Terima kasih kerana melayari Nature.com. Versi pelayar yang anda gunakan mempunyai sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan anda menggunakan pelayar yang dikemas kini (atau mematikan mod keserasian dalam Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan memaparkan laman web tanpa gaya dan JavaScript.
Dalam kertas kerja ini, tiub gelombang bergerak bilah berganda berselang-seli kuasa tinggi jalur lebar 220GHz direka bentuk dan disahkan. Pertama, struktur gelombang perlahan bilah berganda berperingkat satah dicadangkan. Dengan menggunakan skema operasi dwi-mod, prestasi dan lebar jalur penghantaran hampir dua kali ganda daripada mod tunggal. Kedua, untuk memenuhi keperluan kuasa output tinggi dan meningkatkan kestabilan tiub gelombang bergerak, sistem optik elektronik berbentuk pensel berganda direka bentuk, voltan pemacu ialah 20~21 kV, dan arus ialah 2 × 80 mA. Matlamat reka bentuk. Dengan menggunakan bahagian topeng dan elektrod kawalan dalam pistol pancaran berganda, dua pancaran pensel boleh difokuskan di sepanjang pusat masing-masing dengan nisbah mampatan 7, jarak fokus ialah kira-kira 0.18mm, dan kestabilannya adalah baik. Sistem fokus magnet seragam juga telah dioptimumkan. Jarak penghantaran stabil pancaran elektron berganda satah boleh mencapai 45 mm, dan medan magnet fokus ialah 0.6 T, yang mencukupi untuk meliputi keseluruhan sistem frekuensi tinggi (HFS). Kemudian, untuk Untuk mengesahkan kebolehgunaan sistem elektron-optik dan prestasi struktur gelombang perlahan, simulasi sel zarah (PIC) juga telah dilakukan pada keseluruhan HFS. Keputusan menunjukkan bahawa sistem interaksi pancaran boleh mencapai kuasa output puncak hampir 310 W pada 220 GHz, voltan pancaran yang dioptimumkan ialah 20.6 kV, arus pancaran ialah 2 × 80 mA, gandaan ialah 38 dB, dan lebar jalur 3-dB melebihi 35 dB kira-kira 70 GHz. Akhir sekali, fabrikasi mikrostruktur ketepatan tinggi dilakukan untuk mengesahkan prestasi HFS, dan keputusan menunjukkan bahawa lebar jalur dan ciri-ciri penghantaran adalah selaras dengan keputusan simulasi. Oleh itu, skema yang dicadangkan dalam kertas kerja ini dijangka akan membangunkan sumber sinaran jalur terahertz ultra-jalur lebar berkuasa tinggi dengan potensi untuk aplikasi masa hadapan.
Sebagai peranti elektronik vakum tradisional, tiub gelombang bergerak (TWT) memainkan peranan yang tidak tergantikan dalam banyak aplikasi seperti radar resolusi tinggi, sistem komunikasi satelit dan penerokaan angkasa lepas1,2,3. Walau bagaimanapun, apabila frekuensi operasi memasuki jalur terahertz, TWT rongga gandingan tradisional dan TWT heliks tidak dapat memenuhi keperluan orang ramai disebabkan oleh kuasa output yang agak rendah, lebar jalur yang sempit dan proses pembuatan yang sukar. Oleh itu, cara meningkatkan prestasi jalur THz secara komprehensif telah menjadi isu yang sangat membimbangkan bagi banyak institusi penyelidikan saintifik. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, struktur gelombang perlahan (SWS) baharu, seperti struktur bilah dwi berperingkat (SDV) dan struktur pandu gelombang terlipat (FW), telah mendapat perhatian yang meluas kerana struktur satah semula jadinya, terutamanya SDV-SWS baharu yang berpotensi menjanjikan. Struktur ini dicadangkan oleh UC-Davis pada tahun 20084. Struktur satah boleh dibuat dengan mudah menggunakan teknik pemprosesan mikro-nano seperti kawalan berangka komputer (CNC) dan UV-LIGA, struktur pakej semua logam boleh menyediakan kapasiti haba yang lebih besar dengan kuasa output yang lebih tinggi. dan gandaan, dan struktur seperti pandu gelombang juga boleh menyediakan lebar jalur kerja yang lebih luas. Pada masa ini, UC Davis menunjukkan buat kali pertama pada tahun 2017 bahawa