Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai izslēgt saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, vietne tiks attēlota bez stiliem un JavaScript.
Šajā rakstā ir izstrādāta un pārbaudīta 220 GHz platjoslas lieljaudas savstarpēji savienota divu asmeņu skrejošā viļņa lampa. Vispirms tiek piedāvāta plakana divu staru pakāpeniska divu asmeņu lēna viļņa struktūra. Izmantojot divu režīmu darbības shēmu, pārraides veiktspēja un joslas platums ir gandrīz divreiz lielāks nekā viena režīma shēmai. Otrkārt, lai izpildītu augstas izejas jaudas prasības un uzlabotu skrejošā viļņa lampas stabilitāti, ir izstrādāta dubulta zīmuļa formas elektroniskā optiskā sistēma, kuras vadības spriegums ir 20–21 kV, un strāva ir 2 × 80 mA. Projektēšanas mērķi. Izmantojot maskas daļu un vadības elektrodu divu staru lielgabalā, abus zīmuļa starus var fokusēt pa to attiecīgajiem centriem ar kompresijas pakāpi 7, fokusēšanas attālums ir aptuveni 0,18 mm, un stabilitāte ir laba. Ir optimizēta arī vienmērīgā magnētiskā fokusēšanas sistēma. Plaknes divu elektronu staru stabilais pārraides attālums var sasniegt 45 mm, un fokusējošais magnētiskais lauks ir 0,6 T, kas ir pietiekami, lai aptvertu visu augstfrekvences sistēmu (HFS). Pēc tam, lai pārbaudītu lietojamību... Visai HFS tika veiktas arī elektronoptiskās sistēmas un lēno viļņu struktūras veiktspējas daļiņu šūnas (PIC) simulācijas. Rezultāti liecina, ka staru mijiedarbības sistēma var sasniegt maksimālo izejas jaudu gandrīz 310 W pie 220 GHz, optimizētais staru spriegums ir 20,6 kV, staru strāva ir 2 × 80 mA, pastiprinājums ir 38 dB un 3 dB joslas platums pārsniedz 35 dB aptuveni 70 GHz frekvencē. Visbeidzot, tiek veikta augstas precizitātes mikrostruktūras izgatavošana, lai pārbaudītu HFS veiktspēju, un rezultāti liecina, ka joslas platums un pārraides raksturlielumi labi atbilst simulācijas rezultātiem. Tāpēc paredzams, ka šajā rakstā piedāvātā shēma ļaus izstrādāt augstas jaudas, īpaši platjoslas terahercu joslas starojuma avotus ar potenciālu nākotnes pielietojumiem.
Kā tradicionāla vakuuma elektroniska ierīce, skrejošā viļņa lampa (TWT) spēlē neaizstājamu lomu daudzās lietojumprogrammās, piemēram, augstas izšķirtspējas radaros, satelītu sakaru sistēmās un kosmosa izpētē1,2,3. Tomēr, tā kā darba frekvence nonāk terahercu joslā, tradicionālās savienotās dobuma TWT un spirālveida TWT nav spējušas apmierināt cilvēku vajadzības relatīvi zemās izejas jaudas, šaurā joslas platuma un sarežģīto ražošanas procesu dēļ. Tāpēc daudzām zinātniskās pētniecības iestādēm ir kļuvis par ļoti satraucošu jautājumu, kā visaptveroši uzlabot THz joslas veiktspēju. Pēdējos gados jaunās lēno viļņu struktūras (LWS), piemēram, pakāpeniskas divu asmeņu (SDV) struktūras un salocītas viļņvada (FW) struktūras, ir saņēmušas plašu uzmanību to dabisko plaknes struktūru dēļ, īpaši jaunās SDV-SWS ar daudzsološu potenciālu. Šo struktūru 2008. gadā ierosināja UC-Davis4. Plaknes struktūru var viegli izgatavot, izmantojot mikro-nano apstrādes metodes, piemēram, datora ciparu vadību (CNC) un UV-LIGA, pilnībā metāla korpusa struktūra var nodrošināt lielāku siltumietilpību ar lielāku izejas jaudu un pastiprinājumu, un viļņvada veida struktūra var nodrošināt arī plašāku darba joslas platumu. Pašlaik UC Davis 2017. gadā pirmo reizi pierādīja, ka SDV-TWT var ģenerēt lielas jaudas izejas, kas pārsniedz 100 W, un