Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com. Jūsų naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą. Kad užtikrintumėte geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Tuo tarpu, siekdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodysime be stilių ir „JavaScript“.
Šiame straipsnyje suprojektuotas ir patikrintas 220 GHz plačiajuosčio ryšio didelės galios susipynęs dvigubas elektronų pluošto elektroninis vamzdis. Pirma, siūloma plokštuminė dvigubo spindulio pakopinė dvigubo spindulio lėtos bangos struktūra. Naudojant dvigubo režimo veikimo schemą, perdavimo našumas ir pralaidumas yra beveik dvigubai didesni nei vieno režimo. Antra, siekiant patenkinti didelės išėjimo galios reikalavimus ir pagerinti bėgimo bangos vamzdžio stabilumą, suprojektuota dviguba pieštuko formos elektroninė optinė sistema, kurios pavaros įtampa yra 20–21 kV, o srovė – 2 × 80 mA. Projektavimo tikslai. Naudojant kaukės dalį ir valdymo elektrodą dvigubo spindulio elektroniniame vamzdyje, du pieštuko formos spinduliai gali būti sufokusuoti išilgai atitinkamų centrų, naudojant 7 suspaudimo laipsnį, fokusavimo atstumas yra apie 0,18 mm, o stabilumas yra geras. Taip pat optimizuota vienoda magnetinio fokusavimo sistema. Plokščio dvigubo elektronų pluošto stabilus perdavimo atstumas gali siekti 45 mm, o fokusavimo magnetinis laukas yra 0,6 T, o to pakanka visai aukšto dažnio sistemai (HFS). Tada, siekiant patikrinti, ar galima naudoti... Elektroninės-optinės sistemos ir lėtosios bangos struktūros, dalelių ląstelės (PIC) modeliavimas taip pat buvo atliktas visam HFS. Rezultatai rodo, kad pluošto sąveikos sistema gali pasiekti beveik 310 W maksimalią išėjimo galią esant 220 GHz dažniui, optimizuota pluošto įtampa yra 20,6 kV, pluošto srovė yra 2 × 80 mA, stiprinimas yra 38 dB, o 3 dB pralaidumas viršija 35 dB apie 70 GHz dažnį. Galiausiai, siekiant patikrinti HFS veikimą, atliekama didelio tikslumo mikrostruktūros gamyba, o rezultatai rodo, kad pralaidumo ir perdavimo charakteristikos gerai atitinka modeliavimo rezultatus. Todėl tikimasi, kad šiame straipsnyje siūloma schema sukurs didelės galios, itin plačiajuosčius terahercų diapazono spinduliuotės šaltinius, turinčius potencialo būsimoms taikymo sritims.
Kaip tradicinis vakuuminis elektroninis prietaisas, bėgančiosios bangos vamzdis (TWT) atlieka nepakeičiamą vaidmenį daugelyje sričių, tokių kaip didelės skiriamosios gebos radarai, palydovinio ryšio sistemos ir kosmoso tyrimai1,2,3. Tačiau, veikimo dažniui pasiekus terahercų juostą, tradiciniai sujungtų ertmių TWT ir spiraliniai TWT nebegali patenkinti žmonių poreikių dėl santykinai mažos išėjimo galios, siauro pralaidumo ir sudėtingų gamybos procesų. Todėl daugeliui mokslinių tyrimų įstaigų labai rūpi klausimas, kaip visapusiškai pagerinti THz juostos našumą. Pastaraisiais metais naujos lėtosios bangos struktūros (LBT), tokios kaip laiptuotos dvigubos mentės (SDV) struktūros ir sulankstytos bangolaidžio (FW) struktūros, sulaukė didelio dėmesio dėl savo natūralių plokštuminių struktūrų, ypač naujosios SDV-SWS, turinčios daug žadančio potencialo. Šią struktūrą 2008 m. pasiūlė UC-Davis4. Plokščioji struktūra gali būti lengvai pagaminta naudojant mikro-nano apdorojimo technologijas, tokias kaip kompiuterinis skaitmeninis valdymas (CNC) ir UV-LIGA, o metalinė korpuso struktūra gali užtikrinti didesnę šiluminę talpą, didesnę išėjimo galią ir stiprinimą. ...o bangolaidžio tipo struktūra taip pat gali užtikrinti platesnį darbinį pralaidumą. Šiuo metu, 2017 m., UC Davis pirmą kartą pademonstravo, kad SDV-TWT gali generuoti didelės galios