum Elektronestral op 4,6 mm vun der Kathoduewerfläch. Mir kënne gesinn, datt d'Form vum Querschnitt am nootste bei engem Standardkreeslafelektronestral ass. Den Ofstand tëscht den zwee Elektronestralen ass no bei den entworfenen 0,31 mm, an de Radius ass ongeféier 0,13 mm, wat den Designufuerderunge erfëllt. Figur 9 weist d'Simulatiounsresultater vum Stralstroum. Et ass ze gesinn, datt déi zwee Stralstréim 76 mA sinn, wat gutt mat den entworfenen 80 mA iwwereneestëmmt.
Wann een d'Schwankunge vun der Undriffsspannung a prakteschen Uwendungen berécksiichtegt, ass et néideg, d'Spannungsempfindlechkeet vun dësem Modell ze studéieren. Am Spannungsberäich vun 19,8 ~ 20,6 kV ginn d'Stroum- an d'Stralstroumhüllen kritt, wéi an der Figur 1 an an der Figur 1.10 an 11 gewisen. Aus de Resultater kann een erkennen, datt d'Ännerung vun der Undriffsspannung keen Afloss op d'Elektronestrahlhüll huet, an den Elektronestrahlstroum ännert sech nëmme vun 0,74 op 0,78 A. Dofir kann een dovun ausgoen, datt d'Elektronekanoun, déi an dëser Aarbecht entworf gouf, eng gutt Spannungsempfindlechkeet huet.
Den Effekt vun den Undriffsspannungsschwankungen op d'Strahlhüllen an x- an y-Richtung.
E gläichméissegt Magnéitfokusséierungsfeld ass e gängegt permanent Magnéitfokusséierungssystem. Wéinst der gläichméisseger Magnéitfeldverdeelung am ganze Stralkanal ass et ganz gëeegent fir axialsymmetresch Elektronestralen. An dëser Sektioun gëtt e gläichméissegt Magnéitfokusséierungssystem fir d'Erhalen vun der Langstreckentransmissioun vun Duebelbleistiftstralen proposéiert. Duerch d'Analyse vum generéierte Magnéitfeld an der Stralhüll gëtt den Designschema vum Fokusséierungssystem proposéiert, an de Sensibilitéitsproblem gëtt ënnersicht. No der stabiler Transmissiounstheorie vun engem eenzege Bleistiftstral18,19 kann de Brillouin-Magnéitfeldwäert mat der Equatioun (2) berechent ginn. An dëser Aarbecht benotze mir dës Äquivalenz och fir d'Magnéitfeld vun engem lateral verdeelten Duebelbleistiftstral ze schätzen. Kombinéiert mat der Elektronekanoun, déi an dëser Aarbecht entworf gouf, ass de berechent Magnéitfeldwäert ongeféier 4000 Gs. Laut Ref. 20 gëtt normalerweis 1,5-2 Mol de berechent Wäert a prakteschen Designen gewielt.
Figur 12 weist d'Struktur vun engem gläichméissege Magnéitfeldfokusséierungssystem. Den bloen Deel ass de permanente Magnet, deen an axialer Richtung magnetiséiert ass. D'Materialauswiel ass NdFeB oder FeCoNi. D'Remanenz Br, déi am Simulatiounsmodell festgeluecht ass, ass 1,3 T an d'Permeabilitéit ass 1,05. Fir déi stabil Transmissioun vum Stral am ganze Circuit ze garantéieren, gëtt d'Längt vum Magnet ufanks op 70 mm festgeluecht. Zousätzlech bestëmmt d'Gréisst vum Magnet an der x-Richtung, ob dat transversalt Magnéitfeld am Stralkanal gläichméisseg ass, wat verlaangt, datt d'Gréisst an der x-Richtung net ze kleng ass. Gläichzäiteg, wann een d'Käschten an d'Gewiicht vum ganze Rouer berécksiichtegt, däerf d'Gréisst vum Magnet net ze grouss sinn. Dofir ginn d'Magnete ufanks op 150 mm × 150 mm × 70 mm festgeluecht. Fir sécherzestellen, datt de ganze lueswellege Circuit am Fokuséierungssystem placéiert ka ginn, gëtt den Ofstand tëscht de Magnete op 20 mm festgeluecht.