gandrīz 14 GHz joslas platuma signālus G joslā5. Tomēr šiem rezultātiem joprojām ir nepilnības, kas neatbilst saistītajām lielas jaudas un plaša joslas platuma prasībām terahercu joslā. UC-Davis G joslas SDV-TWT ir izmantoti lokšņu elektronu stari. Lai gan šī shēma var ievērojami uzlabot stara strāvas caurlaidību, lokšņu stara elektronu optiskās sistēmas (EOS) nestabilitātes dēļ ir grūti uzturēt lielu pārraides attālumu, un pastāv pārrežīma stara tunelis, kas var izraisīt arī stara pašregulāciju. – Ierosme un svārstības 6,7. Lai izpildītu THz TWT augstas izejas jaudas, plaša joslas platuma un labas stabilitātes prasības, šajā rakstā tiek piedāvāts divu staru SDV-SWS ar divu režīmu darbību. Tas ir, lai palielinātu darbības joslas platumu, šajā struktūrā tiek piedāvāta un ieviesta divu režīmu darbība. Un, lai palielinātu izejas jaudu, tiek izmantots arī divu zīmuļa staru plaknes sadalījums. Viena zīmuļa stara radio ir salīdzinoši mazi vertikālo izmēru ierobežojumu dēļ. Ja strāvas blīvums ir pārāk augsts, stara strāva ir jāsamazina, kā rezultātā izejas jauda ir relatīvi zema. Lai uzlabotu stara strāvu, ir parādījusies plaknes izkliedēta daudzstaru EOS, kas izmanto SWS sānu izmēru. Pateicoties neatkarīgai stara tunelēšanai, plaknes izkliedētais daudzstaru var sasniegt augstu izejas jaudu, saglabājot augstu kopējo stara strāvu un nelielu strāvu uz staru, kas var izvairīties no pārrežīma stara tunelēšanas salīdzinājumā ar lokšņu staru ierīcēm. Tāpēc ir izdevīgi saglabāt skrejošā viļņa lampas stabilitāti. Pamatojoties uz iepriekšējiem darbiem8,9, šajā rakstā tiek piedāvāta G joslas vienmērīga magnētiskā Lauka fokusēšanas dubultā zīmuļa stara EOS, kas var ievērojami uzlabot stara stabilo pārraides attālumu un vēl vairāk palielināt stara mijiedarbības laukumu, tādējādi ievērojami uzlabojot izejas jaudu.
Šī raksta struktūra ir šāda. Vispirms ir aprakstīts SWS šūnas dizains ar parametriem, dispersijas raksturlielumu analīze un augstfrekvences simulācijas rezultāti. Pēc tam, atbilstoši vienības šūnas struktūrai, šajā rakstā ir izstrādāta dubultā zīmuļstaru EOS un staru mijiedarbības sistēma. Tiek sniegti arī starpšūnu daļiņu simulācijas rezultāti, lai pārbaudītu EOS lietojamību un SDV-TWT veiktspēju. Turklāt rakstā īsi aprakstīti izgatavošanas un aukstās pārbaudes rezultāti, lai pārbaudītu visas HFS pareizību. Visbeidzot, tiek sniegts kopsavilkums.
Kā viena no svarīgākajām TWT sastāvdaļām, lēno viļņu struktūras dispersīvās īpašības norāda, vai elektronu ātrums atbilst SWS fāzes ātrumam, un tādējādi tām ir liela ietekme uz staru kūļa mijiedarbību. Lai uzlabotu visa TWT veiktspēju, ir izstrādāta uzlabota mijiedarbības struktūra. Vienības šūnas struktūra ir parādīta 1. attēlā. Ņemot vērā lokšņu staru nestabilitāti un viena pildspalvas staru kūļa jaudas ierobežojumus, struktūra pieņem dubultu pildspalvas staru kūli, lai vēl vairāk uzlabotu izejas jaudu un darbības stabilitāti. Tikmēr, lai palielinātu darba joslas platumu, SWS darbībai ir ierosināts divkāršais režīms. Pateicoties SDV struktūras simetrijai, elektromagnētiskā lauka dispersijas vienādojuma risinājumu var iedalīt nepāra un pāra režīmos. Vienlaikus zemfrekvences joslas pamata nepāra režīms un augstfrekvences joslas pamata pāra režīms tiek izmantoti, lai realizētu staru mijiedarbības platjoslas sinhronizāciju, tādējādi vēl vairāk uzlabojot darba joslas platumu.