išvesties signalus, viršijančius 100 W, ir beveik 14 GHz pralaidumo signalus G juostoje5. Tačiau šie rezultatai vis dar turi spragų, kurios negali patenkinti susijusių didelės galios ir plataus pralaidumo reikalavimų terahercų juostoje. UC Davis G juostos SDV-TWT buvo naudojami lakštinio elektronų pluoštai. Nors ši schema gali žymiai pagerinti pluošto srovės laidumą, sunku išlaikyti ilgą perdavimo atstumą dėl lakštinio pluošto elektronų optinės sistemos (EOS) nestabilumo, be to, yra per didelio režimo pluošto tunelis, kuris taip pat gali sukelti pluošto savireguliaciją. – Sužadinimas ir virpesiai 6,7. Siekiant patenkinti THz TWT didelės išėjimo galios, plataus pralaidumo ir gero stabilumo reikalavimus, šiame straipsnyje siūlomas dviejų spindulių SDV-SWS su dviejų režimų veikimu. Tai yra, siekiant padidinti veikimo pralaidumą, siūlomas ir šioje struktūroje įdiegtas dviejų režimų veikimas. Be to, siekiant padidinti išėjimo galią, taip pat naudojamas plokštuminis dvigubų pieštuko spindulių pasiskirstymas. Vieno pieštuko spindulio radijo imtuvai yra santykinai maži dėl vertikalių dydžio apribojimų. Jei srovės tankis yra per didelis, spindulio srovė turi būti sumažinta, todėl išėjimo galia yra santykinai maža. Siekiant pagerinti spindulio srovę, atsirado plokštuminis paskirstytas daugiaspindulis EOS, kuris išnaudoja SWS šoninį dydį. Dėl nepriklausomo spindulio tuneliavimo plokštuminis paskirstytas daugiaspindulis gali pasiekti didelę išėjimo galią išlaikant didelę bendrą spindulio srovę ir mažą srovę vienam spinduliui, o tai gali padėti išvengti per didelio režimo spindulio tuneliavimo, palyginti su lakštinio spindulio įtaisais. Todėl naudinga išlaikyti keliaujančios bangos vamzdžio stabilumą. Remiantis ankstesniais darbais8,9, šiame straipsnyje siūlomas G juostos vienodas magnetinis... Lauko fokusavimas dvigubo pieštuko spindulio EOS, kuris gali gerokai pagerinti stabilų spindulio perdavimo atstumą ir dar labiau padidinti spindulio sąveikos plotą, taip gerokai pagerinant išėjimo galią.
Šio straipsnio struktūra yra tokia. Pirmiausia aprašomas SWS ląstelės projektas su parametrais, dispersijos charakteristikų analizė ir aukšto dažnio modeliavimo rezultatai. Tada, atsižvelgiant į elementariosios ląstelės struktūrą, suprojektuojama dvigubo pieštuko pluošto EOS ir pluošto sąveikos sistema. Taip pat pateikiami tarpląstelinių dalelių modeliavimo rezultatai, siekiant patikrinti EOS pritaikomumą ir SDV-TWT veikimą. Be to, straipsnyje trumpai pristatomi gamybos ir šaltojo bandymo rezultatai, siekiant patikrinti visos HFS teisingumą. Galiausiai pateikiama santrauka.
Kaip vienas svarbiausių TWT komponentų, lėtosios bangos struktūros dispersinės savybės rodo, ar elektronų greitis atitinka SWS fazės greitį, todėl daro didelę įtaką pluošto ir bangos sąveikai. Siekiant pagerinti viso TWT veikimą, sukurta patobulinta sąveikos struktūra. Elementinės ląstelės struktūra parodyta 1 paveiksle. Atsižvelgiant į lakštinio pluošto nestabilumą ir vieno rašiklio pluošto galios apribojimus, struktūroje naudojamas dvigubas rašiklis pluoštui, siekiant dar labiau pagerinti išėjimo galią ir veikimo stabilumą. Tuo tarpu, siekiant padidinti darbinį pralaidumą, SWS veikimui buvo pasiūlytas dvigubas režimas. Dėl SDV struktūros simetrijos elektromagnetinio lauko dispersijos lygties sprendinį galima suskirstyti į nelyginius ir lyginius režimus. Tuo pačiu metu pagrindinis nelyginis žemo dažnio juostos režimas ir pagrindinis lyginis aukšto dažnio juostos režimas naudojami pluošto sąveikos plačiajuosčio sinchronizavimo realizavimui, taip dar labiau pagerinant darbinį pralaidumą.