SDV-TWT boleh menjana output berkuasa tinggi melebihi 100 W dan isyarat lebar jalur hampir 14 GHz dalam jalur-G5. Walau bagaimanapun, keputusan ini masih mempunyai jurang yang tidak dapat memenuhi keperluan berkaitan kuasa tinggi dan lebar jalur yang luas dalam jalur terahertz. Bagi SDV-TWT jalur-G UC-Davis, pancaran elektron kepingan telah digunakan. Walaupun skema ini boleh meningkatkan kapasiti pembawaan arus pancaran dengan ketara, sukar untuk mengekalkan jarak penghantaran yang jauh disebabkan oleh ketidakstabilan sistem optik elektron pancaran kepingan (EOS), dan terdapat terowong pancaran mod lampau, yang juga boleh menyebabkan pancaran mengawal selia kendiri. – Pengujaan dan ayunan 6,7. Untuk memenuhi keperluan kuasa output yang tinggi, lebar jalur yang luas dan kestabilan THz TWT yang baik, SDV-SWS dwi-rasuk dengan operasi dwi-mod dicadangkan dalam kertas kerja ini. Iaitu, untuk meningkatkan lebar jalur operasi, operasi dwi-mod dicadangkan dan diperkenalkan dalam struktur ini. Dan, untuk meningkatkan kuasa output, taburan satah bagi rasuk pensel berganda juga digunakan. Radio rasuk pensel tunggal agak kecil disebabkan oleh kekangan saiz menegak. Jika ketumpatan arus terlalu tinggi, arus rasuk mesti dikurangkan, menghasilkan kuasa output yang agak rendah. Untuk meningkatkan arus rasuk, EOS berbilang rasuk teragih satah telah muncul, yang mengeksploitasi saiz sisi SWS. Disebabkan oleh terowong rasuk bebas, berbilang rasuk teragih satah boleh mencapai kuasa output yang tinggi dengan mengekalkan arus rasuk jumlah yang tinggi dan arus kecil setiap rasuk, yang boleh mengelakkan terowong rasuk mod lampau berbanding peranti rasuk kepingan. Oleh itu, adalah bermanfaat untuk mengekalkan kestabilan tiub gelombang bergerak. Berdasarkan kerja sebelumnya 8,9, Kertas kerja ini mencadangkan medan magnet seragam jalur-G yang memfokuskan pancaran pensel berganda EOS, yang boleh meningkatkan jarak penghantaran pancaran yang stabil dengan ketara dan meningkatkan lagi luas interaksi pancaran, sekali gus meningkatkan kuasa output dengan ketara.
Struktur kertas kerja ini adalah seperti berikut. Pertama, reka bentuk sel SWS dengan parameter, analisis ciri penyebaran dan keputusan simulasi frekuensi tinggi diterangkan. Kemudian, mengikut struktur sel unit, EOS pancaran pensel berganda dan sistem interaksi pancaran direka bentuk dalam kertas kerja ini. Keputusan simulasi zarah intraselular juga dibentangkan untuk mengesahkan kebolehgunaan EOS dan prestasi SDV-TWT. Di samping itu, kertas kerja ini membentangkan secara ringkas keputusan fabrikasi dan ujian sejuk untuk mengesahkan ketepatan keseluruhan HFS. Akhir sekali, buat ringkasan.
Sebagai salah satu komponen TWT yang paling penting, sifat penyebaran struktur gelombang perlahan menunjukkan sama ada halaju elektron sepadan dengan halaju fasa SWS, dan dengan itu mempunyai pengaruh yang besar terhadap interaksi pancaran-gelombang. Untuk meningkatkan prestasi keseluruhan TWT, struktur interaksi yang dipertingkatkan direka bentuk. Struktur sel unit ditunjukkan dalam Rajah 1. Dengan mengambil kira ketidakstabilan pancaran kepingan dan had kuasa pancaran pen tunggal, struktur tersebut menggunakan pancaran pen berganda untuk meningkatkan lagi kuasa output dan kestabilan operasi. Sementara itu, untuk meningkatkan lebar jalur kerja, mod dwi telah dicadangkan untuk operasi SWS. Disebabkan oleh simetri struktur SDV, penyelesaian persamaan penyebaran medan elektromagnet boleh dibahagikan kepada mod ganjil dan genap. Pada masa yang sama, mod ganjil asas jalur frekuensi rendah dan mod genap asas jalur frekuensi tinggi digunakan untuk merealisasikan penyegerakan jalur lebar interaksi pancaran, sekali gus meningkatkan lagi lebar jalur kerja.