Atbilstoši jaudas prasībām visa caurule ir konstruēta ar 20 kV vadības spriegumu un 2 × 80 mA dubultā stara strāvu. Lai spriegumu pēc iespējas precīzāk pielāgotu SDV-SWS darbības joslas platumam, mums jāaprēķina perioda garums p. Stara sprieguma un perioda attiecība ir parādīta (1)10. vienādojumā:
Iestatot fāzes nobīdi uz 2,5π pie centrālās frekvences 220 GHz, periodu p var aprēķināt kā 0,46 mm. 2.a attēlā parādītas SWS vienības šūnas dispersijas īpašības. 20 kV staru kūļa līnija ļoti labi atbilst bimodālajai līknei. Atbilstošās frekvenču joslas var sasniegt aptuveni 70 GHz 210–265,3 GHz (nepāra režīmā) un 265,4–280 GHz (pāra režīmā) diapazonos. 2.b attēlā parādīta vidējā savienojuma pretestība, kas ir lielāka par 0,6 Ω no 210 līdz 290 GHz, norādot, ka darbības joslas platumā var notikt spēcīga mijiedarbība.
(a) Divu režīmu SDV-SWS dispersijas raksturlielumi ar 20 kV elektronu staru līniju. (b) SDV lēno viļņu ķēdes mijiedarbības impedance.
Tomēr ir svarīgi atzīmēt, ka starp nepāra un pāra režīmiem pastāv joslas atstarpe, un mēs parasti šo joslas atstarpi saucam par stopjoslu, kā parādīts 2.a attēlā. Ja TWT darbojas šīs frekvenču joslas tuvumā, var rasties spēcīgs stara savienojuma stiprums, kas novedīs pie nevēlamām svārstībām. Praktiskos pielietojumos mēs parasti izvairāmies no TWT izmantošanas stopjoslas tuvumā. Tomēr var redzēt, ka šīs lēno viļņu struktūras joslas atstarpe ir tikai 0,1 GHz. Ir grūti noteikt, vai šī mazā joslas atstarpe izraisa svārstības. Tāpēc nākamajā PIC simulācijas sadaļā tiks pētīta darbības stabilitāte ap stopjoslu, lai analizētu, vai var rasties nevēlamas svārstības.
Visa HFS modelis ir parādīts 3. attēlā. Tas sastāv no diviem SDV-SWS posmiem, kas savienoti ar Brega reflektoriem. Reflektora funkcija ir pārtraukt signāla pārraidi starp abiem posmiem, nomākt svārstības un nedarbojošos režīmu, piemēram, augstas kārtas režīmu, kas rodas starp augšējiem un apakšējiem lāpstiņām, atstarošanos, tādējādi ievērojami uzlabojot visas lampas stabilitāti. Savienošanai ar ārējo vidi tiek izmantots arī lineārs konusveida savienotājs, lai savienotu SWS ar WR-4 standarta viļņvadu. Divu līmeņu struktūras caurlaidības koeficientu mēra ar laika domēna risinātāju 3D simulācijas programmatūrā. Ņemot vērā terahercu joslas faktisko ietekmi uz materiālu, vakuuma apvalka materiāls sākotnēji tiek iestatīts uz varu, un vadītspēja tiek samazināta līdz 2,25 × 107 S/m12.
4. attēlā parādīti HFS pārraides rezultāti ar un bez lineāriem konusveida savienotājiem. Rezultāti liecina, ka savienotājam ir maza ietekme uz visa HFS pārraides veiktspēju. Visas sistēmas atgriešanās zudumi (S11 < −10 dB) un ievietošanas zudumi (S21 > −5 dB) 207–280 GHz platjoslas diapazonā liecina, ka HFS ir labas pārraides īpašības.
Kā vakuuma elektronisko ierīču barošanas avots elektronu lielgabals tieši nosaka, vai ierīce var ģenerēt pietiekamu izejas jaudu. Apvienojumā ar II sadaļā veikto HFS analīzi ir jāprojektē divu staru EOS, lai nodrošinātu pietiekamu jaudu. Šajā daļā, pamatojoties uz iepriekšējiem darbiem W joslā8,9, tiek projektēts divu zīmuļu elektronu lielgabals, izmantojot plaknes maskas daļu un vadības elektrodus. Vispirms saskaņā ar SWS projektēšanas prasībām sadaļā11. Kā parādīts 1. attēlā. 2. elektronu staru piedziņas spriegums Ua sākotnēji ir iestatīts uz 20 kV, abu elektronu staru strāvas I ir 80 mA, un elektronu staru staru diametrs dw ir 0,13 mm. Vienlaikus, lai nodrošinātu elektronu staru un katoda strāvas blīvuma sasniegšanu, elektronu staru saspiešanas pakāpe ir iestatīta uz 7, tātad elektronu staru strāvas blīvums ir 603 A/cm2 un katoda strāvas blīvums ir 86 A/cm2, ko var panākt, izmantojot jaunus katoda materiālus. Saskaņā ar konstrukcijas teoriju 14, 15, 16, 17, tipisku Pīrsa elektronu lielgabalu var unikāli identificēt.