Atsižvelgiant į galios reikalavimus, visas vamzdis suprojektuotas su 20 kV pavaros įtampa ir 2 × 80 mA dvigubo pluošto srove. Norint kuo labiau suderinti įtampą su SDV-SWS veikimo pralaidumu, reikia apskaičiuoti periodo ilgį p. Spindulio įtampos ir periodo santykis parodytas (1) lygtyje10:
Nustačius fazės poslinkį į 2,5π esant 220 GHz centriniam dažniui, galima apskaičiuoti, kad periodas p yra 0,46 mm. 2a paveiksle parodytos SWS elementariosios ląstelės dispersijos savybės. 20 kV spindulių linija labai gerai atitinka bimodalinę kreivę. Sutampančios dažnių juostos gali siekti apie 70 GHz 210–265,3 GHz (nelyginis režimas) ir 265,4–280 GHz (lyginis režimas) diapazonuose. 2b paveiksle parodyta vidutinė jungimo varža, kuri yra didesnė nei 0,6 Ω nuo 210 iki 290 GHz, o tai rodo, kad darbinėje dažnių juostoje gali vykti stipri sąveika.
a) Dviejų režimų SDV-SWS su 20 kV elektronų pluošto linija dispersijos charakteristikos. b) SDV lėtosios bangos grandinės sąveikos varža.
Tačiau svarbu atkreipti dėmesį, kad tarp nelyginių ir lyginių režimų yra draudžiamoji juosta, ir mes paprastai šią draudžiamąją juostą vadiname stabdymo juosta, kaip parodyta 2a paveiksle. Jei TWT veikia šalia šios dažnių juostos, gali atsirasti stiprus spindulio sujungimo stiprumas, kuris sukels nepageidaujamus virpesius. Praktiškai mes paprastai vengiame naudoti TWT šalia stabdymo juostos. Tačiau matyti, kad šios lėtabangės struktūros draudžiamoji juosta yra tik 0,1 GHz. Sunku nustatyti, ar šis mažas draudžiamasis tarpas sukelia virpesius. Todėl tolesniame PIC modeliavimo skyriuje bus tiriamas veikimo stabilumas aplink stabdymo juostą, siekiant išanalizuoti, ar gali atsirasti nepageidaujamų virpesių.
Viso aukšto dažnio bangolaidžio (HFS) modelis parodytas 3 paveiksle. Jį sudaro du SDV-SWS etapai, sujungti Brego reflektoriais. Reflektoriaus funkcija – nutraukti signalo perdavimą tarp dviejų pakopų, slopinti neveikiančių režimų, tokių kaip aukšto dažnio režimai, susidarantys tarp viršutinių ir apatinių menčių, virpesius ir atspindžius, taip žymiai pagerinant viso vamzdžio stabilumą. Prijungimui prie išorinės aplinkos taip pat naudojamas linijinis kūginis jungiklis, jungiantis SWS su standartiniu WR-4 bangolaidžiu. Dviejų lygių struktūros perdavimo koeficientas matuojamas laiko srities sprendikliu 3D modeliavimo programinėje įrangoje. Atsižvelgiant į faktinį terahercų juostos poveikį medžiagai, vakuuminio apvalkalo medžiaga iš pradžių nustatoma kaip varis, o laidumas sumažinamas iki 2,25 × 10⁻⁷ S/m⁻².
4 paveiksle pateikti HFS perdavimo rezultatai su linijiniais kūginiais jungikliais ir be jų. Rezultatai rodo, kad jungiklis mažai veikia viso HFS perdavimo charakteristikas. Visos sistemos grįžtamojo ryšio nuostoliai (S11 < −10 dB) ir įterpties nuostoliai (S21 > −5 dB) 207–280 GHz plačiajuosčio ryšio diapazone rodo, kad HFS pasižymi geromis perdavimo charakteristikomis.
Kaip vakuuminių elektroninių prietaisų maitinimo šaltinis, elektronų patranka tiesiogiai lemia, ar įrenginys gali generuoti pakankamai išėjimo galios. Kartu su II skyriuje pateikta HFS analize, reikia suprojektuoti dviejų spindulių EOS, kad būtų užtikrinta pakankama galia. Šioje dalyje, remiantis ankstesniais darbais W diapazone8,9, suprojektuotas dvigubas pieštuko formos elektronų patrankos modelis, naudojant plokštuminę kaukės dalį ir valdymo elektrodus. Pirma, pagal SWS projektavimo reikalavimus, nurodytus 1 skyriuje. Kaip parodyta 1 pav. 2, elektronų pluošto pavaros įtampa Ua iš pradžių nustatyta 20 kV, abiejų elektronų pluoštų srovės I yra po 80 mA, o elektronų pluošto pluošto skersmuo dw yra 0,13 mm. Tuo pačiu metu, siekiant užtikrinti, kad būtų pasiektas elektronų pluošto ir katodo srovės tankis, elektronų pluošto suspaudimo laipsnis nustatomas į 7, taigi elektronų pluošto srovės tankis yra 603 A/cm2, o katodo srovės tankis – 86 A/cm2. Tai galima pasiekti naudojant naujas katodo medžiagas. Remiantis 14, 15, 16, 17 projektavimo teorija, tipišką Pierce'o elektronų patranką galima unikaliai identifikuoti.