Mengikut keperluan kuasa, keseluruhan tiub direka bentuk dengan voltan pemacu 20 kV dan arus pancaran berganda 2 × 80 mA. Untuk memadankan voltan sedekat mungkin dengan lebar jalur operasi SDV-SWS, kita perlu mengira panjang tempoh p. Hubungan antara voltan pancaran dan tempoh ditunjukkan dalam persamaan (1)10:
Dengan menetapkan anjakan fasa kepada 2.5π pada frekuensi tengah 220 GHz, tempoh p boleh dikira menjadi 0.46 mm. Rajah 2a menunjukkan sifat penyebaran sel unit SWS. Garis pancaran 20 kV sepadan dengan lengkung bimodal dengan sangat baik. Jalur frekuensi yang sepadan boleh mencapai sekitar 70 GHz dalam julat 210–265.3 GHz (mod ganjil) dan 265.4–280 GHz (mod genap). Rajah 2b menunjukkan purata impedans gandingan, yang lebih besar daripada 0.6 Ω dari 210 hingga 290 GHz, menunjukkan bahawa interaksi yang kuat mungkin berlaku dalam lebar jalur operasi.
(a) Ciri-ciri penyebaran SDV-SWS dwi-mod dengan garis alur elektron 20 kV. (b) Impedans interaksi litar gelombang perlahan SDV.
Walau bagaimanapun, adalah penting untuk ambil perhatian bahawa terdapat jurang jalur antara mod ganjil dan genap, dan kita biasanya merujuk kepada jurang jalur ini sebagai jalur henti, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2a. Jika TWT dikendalikan berhampiran jalur frekuensi ini, kekuatan gandingan pancaran yang kuat mungkin berlaku, yang akan menyebabkan ayunan yang tidak diingini. Dalam aplikasi praktikal, kita biasanya mengelakkan penggunaan TWT berhampiran jalur henti. Walau bagaimanapun, dapat dilihat bahawa jurang jalur struktur gelombang perlahan ini hanya 0.1 GHz. Sukar untuk menentukan sama ada jurang jalur kecil ini menyebabkan ayunan. Oleh itu, kestabilan operasi di sekitar jalur henti akan disiasat dalam bahagian simulasi PIC berikut untuk menganalisis sama ada ayunan yang tidak diingini mungkin berlaku.
Model keseluruhan HFS ditunjukkan dalam Rajah 3. Ia terdiri daripada dua peringkat SDV-SWS, yang disambungkan oleh pemantul Bragg. Fungsi pemantul adalah untuk memotong penghantaran isyarat antara dua peringkat, menyekat ayunan dan pantulan mod tidak berfungsi seperti mod tertib tinggi yang dijana antara bilah atas dan bawah, sekali gus meningkatkan kestabilan keseluruhan tiub dengan ketara. Untuk sambungan ke persekitaran luaran, pengganding tirus linear juga digunakan untuk menyambungkan SWS kepada pandu gelombang piawai WR-4. Pekali penghantaran struktur dua peringkat diukur oleh penyelesai domain masa dalam perisian simulasi 3D. Dengan mengambil kira kesan sebenar jalur terahertz pada bahan, bahan sampul vakum pada mulanya ditetapkan kepada kuprum, dan kekonduksian dikurangkan kepada 2.25×107 S/m12.
Rajah 4 menunjukkan keputusan penghantaran untuk HFS dengan dan tanpa pengganding tirus linear. Keputusan menunjukkan bahawa pengganding mempunyai sedikit kesan terhadap prestasi penghantaran keseluruhan HFS. Kerugian pulangan (S11 < − 10 dB) dan kehilangan sisipan (S21 > − 5 dB) keseluruhan sistem dalam jalur lebar 207~280 GHz menunjukkan bahawa HFS mempunyai ciri-ciri penghantaran yang baik.