5. attēlā redzamas attiecīgi lielgabala horizontālās un vertikālās shematiskās diagrammas. Var redzēt, ka elektronu lielgabala profils x virzienā ir gandrīz identisks tipiska loksnes formas elektronu lielgabala profilam, savukārt y virzienā abus elektronu starus daļēji atdala maska. Abu katodu pozīcijas ir attiecīgi x = –0,155 mm, y = 0 mm un x = 0,155 mm, y = 0 mm. Saskaņā ar kompresijas pakāpes un elektronu injekcijas izmēra konstrukcijas prasībām abu katodu virsmu izmēri ir noteikti 0,91 mm × 0,13 mm.
Lai katra elektronu stara x virzienā uztvertais fokusētais elektriskais lauks būtu simetrisks attiecībā pret savu centru, šajā rakstā elektronu lielgabalam tiek pielietots vadības elektrods. Iestatot fokusējošā elektroda un vadības elektroda spriegumu uz −20 kV un anoda spriegumu uz 0 V, mēs varam iegūt divu staru lielgabala trajektorijas sadalījumu, kā parādīts 6. attēlā. Var redzēt, ka izstarotajiem elektroniem ir laba saspiežamība y virzienā, un katrs elektronu stars konverģē x virzienā pa savu simetrijas centru, kas norāda, ka vadības elektrods līdzsvaro fokusējošā elektroda radīto nevienlīdzīgo elektrisko lauku.
7. attēlā redzams stara apvalks x un y virzienos. Rezultāti liecina, ka elektronu stara projekcijas attālums x virzienā atšķiras no attāluma y virzienā. Projekcijas attālums x virzienā ir aptuveni 4 mm, un projekcijas attālums y virzienā ir tuvu 7 mm. Tāpēc faktiskais projekcijas attālums jāizvēlas no 4 līdz 7 mm. 8. attēlā redzams elektronu stara šķērsgriezums 4,6 mm attālumā no katoda virsmas. Var redzēt, ka šķērsgriezuma forma ir vistuvākā standarta apļveida elektronu staram. Attālums starp abiem elektronu stariem ir tuvu projektētajiem 0,31 mm, un rādiuss ir aptuveni 0,13 mm, kas atbilst projektētajām prasībām. 9. attēlā parādīti stara strāvas simulācijas rezultāti. Var redzēt, ka abu staru strāvas ir 76 mA, kas labi atbilst projektētajiem 80 mA.
Ņemot vērā vadības sprieguma svārstības praktiskos pielietojumos, ir jāizpēta šī modeļa sprieguma jutība. Sprieguma diapazonā no 19,8 līdz 20,6 kV iegūst strāvas un stara strāvas aploksnes, kā parādīts 1. attēlā un 1.10. un 11. attēlā. No rezultātiem var redzēt, ka vadības sprieguma izmaiņām nav ietekmes uz elektronu stara aploksni, un elektronu stara strāva mainās tikai no 0,74 līdz 0,78 A. Tādēļ var uzskatīt, ka šajā darbā projektētajam elektronu lielgabalam ir laba sprieguma jutība.
Braukšanas sprieguma svārstību ietekme uz x un y virziena staru apvalkiem.
Vienmērīgs magnētiskais fokusēšanas lauks ir izplatīta pastāvīgā magnēta fokusēšanas sistēma. Pateicoties vienmērīgajam magnētiskā lauka sadalījumam visā stara kanālā, tas ir ļoti piemērots aksiāli simetriskiem elektronu stariem. Šajā sadaļā tiek piedāvāta vienmērīga magnētiskā fokusēšanas sistēma dubulto zīmuļveida staru pārraides uzturēšanai lielos attālumos. Analizējot ģenerēto magnētisko lauku un stara apvalku, tiek piedāvāta fokusēšanas sistēmas projektēšanas shēma un tiek pētīta jutības problēma. Saskaņā ar viena zīmuļveida stara stabilās pārraides teoriju18,19, Briljuēna magnētiskā lauka vērtību var aprēķināt, izmantojot vienādojumu (2). Šajā rakstā mēs izmantojam šo ekvivalenci arī, lai novērtētu sāniski izkliedēta dubultā zīmuļveida stara magnētisko lauku. Apvienojumā ar šajā rakstā projektēto elektronu lielgabalu aprēķinātā magnētiskā lauka vērtība ir aptuveni 4000 Gs. Saskaņā ar 20. atsauci praktiskos projektos parasti tiek izvēlēta 1,5–2 reizes lielāka vērtība nekā aprēķinātā.