5 paveiksle parodytos atitinkamai horizontali ir vertikali elektroninio prožektoriaus schemos. Matyti, kad elektroninio prožektoriaus profilis x kryptimi yra beveik identiškas tipiško lakštinio elektroninio prožektoriaus profiliui, o y kryptimi du elektronų pluoštus iš dalies skiria kaukė. Dviejų katodų padėtys yra atitinkamai x = –0,155 mm, y = 0 mm ir x = 0,155 mm, y = 0 mm. Pagal suspaudimo laipsnio ir elektronų įpurškimo dydžio projektavimo reikalavimus, dviejų katodų paviršių matmenys yra 0,91 mm × 0,13 mm.
Siekiant, kad kiekvieno elektronų pluošto x kryptimi gaunamas sufokusuotas elektrinis laukas būtų simetriškas savo centro atžvilgiu, šiame straipsnyje prie elektronų patrankos prijungiamas valdymo elektrodas. Nustatydami fokusavimo ir valdymo elektrodų įtampą ties −20 kV, o anodo įtampą – ties 0 V, galime gauti dvigubo pluošto patrankos trajektorijų pasiskirstymą, kaip parodyta 6 pav. Matyti, kad skleidžiami elektronai yra gerai suspaudžiami y kryptimi, o kiekvienas elektronų pluoštas konverguoja link x krypties išilgai savo simetrijos centro, o tai rodo, kad valdymo elektrodas subalansuoja fokusavimo elektrodo sukuriamą nevienodą elektrinį lauką.
7 paveiksle parodytas spindulio gaubtas x ir y kryptimis. Rezultatai rodo, kad elektronų pluošto projekcijos atstumas x kryptimi skiriasi nuo atstumo y kryptimi. Projekcijos atstumas x kryptimi yra apie 4 mm, o y kryptimi – apie 7 mm. Todėl faktinis projekcijos atstumas turėtų būti pasirinktas nuo 4 iki 7 mm. 8 paveiksle parodytas elektronų pluošto skerspjūvis 4,6 mm atstumu nuo katodo paviršiaus. Matome, kad skerspjūvio forma yra arčiausiai standartinio apskrito elektronų pluošto. Atstumas tarp dviejų elektronų pluoštų yra artimas projektiniams 0,31 mm, o spindulys yra apie 0,13 mm, kas atitinka projektavimo reikalavimus. 9 paveiksle parodyti spindulio srovės modeliavimo rezultatai. Matyti, kad dviejų pluošto srovių stipris yra 76 mA, o tai gerai atitinka projektuojamus 80 mA.
Atsižvelgiant į praktinius valdymo įtampos svyravimus, būtina ištirti šio modelio įtampos jautrumą. 19,8–20,6 kV įtampos diapazone gaunamos srovės ir pluošto srovės gaubtinės, kaip parodyta 1 ir 1.10 bei 11 paveiksluose. Iš rezultatų matyti, kad valdymo įtampos pokytis neturi įtakos elektronų pluošto gaubtinei, o elektronų pluošto srovė kinta tik nuo 0,74 iki 0,78 A. Todėl galima laikyti, kad šiame straipsnyje suprojektuotas elektronų prožektorius yra gerai jautrus įtampai.
Varomosios įtampos svyravimų įtaka x ir y krypčių pluošto apvalkalams.