Am Joer 2015 huet de Purna Chandra Panda21 e Polstéck mat engem neie gestuppelte Lach an engem eenheetleche magnéitesche Fokuséierungssystem virgeschloen, wat d'Gréisst vum Fluxleckage un d'Kathode an dat transversalt Magnéitfeld, dat um Polstécklach generéiert gëtt, weider reduzéiere kann. An dëser Aarbecht füüge mir eng gestuppelte Struktur zum Polstéck vum Fokuséierungssystem bäi. D'Déckt vum Polstéck ass ufanks op 1,5 mm festgeluecht, d'Héicht an d'Breet vun den dräi Stufen sinn 0,5 mm, an den Ofstand tëscht de Polstécklächer ass 2 mm, wéi an der Figur 13 gewisen.
Figur 14a weist d'axial Magnéitfeldverdeelung laanscht d'Mëttellinne vun den zwee Elektronestralen. Et ass ze gesinn, datt d'Magnéitfeldkräfte laanscht déi zwee Elektronestralen gläich sinn. De Magnéitfeldwäert ass ongeféier 6000 Gs, wat 1,5 Mol méi héich ass wéi dat theoretescht Brillouin-Feld, fir d'Transmissiouns- a Fokuséierungsleistung ze erhéijen. Gläichzäiteg ass d'Magnéitfeld un der Kathod bal 0, wat beweist, datt de Polstéck e gudden Effekt op d'Verhënnerung vu Magnéitflussleckage huet. Figur 14b weist d'transversal Magnéitfeldverdeelung By an der z-Richtung um ieweschte Rand vun den zwee Elektronestralen. Et ass ze gesinn, datt d'transversal Magnéitfeld nëmmen um Polstécklach manner wéi 200 Gs ass, während am Lueswellekrees d'transversal Magnéitfeld bal null ass, wat beweist, datt den Afloss vum transversale Magnéitfeld op den Elektronestral vernoléissegbar ass. Fir d'Magnéitsättigung vun de Polstécker ze vermeiden, ass et néideg d'Magnéitfeldstäerkt an de Polstécker ze studéieren. Figur 14c weist den Absolutwäert vun der Magnéitfeldverdeelung an de Polstécker. Et ass ze gesinn, datt den Absolutwäert vun der Magnéitfeldstäerkt ass manner wéi 1,2T, wat beweist datt d'magnetesch Sättigung vum Polstéck net optriede wäert.
Verdeelung vun der Magnéitfeldstäerkt fir Br = 1,3 T. (a) Axial Feldverdeelung. (b) Lateral Feldverdeelung By an der z-Richtung. (c) Absolutwäert vun der Feldverdeelung am Polstéck.
Baséierend op dem CST PS Modul ass déi axial relativ Positioun vun der Duebelstrahlkanoun an dem Fokuséierungssystem optimiséiert. Laut Ref. 9 a Simulatiounen ass déi optimal Plaz wou d'Anodestéck d'Polstéck ewech vum Magnet iwwerlappt. Et gouf awer festgestallt, datt wann d'Remanenz op 1,3 T agestallt gouf, d'Transmittanz vum Elektronestrahl net 99% erreeche konnt. Duerch d'Erhéijung vun der Remanenz op 1,4 T gëtt dat fokusséierend Magnéitfeld op 6500 Gs erhéicht. D'Stralbunnen op den xoz- an yoz-Ebenen sinn an der Figur 15 gewisen. Et ass ze gesinn, datt de Stral eng gutt Transmissioun, kleng Schwankungen an eng Transmissiounsdistanz vu méi wéi 45 mm huet.
Trajektorien vun duebele Bleistiftstralen ënner engem homogenen Magnéitsystem mat Br = 1,4 T. (a) xoz Fliger. (b) yoz Fliger.
Figur 16 weist de Querschnitt vum Stral op verschiddene Positiounen ewech vun der Kathod. Et ass ze gesinn, datt d'Form vum Stralsektioun am Fokuséierungssystem gutt erhale bleift, an den Duerchmiesser vum Sektioun sech net vill ännert. Figur 17 weist d'Strahlhüllen an der x- respektiv y-Richtung. Et ass ze gesinn, datt d'Schwankung vum Stral a béide Richtungen ganz kleng ass. Figur 18 weist d'Simulatiounsresultater vum Stralstroum. D'Resultater weisen, datt de Stroum ongeféier 2 × 80 mA ass, wat mam berechente Wäert am Elektronekanounendesign iwwereneestëmmt.