12. attēlā parādīta vienmērīga magnētiskā lauka fokusēšanas lauka sistēmas struktūra. Zilā daļa ir pastāvīgais magnēts, kas magnetizēts aksiālā virzienā. Materiāla izvēle ir NdFeB vai FeCoNi. Simulācijas modelī iestatītā atlikušā Br vērtība ir 1,3 T, un caurlaidība ir 1,05. Lai nodrošinātu stabilu stara pārraidi visā ķēdē, magnēta garums sākotnēji ir iestatīts uz 70 mm. Turklāt magnēta izmērs x virzienā nosaka, vai šķērsvirziena magnētiskais lauks stara kanālā ir vienmērīgs, kas prasa, lai izmērs x virzienā nebūtu pārāk mazs. Vienlaikus, ņemot vērā visas caurules izmaksas un svaru, magnēta izmēram nevajadzētu būt pārāk lielam. Tāpēc magnētu sākotnējie izmēri ir iestatīti uz 150 mm × 150 mm × 70 mm. Tikmēr, lai nodrošinātu, ka visu lēno viļņu ķēdi var ievietot fokusēšanas sistēmā, attālums starp magnētiem ir iestatīts uz 20 mm.
2015. gadā Purna Čandra Panda21 ierosināja pola elementu ar jaunu pakāpienveida caurumu vienmērīgā magnētiskās fokusēšanas sistēmā, kas var vēl vairāk samazināt plūsmas noplūdes lielumu uz katodu un pola elementa caurumā ģenerēto šķērsvirziena magnētisko lauku. Šajā rakstā mēs fokusēšanas sistēmas pola elementam pievienojam pakāpienveida struktūru. Pola elementa sākotnējais biezums ir iestatīts uz 1,5 mm, trīs pakāpienu augstums un platums ir 0,5 mm, un attālums starp pola elementa caurumiem ir 2 mm, kā parādīts 13. attēlā.
14.a attēlā parādīts aksiālā magnētiskā lauka sadalījums pa abu elektronu staru centra līnijām. Var redzēt, ka magnētiskā lauka spēki gar abiem elektronu stariem ir vienādi. Magnētiskā lauka vērtība ir aptuveni 6000 Gs, kas ir 1,5 reizes lielāka par teorētisko Briljuēna lauku, lai palielinātu pārraides un fokusēšanas veiktspēju. Tajā pašā laikā magnētiskais lauks pie katoda ir gandrīz 0, kas norāda, ka pola elementam ir laba ietekme uz magnētiskās plūsmas noplūdes novēršanu. 14.b attēlā parādīts šķērsvirziena magnētiskā lauka sadalījums B z virzienā abu elektronu staru augšējā malā. Var redzēt, ka šķērsvirziena magnētiskais lauks ir mazāks par 200 Gs tikai pola elementa atverē, savukārt lēnviļņu ķēdē šķērsvirziena magnētiskais lauks ir gandrīz nulle, kas pierāda, ka šķērsvirziena magnētiskā lauka ietekme uz elektronu staru ir niecīga. Lai novērstu polu elementu magnētisko piesātinājumu, ir jāpēta magnētiskā lauka stiprums polu elementu iekšpusē. 14.c attēlā parādīta magnētiskā lauka sadalījuma absolūtā vērtība polu elementa iekšpusē. Var redzēt, ka magnētiskā lauka stipruma absolūtā vērtība ir mazāka par mazāks par 1,2 T, kas norāda, ka pola elementa magnētiskā piesātināšana nenotiks.
Magnētiskā lauka stipruma sadalījums Br = 1,3 T. (a) Aksiālais lauka sadalījums. (b) Sānu lauka sadalījums By z virzienā. (c) Lauka sadalījuma absolūtā vērtība pola elementā.