Vienodas magnetinio fokusavimo laukas yra įprasta nuolatinio magneto fokusavimo sistema. Dėl vienodo magnetinio lauko pasiskirstymo visame spindulio kanale jis labai tinka ašiai simetriniams elektronų pluoštams. Šiame skyriuje siūloma vienodo magnetinio fokusavimo sistema, skirta palaikyti dvigubų pieštuko pluoštų ilgą atstumą perdavimą. Analizuojant sukurtą magnetinį lauką ir spindulio gaubtinę, siūloma fokusavimo sistemos projektavimo schema ir nagrinėjama jautrumo problema. Remiantis vieno pieštuko pluošto stabilaus perdavimo teorija18,19, Brillouin magnetinio lauko vertę galima apskaičiuoti pagal (2) lygtį. Šiame straipsnyje mes taip pat naudojame šią ekvivalenciją, norėdami įvertinti šoniniu būdu paskirstyto dvigubo pieštuko pluošto magnetinį lauką. Kartu su šiame straipsnyje suprojektuotu elektronų patranka, apskaičiuota magnetinio lauko vertė yra apie 4000 Gs. Remiantis 20 nuoroda, praktiniuose projektuose paprastai pasirenkama 1,5–2 kartus didesnė už apskaičiuotą vertę.
12 paveiksle parodyta vienodo magnetinio lauko fokusavimo lauko sistemos struktūra. Mėlyna dalis yra nuolatinis magnetas, įmagnetintas ašine kryptimi. Medžiaga pasirinkta iš NdFeB arba FeCoNi. Modelyje nustatytas liekamasis Br magnetas yra 1,3 T, o pralaidumas – 1,05. Siekiant užtikrinti stabilų spindulio perdavimą visoje grandinėje, magneto ilgis iš pradžių nustatytas 70 mm. Be to, magneto dydis x kryptimi lemia, ar skersinis magnetinis laukas spindulio kanale yra vienodas, todėl dydis x kryptimi negali būti per mažas. Tuo pačiu metu, atsižvelgiant į viso vamzdžio kainą ir svorį, magneto dydis neturėtų būti per didelis. Todėl magnetų pradiniai matmenys nustatomi į 150 mm × 150 mm × 70 mm. Tuo tarpu, siekiant užtikrinti, kad visą lėtosios bangos grandinę būtų galima įdėti į fokusavimo sistemą, atstumas tarp magnetų nustatytas į 20 mm.
2015 m. „Purna Chandra Panda21“ pasiūlė polių su nauja laiptuota skyle vienodoje magnetinio fokusavimo sistemoje, kuri gali dar labiau sumažinti srauto nuotėkį į katodą ir skersinį magnetinį lauką, susidarantį poliaus skylėje. Šiame straipsnyje prie fokusavimo sistemos poliaus pridedame laiptuotą struktūrą. Poliaus storis iš pradžių nustatytas 1,5 mm, trijų pakopų aukštis ir plotis – 0,5 mm, o atstumas tarp poliaus skylių – 2 mm, kaip parodyta 13 paveiksle.
14a paveiksle parodytas ašinis magnetinio lauko pasiskirstymas išilgai dviejų elektronų pluoštų centrinių linijų. Matyti, kad magnetinio lauko jėgos išilgai dviejų elektronų pluoštų yra vienodos. Magnetinio lauko vertė yra apie 6000 Gs, tai yra 1,5 karto daugiau nei teorinis Briljueno laukas, siekiant padidinti pralaidumą ir fokusavimo našumą. Tuo pačiu metu magnetinis laukas prie katodo yra beveik lygus 0, o tai rodo, kad polius gerai apsaugo nuo magnetinio srauto nutekėjimo. 14b paveiksle parodytas skersinis magnetinio lauko pasiskirstymas B z kryptimi ties dviejų elektronų pluoštų viršutiniu kraštu. Matyti, kad skersinis magnetinis laukas yra mažesnis nei 200 Gs tik ties poliaus anga, o lėtosios bangos grandinėje skersinis magnetinis laukas yra beveik lygus nuliui, o tai įrodo, kad skersinio magnetinio lauko įtaka elektronų pluoštui yra nereikšminga. Siekiant išvengti polių magnetinio prisotinimo, būtina ištirti magnetinio lauko stiprį polių viduje. 14c paveiksle parodyta absoliuti magnetinio lauko pasiskirstymo poliaus viduje vertė. Matyti, kad absoliuti magnetinio lauko stiprumo vertė yra mažesnė nei 1,2 T, o tai rodo, kad poliaus antgalio magnetinis prisotinimas neįvyks.
Magnetinio lauko stiprumo pasiskirstymas, kai Br = 1,3 T. (a) Ašinis lauko pasiskirstymas. (b) Šoninis lauko pasiskirstymas By z kryptimi. (c) Absoliuti lauko pasiskirstymo vertė poliaus viduje.