Elektronestrahlquerschnitt (mat Fokuséierungssystem) op verschiddene Positiounen ewech vun der Kathod.
Wann een eng Rei vu Problemer wéi Montagefeeler, Spannungsschwankungen a Verännerungen an der Magnéitfeldstäerkt a praktesche Veraarbechtungsapplikatioune berécksiichtegt, ass et néideg, d'Sensibilitéit vum Fokuséierungssystem z'analyséieren. Well et an der tatsächlecher Veraarbechtung eng Spalt tëscht dem Anodestéck an dem Polstéck gëtt, muss dës Spalt an der Simulatioun agestallt ginn. De Spaltwäert gouf op 0,2 mm agestallt an d'Figur 19a weist d'Stralenhülle an de Stralstroum an der y-Richtung. Dëst Resultat weist, datt d'Ännerung vun der Stralenhülle net bedeitend ass an de Stralstroum sech kaum ännert. Dofir ass de System net empfindlech fir Montagefeeler. Fir d'Schwankung vun der Undriffsspannung ass de Feelerberäich op ±0,5 kV agestallt. D'Figur 19b weist d'Vergläichsresultater. Et ass ze gesinn, datt d'Spannungsännerung wéineg Afloss op d'Stralenhülle huet. De Feelerberäich ass vun -0,02 bis +0,03 T fir Verännerungen an der Magnéitfeldstäerkt agestallt. D'Vergläichsresultater sinn an der Figur 20 gewisen. Et ass ze gesinn, datt d'Stralenhülle sech kaum ännert, wat bedeit, datt den ganzen EOS net empfindlech fir Verännerungen an der Magnéitfeldstäerkt ass.
D'Resultater vun der Stralhülle an dem Stroum ënner engem eenheetleche Magnéitfokuséierungssystem. (a) D'Toleranz vun der Montage ass 0,2 mm. (b) D'Schwankung vun der Undriffsspannung ass ±0,5 kV.
Stralhülle ënner engem uniforme magnetesche Fokuséierungssystem mat axialen Magnéitfeldstäerktschwankungen tëscht 0,63 an 0,68 T.
Fir sécherzestellen, datt de Fokussystem, deen an dësem Pabeier entworf ass, mat HFS iwwereneestëmme kann, ass et néideg, de Fokussystem an den HFS fir d'Fuerschung ze kombinéieren. Figur 21 weist e Verglach vu Strahlenhüllen mat an ouni HFS gelueden. D'Resultater weisen, datt d'Stralenhüll sech net vill ännert, wann den ganzen HFS gelueden ass. Dofir ass de Fokussystem gëeegent fir den HFS mat Wanderwellenröhr vum uewe genannten Design.
Fir d'Korrektheet vum EOS, deen an der Sektioun III virgeschloe gouf, ze verifizéieren an d'Leeschtung vum 220 GHz SDV-TWT z'ënnersichen, gëtt eng 3D-PIC-Simulatioun vun der Strahl-Wellen-Interaktioun duerchgefouert. Wéinst Limitatioune vun der Simulatiounssoftware konnten mir net den ganzen EOS an den HFS bäifügen. Dofir gouf d'Elektronekanoun duerch eng gläichwäerteg emittéierend Uewerfläch mat engem Duerchmiesser vun 0,13 mm an engem Ofstand tëscht den zwou Uewerfläche vun 0,31 mm ersat, déiselwecht Parameteren wéi d'Elektronekanoun, déi uewe konzipéiert gouf. Wéinst der Onsensibilitéit an der gudder Stabilitéit vun der EOS kann d'Undriffsspannung richteg optimiséiert ginn, fir déi bescht Ausgangsleistung an der PIC-Simulatioun z'erreechen. D'Simulatiounsresultater weisen, datt déi gesättigte Ausgangsleistung a Verstärkung bei enger Undriffsspannung vun 20,6 kV, engem Strahlstroum vun 2 × 80 mA (603 A/cm2) an enger Inputleistung vun 0,05 W erreecht kënne ginn.