Pamatojoties uz CST PS moduli, tiek optimizēta divu staru lielgabala un fokusēšanas sistēmas aksiālā relatīvā pozīcija. Saskaņā ar 9. atsauci un simulācijām optimālā atrašanās vieta ir tur, kur anoda daļa pārklājas ar pola daļu prom no magnēta. Tomēr tika konstatēts, ka, ja atlikušā enerģija tiktu iestatīta uz 1,3 T, elektronu stara caurlaidība nevarētu sasniegt 99 %. Palielinot atlikušo enerģiju līdz 1,4 T, fokusējošais magnētiskais lauks tiktu palielināts līdz 6500 Gs. Stara trajektorijas xoz un yoz plaknēs ir parādītas 15. attēlā. Var redzēt, ka staram ir laba caurlaidība, nelielas svārstības un pārraides attālums, kas lielāks par 45 mm.
Divkāršu zīmuļveida staru trajektorijas homogēnā magnētiskā sistēmā ar Br = 1,4 T. (a) xoz plakne. (b) yoz lidmašīna.
16. attēlā parādīts stara šķērsgriezums dažādās pozīcijās prom no katoda. Var redzēt, ka stara šķērsgriezuma forma fokusēšanas sistēmā ir labi saglabāta, un šķērsgriezuma diametrs daudz nemainās. 17. attēlā parādītas stara aploksnes attiecīgi x un y virzienos. Var redzēt, ka stara svārstības abos virzienos ir ļoti mazas. 18. attēlā parādīti stara strāvas simulācijas rezultāti. Rezultāti liecina, ka strāva ir aptuveni 2 × 80 mA, kas atbilst elektronu lielgabala projektēšanā aprēķinātajai vērtībai.
Elektronu stara šķērsgriezums (ar fokusēšanas sistēmu) dažādās pozīcijās prom no katoda.
Ņemot vērā virkni problēmu, piemēram, montāžas kļūdas, sprieguma svārstības un magnētiskā lauka stipruma izmaiņas praktiskos apstrādes pielietojumos, ir jāanalizē fokusēšanas sistēmas jutība. Tā kā faktiskajā apstrādē starp anoda gabalu un pola gabalu ir atstarpe, šī atstarpe ir jāiestata simulācijā. Atstarpes vērtība tika iestatīta uz 0,2 mm, un 19.a attēlā parādīta stara aploksne un stara strāva y virzienā. Šis rezultāts parāda, ka stara aploksnes izmaiņas nav būtiskas un stara strāva gandrīz nemainās. Tāpēc sistēma nav jutīga pret montāžas kļūdām. Vadības sprieguma svārstībām kļūdu diapazons ir iestatīts uz ±0,5 kV. 19.b attēlā parādīti salīdzināšanas rezultāti. Var redzēt, ka sprieguma izmaiņām ir maza ietekme uz stara aploksni. Kļūdu diapazons ir iestatīts no -0,02 līdz +0,03 T magnētiskā lauka stipruma izmaiņām. Salīdzināšanas rezultāti ir parādīti 20. attēlā. Var redzēt, ka stara aploksne gandrīz nemainās, kas nozīmē, ka visa EOS nav jutīga pret magnētiskā lauka stipruma izmaiņām.
Stara apvalka un strāvas rezultāti vienmērīgā magnētiskās fokusēšanas sistēmā. (a) Montāžas pielaide ir 0,2 mm. (b) Braukšanas sprieguma svārstības ir ±0,5 kV.
Stara apvalks vienmērīgā magnētiskās fokusēšanas sistēmā ar aksiālā magnētiskā lauka stipruma svārstībām no 0,63 līdz 0,68 T.
Lai nodrošinātu, ka šajā rakstā izstrādātā fokusēšanas sistēma atbilst augstfrekvences skaņas sistēmai (HFS), pētījumā ir jāapvieno fokusēšanas sistēma un HFS. 21. attēlā parādīts stara apvalkoņu salīdzinājums ar un bez HFS. Rezultāti liecina, ka stara apvalkotājs daudz nemainās, kad viss HFS ir noslogots. Tāpēc fokusēšanas sistēma ir piemērota iepriekš minētās konstrukcijas skrejošā viļņa lampas HFS.