Remiantis CST PS moduliu, optimizuota dvigubo spindulio prožektoriaus ir fokusavimo sistemos ašinė santykinė padėtis. Remiantis 9 nuoroda ir modeliavimais, optimali vieta yra ta, kur anodo dalis persidengia su poliaus dalimi tolyn nuo magneto. Tačiau nustatyta, kad jei liekamoji energija būtų nustatyta į 1,3 T, elektronų pluošto pralaidumas negalėtų pasiekti 99 %. Padidinus liekamąją energiją iki 1,4 T, fokusuojantis magnetinis laukas padidėtų iki 6500 Gs. Spindulio trajektorijos xoz ir yoz plokštumose parodytos 15 paveiksle. Matyti, kad spindulys gerai praleidžia, svyravimai maži, o perdavimo atstumas didesnis nei 45 mm.
Dvigubų pieštuko spindulių trajektorijos homogeninėje magnetinėje sistemoje, kai Br = 1,4 T. (a) xoz plokštuma. (b) yoz orlaivis.
16 paveiksle parodytas spindulio skerspjūvis skirtingose ​​padėtyse, nutolusiose nuo katodo. Matyti, kad fokusavimo sistemoje spindulio pjūvio forma yra gerai išlaikoma, o pjūvio skersmuo labai nekinta. 17 paveiksle parodytos spindulio gaubtinės kreivės x ir y kryptimis. Matyti, kad spindulio svyravimas abiem kryptimis yra labai mažas. 18 paveiksle parodyti spindulio srovės modeliavimo rezultatai. Rezultatai rodo, kad srovė yra apie 2 × 80 mA, o tai atitinka elektronų patrankos konstrukcijoje apskaičiuotą vertę.
Elektronų pluošto skerspjūvis (su fokusavimo sistema) skirtingose ​​​​padėtyse nuo katodo.
Atsižvelgiant į praktinio apdorojimo metu kylančias problemas, tokias kaip surinkimo klaidos, įtampos svyravimai ir magnetinio lauko stiprumo pokyčiai, būtina išanalizuoti fokusavimo sistemos jautrumą. Kadangi faktinio apdorojimo metu tarp anodo ir poliaus yra tarpas, šį tarpą reikia nustatyti modeliavime. Tarpo vertė nustatyta 0,2 mm, o 19a paveiksle parodyta spindulio gaubtinė ir spindulio srovė y kryptimi. Šis rezultatas rodo, kad spindulio gaubtinės pokytis nėra reikšmingas, o spindulio srovė beveik nekinta. Todėl sistema nėra jautri surinkimo klaidoms. Varomosios įtampos svyravimams paklaidų diapazonas nustatytas ties ±0,5 kV. 19b paveiksle pateikti palyginimo rezultatai. Matyti, kad įtampos pokytis mažai veikia spindulio gaubtinę. Magnetinio lauko stiprumo pokyčiams paklaidų diapazonas nustatytas nuo -0,02 iki +0,03 T. Palyginimo rezultatai parodyti 20 paveiksle. Matyti, kad spindulio gaubtinė beveik nesikeičia, o tai reiškia, kad visa EOS nejautri magnetinio lauko stiprumo pokyčiams.
Spindulio gaubtinė ir srovės rezultatai esant vienodai magnetinio fokusavimo sistemai. (a) Surinkimo tolerancija yra 0,2 mm. (b) Varomosios įtampos svyravimas yra ±0,5 kV.
Spindulio gaubtinė, veikianti vienodą magnetinio fokusavimo sistemą, kurios ašinio magnetinio lauko stiprumo svyravimai svyruoja nuo 0,63 iki 0,68 T.
Siekiant užtikrinti, kad šiame straipsnyje sukurta fokusavimo sistema atitiktų HFS, tyrimui būtina derinti fokusavimo sistemą ir HFS. 21 paveiksle parodytas spindulio gaubtinių su įkrautu ir be įkrauto HFS palyginimas. Rezultatai rodo, kad spindulio gaubtinė labai nesikeičia, kai įkrautas visas HFS. Todėl fokusavimo sistema tinka minėtos konstrukcijos bėgančiosios bangos vamzdiniam HFS.