Fir dat bescht Ausgangssignal ze kréien, muss och d'Zuel vun de Zyklen optimiséiert ginn. Déi bescht Ausgangsleistung gëtt erreecht wann d'Zuel vun zwou Stufen 42 + 48 Zyklen ass, wéi an der Figur 22a gewisen. En 0,05 W Inputsignal gëtt op 314 W mat engem Gewënn vun 38 dB verstäerkt. De Spektrum vun der Ausgangsleistung, deen duerch d'Fast Fourier Transform (FFT) kritt gëtt, ass reng a erreecht e Maximum vun 220 GHz. D'Figur 22b weist d'axial Positiounsverdeelung vun der Elektronenenergie am SWS, woubäi déi meescht Elektronen Energie verléieren. Dëst Resultat weist datt den SDV-SWS déi kinetesch Energie vun Elektronen an HF-Signaler ëmwandele kann, wouduerch eng Signalverstäerkung realiséiert gëtt.
SDV-SWS Ausgangssignal bei 220 GHz. (a) Ausgangsleistung mat abegraffem Spektrum. (b) Energieverdeelung vun Elektronen mam Elektronestral um Enn vum SWS-Asaz.
Figur 23 weist d'Ausgangsleistungsbandbreet an de Verstärkung vun engem Dual-Mode Dual-Beam SDV-TWT. D'Ausgangsleistung kann weider verbessert ginn andeems d'Frequenzen vun 200 bis 275 GHz eropgesat ginn an d'Undriffsspannung optimiséiert gëtt. Dëst Resultat weist, datt d'3-dB Bandbreet 205 bis 275 GHz ofdecke kann, wat bedeit, datt den Dual-Mode-Betrib d'Betribsbandbreet däitlech erweidere kann.
Wéi och ëmmer, laut Fig. 2a wësse mer, datt et e Stoppband tëscht dem ongeruedenen an dem geruedenen Modus gëtt, wat zu ongewollten Schwéngunge féiere kann. Dofir muss d'Aarbechtsstabilitéit ronderëm d'Stopp ënnersicht ginn. D'Figuren 24a-c sinn d'20 ns Simulatiounsresultater bei 265,3 GHz, 265,35 GHz a 265,4 GHz. Et kann een gesinn, datt, obwuel d'Simulatiounsresultater e puer Schwankungen hunn, d'Ausgangsleistung relativ stabil ass. De Spektrum gëtt och an der Figur 24 gewisen, de Spektrum ass reng. Dës Resultater weisen datt et keng Selbstoszillatioun no beim Stoppband gëtt.
Fabrikatioun a Miessung si néideg fir d'Korrektheet vum gesamten HFS ze verifizéieren. An dësem Deel gëtt den HFS mat Hëllef vun der Computernumerescher Kontrolltechnologie (CNC) mat engem Werkzeugduerchmiesser vun 0,1 mm an enger Bearbeitungsgenauegkeet vun 10 μm fabrizéiert. D'Material fir d'Héichfrequenzstruktur gëtt aus sauerstofffräie Koffer mat héijer Konduktivitéit (OFHC) geliwwert. Figur 25a weist déi fabrizéiert Struktur. Déi ganz Struktur huet eng Längt vu 66,00 mm, eng Breet vun 20,00 mm an eng Héicht vun 8,66 mm. Aacht Lächer fir Stifter sinn ronderëm d'Struktur verdeelt. Figur 25b weist d'Struktur duerch Rasterelektronenmikroskopie (SEM). D'Klingen vun dëser Struktur sinn gläichméisseg produzéiert an hunn eng gutt Uewerflächenrauheet. No enger präziser Miessung ass de Gesamtbearbeitungsfehler manner wéi 5%, an d'Uewerflächenrauheet ass ongeféier 0,4 μm. D'Bearbeitungsstruktur entsprécht den Design- a Präzisiounsufuerderungen.