Lai pārbaudītu III sadaļā ierosinātā EOS pareizību un izpētītu 220 GHz SDV-TWT veiktspēju, tiek veikta staru-viļņu mijiedarbības 3D-PIC simulācija. Simulācijas programmatūras ierobežojumu dēļ mēs nevarējām pievienot visu EOS HFS. Tāpēc elektronu lielgabals tika aizstāts ar līdzvērtīgu emitējošo virsmu ar diametru 0,13 mm un attālumu starp abām virsmām 0,31 mm, kas ir tādi paši parametri kā iepriekš projektētajam elektronu lielgabalam. EOS nejutīguma un labās stabilitātes dēļ vadības spriegumu var pareizi optimizēt, lai sasniegtu labāko izejas jaudu PIC simulācijā. Simulācijas rezultāti liecina, ka piesātināto izejas jaudu un pastiprinājumu var iegūt pie vadības sprieguma 20,6 kV, staru strāvas 2 × 80 mA (603 A/cm2) un ieejas jaudas 0,05 W.
Lai iegūtu vislabāko izejas signālu, ir jāoptimizē arī ciklu skaits. Vislabākā izejas jauda tiek iegūta, ja divu posmu skaits ir 42 + 48 cikli, kā parādīts 22.a attēlā. 0,05 W ieejas signāls tiek pastiprināts līdz 314 W ar 38 dB pastiprinājumu. Ar ātro Furjē transformāciju (FFT) iegūtais izejas jaudas spektrs ir tīrs, sasniedzot maksimumu pie 220 GHz. 22.b attēlā parādīts elektronu enerģijas aksiālā stāvokļa sadalījums SWS, lielākajai daļai elektronu zaudējot enerģiju. Šis rezultāts norāda, ka SDV-SWS var pārveidot elektronu kinētisko enerģiju RF signālos, tādējādi realizējot signāla pastiprināšanu.
SDV-SWS izejas signāls 220 GHz frekvencē. (a) Izejas jauda ar iekļauto spektru. (b) Elektronu enerģijas sadalījums ar elektronu staru SWS ieliktņa galā.
23. attēlā redzams divu režīmu divu staru SDV-TWT izejas jaudas joslas platums un pastiprinājums. Izejas veiktspēju var vēl vairāk uzlabot, mainot frekvences no 200 līdz 275 GHz un optimizējot piedziņas spriegumu. Šis rezultāts parāda, ka 3 dB joslas platums var aptvert 205 līdz 275 GHz, kas nozīmē, ka divu režīmu darbība var ievērojami paplašināt darbības joslas platumu.
Tomēr, saskaņā ar 2.a attēlu, mēs zinām, ka starp nepāra un pāra režīmiem pastāv stopjosla, kas var izraisīt nevēlamas svārstības. Tāpēc ir jāpēta darba stabilitāte ap stopjoslām. 24.a-c attēlā ir 20 ns simulācijas rezultāti attiecīgi pie 265,3 GHz, 265,35 GHz un 265,4 GHz. Var redzēt, ka, lai gan simulācijas rezultātos ir dažas svārstības, izejas jauda ir relatīvi stabila. Spektrs ir parādīts arī attiecīgi 24. attēlā, spektrs ir tīrs. Šie rezultāti norāda, ka stopjoslas tuvumā nav pašsvārstību.
Izgatavošana un mērīšana ir nepieciešama, lai pārbaudītu visas augstfrekvences sliedes pareizību. Šajā daļā augstfrekvences sliede tiek izgatavota, izmantojot datora ciparu vadības (CNC) tehnoloģiju ar instrumenta diametru 0,1 mm un apstrādes precizitāti 10 μm. Augstfrekvences struktūras materiāls ir bezskābekļa augstas vadītspējas (OFHC) varš. 25.a attēlā parādīta izgatavotā struktūra. Visas struktūras garums ir 66,00 mm, platums 20,00 mm un augstums 8,66 mm. Pa struktūru ir izvietoti astoņi tapu caurumi. 25.b attēlā parādīta struktūra, izmantojot skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM). Šīs struktūras asmeņi ir vienmērīgi izgatavoti un tiem ir labs virsmas raupjums. Pēc precīziem mērījumiem kopējā apstrādes kļūda ir mazāka par 5%, un virsmas raupjums ir aptuveni 0,4 μm. Apstrādes struktūra atbilst konstrukcijas un precizitātes prasībām.