Siekiant patikrinti III skyriuje pasiūlyto EOS teisingumą ir ištirti 220 GHz SDV-TWT veikimą, atliekama spindulio ir bangos sąveikos 3D-PIC modeliavimas. Dėl modeliavimo programinės įrangos apribojimų negalėjome viso EOS pridėti prie HFS. Todėl elektronų patranka buvo pakeista lygiaverčiu emiteriu paviršiumi, kurio skersmuo yra 0,13 mm, o atstumas tarp dviejų paviršių – 0,31 mm, tai yra tie patys parametrai kaip ir aukščiau suprojektuoto elektronų patrankos. Dėl EOS nejautrumo ir gero stabilumo, pavaros įtampą galima tinkamai optimizuoti, kad PIC modeliavime būtų pasiekta geriausia išėjimo galia. Modeliavimo rezultatai rodo, kad sočiosios išėjimo galią ir stiprinimą galima gauti esant 20,6 kV pavaros įtampai, 2 × 80 mA (603 A/cm2) spindulio srovei ir 0,05 W įėjimo galiai.
Norint gauti geriausią išėjimo signalą, taip pat reikia optimizuoti ciklų skaičių. Geriausia išėjimo galia gaunama, kai dviejų pakopų skaičius yra 42 + 48 ciklai, kaip parodyta 22a paveiksle. 0,05 W įvesties signalas sustiprinamas iki 314 W, o stiprinimas yra 38 dB. Greitosios Furjė transformacijos (FFT) būdu gautas išėjimo galios spektras yra grynas, jo pikas yra ties 220 GHz. 22b paveiksle parodytas elektronų energijos ašinės padėties pasiskirstymas SWS, kai dauguma elektronų praranda energiją. Šis rezultatas rodo, kad SDV-SWS gali paversti elektronų kinetinę energiją RF signalais, taip sustiprindamas signalą.
SDV-SWS išėjimo signalas esant 220 GHz dažniui. (a) Išėjimo galia su įtrauktu spektru. (b) Elektronų energijos pasiskirstymas su elektronų pluoštu SWS įdėklo gale.
23 paveiksle parodytas dviejų režimų dviejų spindulių SDV-TWT išėjimo galios pralaidumas ir stiprinimas. Išėjimo našumą galima dar labiau pagerinti keičiant dažnius nuo 200 iki 275 GHz ir optimizuojant pavaros įtampą. Šis rezultatas rodo, kad 3 dB pralaidumas gali apimti nuo 205 iki 275 GHz, o tai reiškia, kad dviejų režimų veikimas gali gerokai išplėsti veikimo pralaidumą.
Tačiau, remiantis 2a pav., žinome, kad tarp nelyginių ir lyginių režimų yra stabdymo juosta, kuri gali sukelti nepageidaujamus virpesius. Todėl reikia ištirti darbo stabilumą aplink stabdymo zonas. 24a–24c paveiksluose pateikti 20 ns modeliavimo rezultatai, gauti atitinkamai esant 265,3 GHz, 265,35 GHz ir 265,4 GHz dažniams. Matyti, kad nors modeliavimo rezultatai šiek tiek svyruoja, išėjimo galia yra gana stabili. Spektras taip pat parodytas atitinkamai 24 paveiksle, spektras yra grynas. Šie rezultatai rodo, kad šalia stabdymo juostos nėra savaiminių virpesių.
Norint patikrinti viso aukšto dažnio staklės (HFS) teisingumą, būtina atlikti gamybą ir matavimus. Šioje dalyje HFS gaminamas naudojant kompiuterinio skaitmeninio valdymo (CNC) technologiją, o įrankio skersmuo yra 0,1 mm, o apdirbimo tikslumas – 10 μm. Aukšto dažnio struktūros medžiaga yra deguonies neturintis didelio laidumo (OFHC) varis. 25a paveiksle parodyta pagaminta konstrukcija. Visos konstrukcijos ilgis yra 66,00 mm, plotis – 20,00 mm, o aukštis – 8,66 mm. Aplink konstrukciją išdėstytos aštuonios kaiščių skylės. 25b paveiksle parodyta konstrukcija, gauta skenuojančia elektronine mikroskopija (SEM). Šios konstrukcijos mentės yra tolygiai pagamintos ir turi gerą paviršiaus šiurkštumą. Atlikus tikslius matavimus, bendra apdirbimo paklaida yra mažesnė nei 5 %, o paviršiaus šiurkštumas yra apie 0,4 μm. Apdirbta konstrukcija atitinka projektavimo ir tikslumo reikalavimus.