Sebagai bekalan kuasa peranti elektronik vakum, pistol elektron secara langsung menentukan sama ada peranti tersebut boleh menjana kuasa output yang mencukupi. Digabungkan dengan analisis HFS dalam Bahagian II, EOS dwi-alur perlu direka bentuk untuk menyediakan kuasa yang mencukupi. Dalam bahagian ini, berdasarkan kerja sebelumnya dalam jalur-W 8,9, pistol elektron pensel berganda direka bentuk menggunakan bahagian topeng satah dan elektrod kawalan. Pertama, mengikut keperluan reka bentuk SWS dalam Bahagian. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 2, voltan pemacu Ua bagi pancaran elektron pada mulanya ditetapkan kepada 20 kV, arus I bagi kedua-dua pancaran elektron ialah 80 mA, dan diameter pancaran dw bagi pancaran elektron ialah 0.13 mm. Pada masa yang sama, untuk memastikan ketumpatan arus pancaran elektron dan katod dapat dicapai, nisbah mampatan pancaran elektron ditetapkan kepada 7, jadi ketumpatan arus pancaran elektron ialah 603 A/cm2, dan ketumpatan arus katod ialah 86 A/cm2, yang boleh dicapai dengan. Ini dicapai menggunakan bahan katod baharu. Menurut teori reka bentuk 14, 15, 16, 17, pistol elektron Pierce yang tipikal boleh dikenal pasti secara unik.
Rajah 5 menunjukkan gambarajah skematik mendatar dan menegak senapang. Dapat dilihat bahawa profil senapang elektron dalam arah-x hampir sama dengan senapang elektron seperti kepingan biasa, manakala dalam arah-y, kedua-dua alur elektron dipisahkan sebahagiannya oleh topeng. Kedudukan kedua-dua katod masing-masing berada pada x = – 0.155 mm, y = 0 mm dan x = 0.155 mm, y = 0 mm. Mengikut keperluan reka bentuk nisbah mampatan dan saiz suntikan elektron, dimensi dua permukaan katod ditentukan sebagai 0.91 mm × 0.13 mm.
Untuk menjadikan medan elektrik fokus yang diterima oleh setiap pancaran elektron dalam arah-x simetri pada pusatnya sendiri, kertas kerja ini menggunakan elektrod kawalan pada pistol elektron. Dengan menetapkan voltan elektrod pemfokusan dan elektrod kawalan kepada −20 kV, dan voltan anod kepada 0 V, kita boleh mendapatkan taburan trajektori pistol pancaran dwi, ​​seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6. Dapat dilihat bahawa elektron yang dipancarkan mempunyai kebolehmampatan yang baik dalam arah-y, dan setiap pancaran elektron menumpu ke arah arah-x di sepanjang pusat simetrinya sendiri, yang menunjukkan bahawa elektrod kawalan mengimbangi medan elektrik yang tidak sama rata yang dihasilkan oleh elektrod pemfokusan.
Rajah 7 menunjukkan sampul pancaran dalam arah x dan y. Keputusan menunjukkan bahawa jarak unjuran pancaran elektron dalam arah-x adalah berbeza daripada jarak dalam arah-y. Jarak lontaran dalam arah-x adalah kira-kira 4mm, dan jarak lontaran dalam arah-y adalah hampir dengan 7mm. Oleh itu, jarak lontaran sebenar harus dipilih antara 4 dan 7 mm. Rajah 8 menunjukkan keratan rentas pancaran elektron pada 4.6 mm dari permukaan katod. Kita dapat melihat bahawa bentuk keratan rentas adalah paling hampir dengan pancaran elektron bulat piawai. Jarak antara dua pancaran elektron adalah hampir dengan 0.31 mm yang direka bentuk, dan jejari adalah kira-kira 0.13 mm, yang memenuhi keperluan reka bentuk. Rajah 9 menunjukkan keputusan simulasi arus pancaran. Dapat dilihat bahawa kedua-dua arus pancaran ialah 76mA, yang sepadan dengan 80mA yang direka bentuk.
Memandangkan turun naik voltan pemacu dalam aplikasi praktikal, adalah perlu untuk mengkaji kepekaan voltan model ini. Dalam julat voltan 19.8 ~ 20.6 kV, sampul arus dan pancaran diperoleh, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 dan Rajah 1.10 dan 11. Daripada keputusan, dapat dilihat bahawa perubahan voltan pemacu tidak memberi kesan pada sampul pancaran elektron, dan arus pancaran elektron hanya berubah dari 0.74 hingga 0.78 A. Oleh itu, boleh dianggap bahawa pistol elektron yang direka bentuk dalam kertas ini mempunyai kepekaan yang baik terhadap voltan.
Kesan turun naik voltan pemacu pada sampul rasuk arah-x dan-y.