Figur 26 weist de Verglach tëscht den tatsächlechen Testergebnissen an de Simulatioune vun der Transmissiounsleistung. Port 1 a Port 2 an der Figur 26a entspriechen den Input- respektiv Output-Ports vum HFS a si gläichwäerteg mam Port 1 a Port 4 an der Figur 3. Déi tatsächlech Miessergebnisse vum S11 si liicht besser wéi d'Simulatiounsresultater. Gläichzäiteg si déi gemoossene Resultater vum S21 liicht méi schlecht. De Grond kéint sinn, datt d'Materialleitfäegkeet, déi an der Simulatioun agestallt gouf, ze héich ass an d'Uewerflächenrauheet no der tatsächlecher Bearbechtung schlecht ass. Am Allgemengen stëmmen déi gemoossene Resultater gutt mat de Simulatiounsresultater iwwereneen, an d'Transmissiounsbandbreet erfëllt d'Ufuerderung vun 70 GHz, wat d'Machbarkeet a Korrektheet vum proposéierten Dual-Mode SDV-TWT verifizéiert. Dofir kann, a Kombinatioun mam tatsächleche Fabrikatiounsprozess an den Testergebnissen, den Ultra-Breitband-Dual-Beam SDV-TWT-Design, deen an dësem Pabeier proposéiert gëtt, fir spéider Fabrikatioun an Uwendungen benotzt ginn.
An dëser Aarbecht gëtt en detailléierten Design vun engem planare Verdeelungs-220 GHz Dual-Beam SDV-TWT presentéiert. D'Kombinatioun vun Dual-Mode-Betrib an Dual-Beam-Anregung erhéicht weider d'Betribsbandbreet an d'Ausgangsleistung. D'Fabrikatioun an de Kaltest ginn och duerchgefouert fir d'Korrektheet vum gesamten HFS ze verifizéieren. Déi tatsächlech Miessresultater stëmmen gutt mat de Simulatiounsresultater iwwereneen. Fir den entworfenen Dual-Beam EOS goufen eng Masksektioun a Kontrollelektroden zesumme benotzt fir en Dual-Pin-Stral ze produzéieren. Ënnert dem entworfenen eenheetleche fokusséierende Magnéitfeld kann den Elektronestrahl stabil iwwer grouss Distanzen a gudder Form iwwerdroe ginn. An Zukunft gëtt d'Produktioun an d'Tester vun EOS duerchgefouert, an den Thermo-Test vum gesamten TWT gëtt och duerchgefouert. Dëst SDV-TWT-Designschema, dat an dëser Aarbecht virgeschloe gëtt, kombinéiert vollstänneg déi aktuell reif Planeveraarbechtungstechnologie a weist e grousst Potenzial a Performanceindikatoren, Veraarbechtung a Montage. Dofir gleeft dës Aarbecht, datt d'planar Struktur am wahrscheinlechsten den Entwécklungstrend vun Vakuum-elektroneschen Apparater am Terahertz-Band gëtt.
Déi meescht vun de Réidaten an analytesche Modeller aus dëser Studie sinn an dësem Artikel abegraff. Weider relevant Informatioune kënnen op Ufro vum jeweilegen Auteur kritt ginn.
Gamzina, D. et al. Nanosahl CNC-Bearbeitung vun Subterahertz-Vakuumelektronik. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. a Paoloni, C. UV-LIGA Mikrofabrikatioun vu Sub-Terahertz-Wellenleiter mat Hëllef vu Multilayer SU-8 Photoresist. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 THz Technologie 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 Staark Aschränkung vun der plasmonescher Wellenausbreedung iwwer ultra-Breitband gestaffelt Duebelgitter-Wellenleiter.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Leeschtung vun engem Nano-CNC-bearbechten 220-GHz Reeswellenröhrenverstärker. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Ënnersichung vun der Diokotroninstabilitéit vun onendlech breede Plackeelektronestralen mat Hëllef vun der makroskopescher Kale-Flëssegkeetsmodelltheorie. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV iwwer d'Méiglechkeet, d'Bandbreet duerch d'planar Layout vum Stral an engem Multibeam-Klystron ze erhéijen. An der 12. IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, Indien, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Design vun Dräistrahl-Elektronekanounen mat schmueler Strahlenteilungsplanverdeelung an engem W-Band gestaffelten Duebelblat-Reeswellenröhr [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 Planar verdeelt Dräistrahl-Elektronenoptiksystem mat schmueler Strahltrennung fir W-Band Grondmodus TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Fuerschung iwwer verschlaafte Duebelblat-Wellenröhr mat Millimeterwellen-Blechträger 20-22 (PhD, Beihang Universitéit, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studie iwwer d'Stabilitéit vun der Strahl-Wellen-Interaktioun vun engem G-Band-verschléissene Duebelblat-Reeswellenröhrchen. 2018 43. International Konferenz iwwer Infrarout-Millimeter- an Terahertz-Wellen, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).