26 paveiksle parodytas faktinių bandymų rezultatų ir perdavimo charakteristikų modeliavimo palyginimas. 26a paveiksle pavaizduoti 1 ir 2 prievadai atitinka atitinkamai HFS įvesties ir išvesties prievadus ir yra lygiaverčiai 3 paveiksle pavaizduotiems 1 ir 4 prievadams. Faktiniai S11 matavimo rezultatai yra šiek tiek geresni nei modeliavimo rezultatai. Tuo pačiu metu išmatuoti S21 rezultatai yra šiek tiek blogesni. Priežastis gali būti ta, kad modeliavime nustatytas per didelis medžiagos laidumas ir prastas paviršiaus šiurkštumas po faktinio apdirbimo. Apskritai išmatuoti rezultatai gerai atitinka modeliavimo rezultatus, o perdavimo pralaidumas atitinka 70 GHz reikalavimą, o tai patvirtina siūlomo dviejų režimų SDV-TWT įgyvendinamumą ir teisingumą. Todėl, kartu su faktiniu gamybos procesu ir bandymų rezultatais, šiame straipsnyje siūlomas itin plačiajuostis dviejų spindulių SDV-TWT dizainas gali būti naudojamas vėlesnei gamybai ir pritaikymams.
Šiame straipsnyje pateikiamas detalus plokštuminio paskirstymo 220 GHz dviejų spindulių SDV-TWT projektas. Dviejų režimų veikimo ir dviejų spindulių sužadinimo derinys dar labiau padidina darbinį pralaidumą ir išėjimo galią. Taip pat atliekama gamyba ir šaltasis bandymas, siekiant patikrinti viso aukšto dažnio signalo (HFS) teisingumą. Faktiniai matavimo rezultatai gerai atitinka modeliavimo rezultatus. Suprojektuotam dviejų spindulių EOS kaukės sekcija ir valdymo elektrodai buvo naudojami kartu, kad būtų sukurtas dviejų pieštukų spindulys. Esant suprojektuotam vienodam fokusuojančiam magnetiniam laukui, elektronų pluoštas gali būti stabiliai perduodamas dideliais atstumais ir išlaikant gerą formą. Ateityje bus atliekama EOS gamyba ir bandymai, taip pat bus atliekamas viso TWT terminis bandymas. Šiame straipsnyje siūloma SDV-TWT projektavimo schema visiškai sujungia dabartinę brandžią plokštuminio apdorojimo technologiją ir rodo didelį potencialą našumo rodiklių, apdorojimo ir surinkimo srityse. Todėl šiame straipsnyje manoma, kad plokštuminė struktūra greičiausiai taps vakuuminių elektroninių prietaisų terahercų diapazone plėtros tendencija.
Dauguma šiame tyrime naudotų neapdorotų duomenų ir analitinių modelių buvo įtraukti į šį straipsnį. Daugiau informacijos galite gauti iš atitinkamo autoriaus, pateikus pagrįstą prašymą.
Gamzina, D. ir kt. Subterahercinių vakuuminių elektronikos gaminių CNC apdirbimas nanoskalės metodu. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. ir Paoloni, C. Subterahercinių bangolaidžių mikrogamyba UV-LIGA technologija naudojant daugiasluoksnį SU-8 fotorezistą. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS ir kt. 2017 m. THz technologijos veiksmų planas. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR ir Luhmann, NC. Stiprus plazmoninių bangų sklidimo ribojimas ultraplačiajuosčiais laiptuoto dvigubo gardelio bangolaidžiais.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. ir kt. Nano CNC apdirbto 220 GHz sklendžiančiosios bangos vamzdinio stiprintuvo veikimas. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. ir Ruan, CJ. Be galo plačių lakštinių elektronų pluoštų diokotroninio nestabilumo tyrimas naudojant makroskopinę šalto skysčio modelio teoriją. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV, apie galimybę padidinti pralaidumą naudojant plokštuminį pluošto išdėstymą daugiaspindulyje klistrone. 12-ojoje IEEE tarptautinėje vakuuminės elektronikos konferencijoje, Bangalūras, Indija, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ ir kt. Trijų spindulių elektroninių patrankų su siauru spindulių skaidymo plokštumos pasiskirstymu projektavimas W juostos laipsniško dvigubo menčio bėgančiosios bangos vamzdyje [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB ir Ruan, CJ. Planarinė paskirstyta trijų spindulių elektroninė optinė sistema su siauru spindulių atskyrimu, skirta W juostos pagrindinio režimo TWT. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Tyrimas apie įterptą dvigubų menčių keliaujančios bangos vamzdį su milimetrinių bangų lakštinėmis sijomis 20-22 (daktaro laipsnis, Beihango universitetas, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. ir He, Y. G juostos susipynusio dviejų menčių keliaujančios bangos vamzdžio pluošto ir bangos sąveikos stabilumo tyrimas. 2018 m. 43-ioji tarptautinė infraraudonųjų spindulių milimetrinių ir terahercinių bangų konferencija, Nagoja. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).