Medan pemfokusan magnet seragam ialah sistem pemfokusan magnet kekal yang biasa. Disebabkan oleh taburan medan magnet seragam di seluruh saluran pancaran, ia sangat sesuai untuk pancaran elektron paksisimetri. Dalam bahagian ini, sistem pemfokusan magnet seragam untuk mengekalkan penghantaran jarak jauh pancaran pensel berganda dicadangkan. Dengan menganalisis medan magnet dan sampul pancaran yang dijana, skema reka bentuk sistem pemfokusan dicadangkan, dan masalah kepekaan dikaji. Mengikut teori penghantaran stabil pancaran pensel tunggal18,19, nilai medan magnet Brillouin boleh dikira melalui persamaan (2). Dalam kertas kerja ini, kami juga menggunakan kesetaraan ini untuk menganggarkan medan magnet pancaran pensel berganda yang diagihkan secara lateral. Digabungkan dengan pistol elektron yang direka bentuk dalam kertas kerja ini, nilai medan magnet yang dikira adalah kira-kira 4000 Gs. Menurut Ruj. 20, 1.5-2 kali ganda nilai yang dikira biasanya dipilih dalam reka bentuk praktikal.
Rajah 12 menunjukkan struktur sistem medan pemfokusan medan magnet seragam. Bahagian biru ialah magnet kekal yang dimagnetkan dalam arah paksi. Pemilihan bahan ialah NdFeB atau FeCoNi. Remanens Br yang ditetapkan dalam model simulasi ialah 1.3 T dan kebolehtelapan ialah 1.05. Untuk memastikan penghantaran pancaran yang stabil dalam keseluruhan litar, panjang magnet pada mulanya ditetapkan kepada 70 mm. Di samping itu, saiz magnet dalam arah x menentukan sama ada medan magnet melintang dalam saluran pancaran adalah seragam, yang memerlukan saiz dalam arah x tidak boleh terlalu kecil. Pada masa yang sama, dengan mengambil kira kos dan berat keseluruhan tiub, saiz magnet tidak boleh terlalu besar. Oleh itu, magnet pada mulanya ditetapkan kepada 150 mm × 150 mm × 70 mm. Sementara itu, untuk memastikan keseluruhan litar gelombang perlahan boleh diletakkan dalam sistem pemfokusan, jarak antara magnet ditetapkan kepada 20mm.
Pada tahun 2015, Purna Chandra Panda21 mencadangkan sekeping kutub dengan lubang bertingkat baharu dalam sistem pemfokusan magnet seragam, yang dapat mengurangkan lagi magnitud kebocoran fluks ke katod dan medan magnet melintang yang dihasilkan pada lubang sekeping kutub. Dalam kertas kerja ini, kami menambah struktur bertingkat pada sekeping kutub sistem pemfokusan. Ketebalan sekeping kutub pada mulanya ditetapkan kepada 1.5mm, ketinggian dan lebar tiga anak tangga ialah 0.5mm, dan jarak antara lubang sekeping kutub ialah 2mm, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 13.
Rajah 14a menunjukkan taburan medan magnet paksi di sepanjang garis tengah dua pancaran elektron. Dapat dilihat bahawa daya medan magnet di sepanjang dua pancaran elektron adalah sama. Nilai medan magnet adalah kira-kira 6000 Gs, iaitu 1.5 kali ganda medan Brillouin teori untuk meningkatkan prestasi penghantaran dan pemfokusan. Pada masa yang sama, medan magnet pada katod hampir 0, menunjukkan bahawa kepingan kutub mempunyai kesan yang baik dalam mencegah kebocoran fluks magnet. Rajah 14b menunjukkan taburan medan magnet melintang pada arah z di tepi atas dua pancaran elektron. Dapat dilihat bahawa medan magnet melintang kurang daripada 200 Gs hanya pada lubang kepingan kutub, manakala dalam litar gelombang perlahan, medan magnet melintang hampir sifar, yang membuktikan bahawa pengaruh medan magnet melintang pada pancaran elektron boleh diabaikan. Untuk mengelakkan ketepuan magnet kepingan kutub, adalah perlu untuk mengkaji kekuatan medan magnet di dalam kepingan kutub. Rajah 14c menunjukkan nilai mutlak taburan medan magnet di dalam kepingan kutub. Dapat dilihat bahawa nilai mutlak medan magnet Kekuatan kurang daripada 1.2T, menunjukkan bahawa ketepuan magnet pada kepingan tiang tidak akan berlaku.
Taburan kekuatan medan magnet untuk Br = 1.3 T.(a) Taburan medan paksi.(b) Taburan medan sisi By dalam arah z.(c) Nilai mutlak taburan medan dalam kepingan kutub.