26. attēlā ir parādīts faktisko testa rezultātu un pārraides veiktspējas simulāciju salīdzinājums. 26.a attēlā redzamais 1. un 2. ports atbilst attiecīgi HFS ieejas un izejas portiem un ir līdzvērtīgi 3. attēlā redzamajam 1. un 4. portam. S11 faktiskie mērījumu rezultāti ir nedaudz labāki nekā simulācijas rezultāti. Tajā pašā laikā S21 izmērītie rezultāti ir nedaudz sliktāki. Iemesls varētu būt tāds, ka simulācijā iestatītā materiāla vadītspēja ir pārāk augsta un virsmas raupjums pēc faktiskās apstrādes ir slikts. Kopumā izmērītie rezultāti labi atbilst simulācijas rezultātiem, un pārraides joslas platums atbilst 70 GHz prasībai, kas apstiprina ierosinātā divējāda režīma SDV-TWT iespējamību un pareizību. Tādēļ, apvienojumā ar faktisko ražošanas procesu un testa rezultātiem, šajā rakstā piedāvāto īpaši platjoslas divstaru SDV-TWT dizainu var izmantot turpmākai ražošanai un pielietojumam.
Šajā rakstā ir sniegts detalizēts plaknes sadalījuma 220 GHz divu staru SDV-TWT projekts. Divu režīmu darbības un divu staru ierosmes kombinācija vēl vairāk palielina darbības joslas platumu un izejas jaudu. Tiek veikta arī izgatavošana un aukstā pārbaude, lai pārbaudītu visa HFS pareizību. Faktiskie mērījumu rezultāti labi atbilst simulācijas rezultātiem. Projektētajam divu staru EOS maskas sekcija un vadības elektrodi ir izmantoti kopā, lai radītu divu zīmuļu staru. Projektētajā vienmērīgajā fokusēšanas magnētiskajā laukā elektronu staru var stabili pārraidīt lielos attālumos ar labu formu. Nākotnē tiks veikta EOS ražošana un testēšana, kā arī tiks veikta visa TWT termiskā pārbaude. Šajā rakstā piedāvātā SDV-TWT projektēšanas shēma pilnībā apvieno pašreizējo nobriedušo plaknes apstrādes tehnoloģiju un parāda lielu potenciālu veiktspējas rādītājos, apstrādē un montāžā. Tāpēc šajā rakstā tiek uzskatīts, ka plaknei struktūrai, visticamāk, vajadzētu kļūt par vakuuma elektronisko ierīču attīstības tendenci terahercu joslā.
Lielākā daļa šajā pētījumā izmantoto neapstrādāto datu un analītisko modeļu ir iekļauti šajā rakstā. Papildu atbilstošu informāciju var iegūt no atbilstošā autora pēc saprātīga pieprasījuma.
Gamzina, D. et al. Zemterahercu vakuuma elektronikas nanoskalas CNC apstrāde. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. un Paoloni, C. Subterahercu viļņvadu mikroizgatavošana ar UV-LIGA tehnoloģiju, izmantojot daudzslāņu SU-8 fotorezistoru. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017. gada THz tehnoloģiju ceļvedis. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Šins, J. M., Bārnets, L. R. un Lūmans, Ziemeļkarolīna. Plazmonisko viļņu izplatīšanās spēcīga ierobežošana, izmantojot īpaši platjoslas pakāpeniskas dubultrežģa viļņvadus.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Nano CNC apstrādāta 220 GHz skrejviļņu lampas pastiprinātāja veiktspēja. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. un Ruan, CJ. Bezgalīgi platu lokšņu elektronu staru diokotronu nestabilitātes izpēte, izmantojot makroskopisku aukstā šķidruma modeļa teoriju. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskis, AV, par iespēju palielināt joslas platumu, izmantojot stara plaknes izkārtojumu daudzstaru klistronā. 12. IEEE Starptautiskajā vakuuma elektronikas konferencē, Bengalūru, Indija, 5747003, 317.–318. lpp. https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Ngujens, KJ u.c. Trīs staru elektronu lielgabalu ar šauru staru sadalīšanas plaknes sadalījumu dizains W joslas zigzagveida divu lāpstiņu skrejošā viļņa lampā [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Vangs, PP, Su, YY, Džans, Z., Vangs, WB un Ruans, CJ. Plakaniski izkliedēta trīsstaru elektronu optiskā sistēma ar šauru staru atdalījumu W joslas pamatrežīma TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Pētījums par savstarpēji savienotu divu lāpstiņu skrejošo viļņu cauruli ar milimetru viļņu lokšņu sijām 20-22 (doktora grāds, Beihangas Universitāte, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. un He, Y. Pētījums par G joslas savstarpēji savienotas divu asmeņu skrejošā viļņa lampas staru kūļa un viļņa mijiedarbības stabilitāti. 2018. gada 43. Starptautiskā konference par infrasarkanajiem milimetru un terahercu viļņiem, Nagoja. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).