Berdasarkan modul CST PS, kedudukan relatif paksi pistol pancaran dwi dan sistem pemfokusan dioptimumkan. Menurut Ruj. 9 dan simulasi, lokasi optimum adalah di mana kepingan anod bertindih dengan kepingan kutub menjauhi magnet. Walau bagaimanapun, didapati bahawa jika remanens ditetapkan kepada 1.3T, transmisi pancaran elektron tidak dapat mencapai 99%. Dengan meningkatkan remanens kepada 1.4 T, medan magnet pemfokusan akan ditingkatkan kepada 6500 Gs. Trajektori pancaran pada satah xoz dan yoz ditunjukkan dalam Rajah 15. Dapat dilihat bahawa pancaran mempunyai transmisi yang baik, turun naik yang kecil, dan jarak transmisi lebih besar daripada 45mm.
Trajektori alur pensel berganda di bawah sistem magnet homogen dengan Br = 1.4 T.(a) satah xoz.(b) pesawat yoz.
Rajah 16 menunjukkan keratan rentas pancaran pada kedudukan berbeza jauh dari katod. Dapat dilihat bahawa bentuk keratan pancaran dalam sistem pemfokusan dikekalkan dengan baik, dan diameter keratan tidak banyak berubah. Rajah 17 menunjukkan sampul pancaran dalam arah x dan y, masing-masing. Dapat dilihat bahawa turun naik pancaran dalam kedua-dua arah adalah sangat kecil. Rajah 18 menunjukkan keputusan simulasi arus pancaran. Keputusan menunjukkan bahawa arus adalah kira-kira 2 × 80 mA, yang konsisten dengan nilai yang dikira dalam reka bentuk pistol elektron.
Keratan rentas pancaran elektron (dengan sistem pemfokusan) pada kedudukan berbeza jauh dari katod.
Memandangkan beberapa masalah seperti ralat pemasangan, turun naik voltan dan perubahan kekuatan medan magnet dalam aplikasi pemprosesan praktikal, adalah perlu untuk menganalisis sensitiviti sistem pemfokusan. Oleh kerana terdapat jurang antara bahagian anod dan bahagian kutub dalam pemprosesan sebenar, jurang ini perlu ditetapkan dalam simulasi. Nilai jurang ditetapkan kepada 0.2 mm dan Rajah 19a menunjukkan sampul rasuk dan arus rasuk dalam arah y. Keputusan ini menunjukkan bahawa perubahan dalam sampul rasuk tidak ketara dan arus rasuk hampir tidak berubah. Oleh itu, sistem tidak sensitif terhadap ralat pemasangan. Untuk turun naik voltan pemacu, julat ralat ditetapkan kepada ±0.5 kV. Rajah 19b menunjukkan keputusan perbandingan. Dapat dilihat bahawa perubahan voltan mempunyai sedikit kesan pada sampul rasuk. Julat ralat ditetapkan dari -0.02 hingga +0.03 T untuk perubahan kekuatan medan magnet. Keputusan perbandingan ditunjukkan dalam Rajah 20. Dapat dilihat bahawa sampul rasuk hampir tidak berubah, yang bermaksud bahawa keseluruhan EOS tidak sensitif terhadap perubahan kekuatan medan magnet.
Keputusan sampul rasuk dan arus di bawah sistem pemfokusan magnet seragam.(a) Toleransi pemasangan ialah 0.2 mm.(b) Turun naik voltan pemacu ialah ±0.5 kV.
Sampul rasuk di bawah sistem pemfokusan magnet seragam dengan turun naik kekuatan medan magnet paksi antara 0.63 hingga 0.68 T.
Bagi memastikan sistem pemfokusan yang direka bentuk dalam kertas kerja ini dapat dipadankan dengan HFS, adalah perlu untuk menggabungkan sistem pemfokusan dan HFS untuk penyelidikan. Rajah 21 menunjukkan perbandingan sampul rasuk dengan dan tanpa HFS yang dimuatkan. Keputusan menunjukkan bahawa sampul rasuk tidak banyak berubah apabila keseluruhan HFS dimuatkan. Oleh itu, sistem pemfokusan sesuai untuk HFS tiub gelombang bergerak bagi reka bentuk di atas.
Untuk mengesahkan ketepatan EOS yang dicadangkan dalam Bahagian III dan mengkaji prestasi SDV-TWT 220 GHz, simulasi 3D-PIC bagi interaksi pancaran-gelombang telah dijalankan. Disebabkan oleh batasan perisian simulasi, kami tidak dapat menambah keseluruhan EOS kepada HFS. Oleh itu, pistol elektron telah digantikan dengan permukaan pemancar yang setara dengan diameter 0.13mm dan jarak antara dua permukaan 0.31mm, parameter yang sama seperti pistol elektron yang direka bentuk di atas. Disebabkan oleh ketidakpekaan dan kestabilan EOS yang baik, voltan pemacu boleh dioptimumkan dengan betul untuk mencapai kuasa output terbaik dalam simulasi PIC. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa kuasa output tepu dan gandaan boleh diperolehi pada voltan pemacu 20.6 kV, arus pancaran 2 × 80 mA (603 A/cm2), dan kuasa input 0.05 W.
Untuk mendapatkan isyarat output terbaik, bilangan kitaran juga perlu dioptimumkan. Kuasa output terbaik diperoleh apabila bilangan dua peringkat ialah 42 + 48 kitaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 22a. Isyarat input 0.05 W dikuatkan kepada 314 W dengan gandaan 38 dB. Spektrum kuasa output yang diperoleh melalui Transformasi Fourier Pantas (FFT) adalah tulen, mencapai kemuncak pada 220 GHz. Rajah 22b menunjukkan taburan kedudukan paksi tenaga elektron dalam SWS, dengan kebanyakan elektron kehilangan tenaga. Keputusan ini menunjukkan bahawa SDV-SWS boleh menukar tenaga kinetik elektron kepada isyarat RF, sekali gus merealisasikan penguatan isyarat.
Isyarat output SDV-SWS pada 220 GHz.(a) Kuasa output dengan spektrum yang disertakan.(b) Taburan tenaga elektron dengan alur elektron pada hujung sisipan SWS.
Rajah 23 menunjukkan lebar jalur kuasa output dan gandaan SDV-TWT dwi-rasuk dwi-mod. Prestasi output boleh dipertingkatkan lagi dengan menyapu frekuensi dari 200 hingga 275 GHz dan mengoptimumkan voltan pemacu. Keputusan ini menunjukkan bahawa lebar jalur 3-dB boleh meliputi 205 hingga 275 GHz, yang bermaksud bahawa operasi dwi-mod boleh meluaskan lebar jalur operasi dengan ketara.
Walau bagaimanapun, menurut Rajah 2a, kita tahu bahawa terdapat jalur henti antara mod ganjil dan genap, yang boleh menyebabkan ayunan yang tidak diingini. Oleh itu, kestabilan kerja di sekitar hentian perlu dikaji. Rajah 24a-c ialah keputusan simulasi 20 ns pada 265.3 GHz, 265.35 GHz, dan 265.4 GHz, masing-masing. Dapat dilihat bahawa walaupun keputusan simulasi mempunyai beberapa turun naik, kuasa output agak stabil. Spektrum juga ditunjukkan dalam Rajah 24 masing-masing, spektrum adalah tulen. Keputusan ini menunjukkan bahawa tiada ayunan kendiri berhampiran jalur henti.
Fabrikasi dan pengukuran adalah perlu untuk mengesahkan ketepatan keseluruhan HFS. Dalam bahagian ini, HFS difabrikasi menggunakan teknologi kawalan berangka komputer (CNC) dengan diameter alat 0.1 mm dan ketepatan pemesinan 10 μm. Bahan untuk struktur frekuensi tinggi disediakan oleh kuprum kekonduksian tinggi bebas oksigen (OFHC). Rajah 25a menunjukkan struktur yang difabrikasi. Keseluruhan struktur mempunyai panjang 66.00 mm, lebar 20.00 mm dan tinggi 8.66 mm. Lapan lubang pin diagihkan di sekeliling struktur. Rajah 25b menunjukkan struktur melalui mikroskop elektron imbasan (SEM). Bilah struktur ini dihasilkan secara seragam dan mempunyai kekasaran permukaan yang baik. Selepas pengukuran yang tepat, ralat pemesinan keseluruhan adalah kurang daripada 5%, dan kekasaran permukaan adalah kira-kira 0.4 μm. Struktur pemesinan memenuhi keperluan reka bentuk dan ketepatan.
Rajah 26 menunjukkan perbandingan antara keputusan ujian sebenar dan simulasi prestasi penghantaran. Port 1 dan Port 2 dalam Rajah 26a masing-masing sepadan dengan port input dan output HFS, dan bersamaan dengan Port 1 dan Port 4 dalam Rajah 3. Keputusan pengukuran sebenar S11 sedikit lebih baik daripada keputusan simulasi. Pada masa yang sama, keputusan S21 yang diukur sedikit lebih teruk. Sebabnya mungkin kerana kekonduksian bahan yang ditetapkan dalam simulasi terlalu tinggi dan kekasaran permukaan selepas pemesinan sebenar adalah lemah. Secara keseluruhan, keputusan yang diukur adalah sepadan dengan keputusan simulasi, dan lebar jalur penghantaran memenuhi keperluan 70 GHz, yang mengesahkan kebolehlaksanaan dan ketepatan SDV-TWT dwi-mod yang dicadangkan. Oleh itu, digabungkan dengan proses fabrikasi dan keputusan ujian sebenar, reka bentuk SDV-TWT dwi-rasuk ultra-jalur lebar yang dicadangkan dalam kertas ini boleh digunakan untuk fabrikasi dan aplikasi seterusnya.
Dalam kertas kerja ini, reka bentuk terperinci SDV-TWT dwi-rasuk taburan satah 220 GHz dibentangkan. Gabungan operasi dwi-mod dan pengujaan dwi-rasuk meningkatkan lagi lebar jalur operasi dan kuasa output. Fabrikasi dan ujian sejuk juga dijalankan untuk mengesahkan ketepatan keseluruhan HFS. Keputusan pengukuran sebenar adalah selaras dengan keputusan simulasi. Bagi EOS dua rasuk yang direka bentuk, bahagian topeng dan elektrod kawalan telah digunakan bersama untuk menghasilkan rasuk dua pensel. Di bawah medan magnet pemfokusan seragam yang direka bentuk, rasuk elektron boleh dihantar secara stabil pada jarak jauh dengan bentuk yang baik. Pada masa hadapan, pengeluaran dan pengujian EOS akan dijalankan, dan ujian haba keseluruhan TWT juga akan dijalankan. Skim reka bentuk SDV-TWT yang dicadangkan dalam kertas kerja ini menggabungkan sepenuhnya teknologi pemprosesan satah matang semasa, dan menunjukkan potensi yang besar dalam penunjuk prestasi dan pemprosesan dan pemasangan. Oleh itu, kertas kerja ini percaya bahawa struktur satah kemungkinan besar akan menjadi trend pembangunan peranti elektronik vakum dalam jalur terahertz.
Kebanyakan data mentah dan model analitikal dalam kajian ini telah dimasukkan ke dalam kertas kerja ini. Maklumat lanjut yang berkaitan boleh diperolehi daripada penulis yang berkaitan atas permintaan yang munasabah.
Gamzina, D. et al. Pemesinan CNC nanoskala elektronik vakum sub-terahertz. Peranti elektronik Trans IEEE.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. dan Paoloni, C. Mikrofabrikasi UV-LIGA bagi pandu gelombang sub-terahertz menggunakan fotoresis SU-8 berbilang lapisan.J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS dkk.2017 Pelan hala tuju teknologi THz.J. Physics.D untuk digunakan.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Pengurangan kuat perambatan gelombang plasmonik melalui pandu gelombang berkekisi berganda berperingkat ultra-jalur lebar.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Prestasi Penguat Tiub Gelombang Kembara 220-GHz Mesin Nano CNC. Peranti Elektronik Trans IEEE.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Menyiasat ketidakstabilan diokotron bagi pancaran elektron kepingan lebar tak terhingga menggunakan teori model bendalir sejuk makroskopik. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV mengenai peluang untuk meningkatkan lebar jalur melalui susun atur satah rasuk dalam klystron berbilang rasuk. Dalam Persidangan Antarabangsa IEEE ke-12 mengenai Elektronik Vakum, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Reka bentuk senapang elektron tiga alur dengan taburan satah pemisah alur sempit dalam tiub gelombang pengembara bilah berganda berperingkat jalur-W[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 Sistem optik elektron tiga-alur teragih Planar dengan pemisahan alur sempit untuk mod asas jalur-W TWT.IEEE Trans.peranti elektronik.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Penyelidikan tentang Tiub Gelombang Kembara Bilah Berganda Selang-seli dengan Rasuk Lembaran Gelombang Milimeter 20-22 (PhD, Universiti Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Kajian tentang kestabilan interaksi pancaran-gelombang tiub gelombang bergerak dwi-bilah berselang-seli jalur-G. Persidangan Antarabangsa ke-43 mengenai Milimeter Inframerah dan Gelombang Terahertz 2018, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).