Terima kasih kerana melawati Nature.com.Versi penyemak imbas yang anda gunakan mempunyai sokongan terhad untuk CSS.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau matikan mod keserasian dalam Internet Explorer).Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan memaparkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Dalam kertas kerja ini, tiub gelombang kembara dua bilah berjalin tinggi berkuasa tinggi 220GHz direka bentuk dan disahkan. Pertama, struktur gelombang perlahan dua bilah berperingkat dua rasuk satah dicadangkan. Dengan menggunakan skema operasi dwi-mod, prestasi penghantaran dan lebar jalur adalah hampir dua kali ganda daripada mod tunggal. Kedua, untuk meningkatkan keluaran gelombang kuasa tinggi dan keperluan pengembaraan berganda. sistem optik elektronik berbentuk pensil direka bentuk, voltan pemanduan ialah 20~21 kV, dan arus ialah 2 × 80 mA. Matlamat reka bentuk. Dengan menggunakan bahagian topeng dan elektrod kawalan dalam pistol rasuk berganda, dua rasuk pensel boleh difokuskan di sepanjang pusat masing-masing dengan nisbah mampatan 7, jarak pemfokusan juga adalah kira-kira 0.18mm yang memfokuskan magnet yang baik, dan mempunyai sistem pemfokusan yang seragam. jarak penghantaran yang stabil bagi rasuk elektron berganda planar boleh mencapai 45 mm, dan medan magnet fokus ialah 0.6 T, yang mencukupi untuk menampung keseluruhan sistem frekuensi tinggi (HFS). Kemudian, untuk mengesahkan kebolehgunaan sistem elektron-optik dan prestasi struktur gelombang perlahan, simulasi sel zarah (PIC) juga dilakukan pada keseluruhan sistem HFS. Hasilnya menunjukkan bahawa output kuasa antara satu sama lain dapat dilakukan pada keseluruhan sistem HFS. 310 W pada 220 GHz, voltan rasuk yang dioptimumkan ialah 20.6 kV, arus rasuk ialah 2 × 80 mA, keuntungan ialah 38 dB, dan lebar jalur 3-dB melebihi 35 dB kira-kira 70 GHz. Akhirnya, fabrikasi struktur mikro berketepatan tinggi dilakukan untuk mengesahkan perjanjian lebar jalur yang baik dan prestasi HFS yang baik. keputusan.Oleh itu, skim yang dicadangkan dalam kertas ini dijangka membangunkan sumber sinaran terahertz jalur ultra-lebar berkuasa tinggi yang berpotensi untuk aplikasi masa hadapan.
Sebagai peranti elektronik vakum tradisional, tiub gelombang pengembaraan (TWT) memainkan peranan yang tidak boleh ditukar ganti 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 berganding tradisional dan TWT heliks tidak dapat memenuhi keperluan jalur lebar, pengeluaran dan pengeluaran yang agak rendah, dan sukar untuk digunakan oleh manusia. bagaimana untuk meningkatkan prestasi jalur THz secara menyeluruh telah menjadi isu yang sangat membimbangkan bagi banyak institusi penyelidikan saintifik. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, struktur gelombang perlahan novel (SWS), seperti struktur dwi-blade (SDV) berperingkat dan struktur pandu gelombang (FW) terlipat, telah mendapat perhatian yang meluas kerana struktur planar semula jadinya, terutamanya struktur SDV-SWS yang dicadangkan oleh novel ini dengan potensi UC-Davis. 20084.Struktur planar boleh dibuat dengan mudah oleh teknik pemprosesan mikro-nano seperti kawalan berangka komputer (CNC) dan UV-LIGA, struktur pakej semua logam boleh memberikan kapasiti haba yang lebih besar dengan kuasa dan keuntungan keluaran yang lebih tinggi, dan struktur seperti pandu gelombang juga boleh menyediakan lebar jalur kerja yang lebih luas. Pada masa ini, UC Davis menunjukkan buat kali pertama dalam SDV-TWT1 yang menjana keluaran kuasa tinggi untuk pertama kali pada tahun 2017. Isyarat lebar jalur W dan hampir 14 GHz dalam jalur G5. Walau bagaimanapun, keputusan ini masih mempunyai jurang yang tidak dapat memenuhi keperluan berkaitan kuasa tinggi dan lebar jalur lebar dalam jalur terahertz. Untuk jalur G-band SDV-TWT UC-Davis, rasuk elektron helaian telah digunakan. Walaupun skema ini boleh meningkatkan dengan ketara kapasiti pembawa arus bagi rasuk kerana jarak penghantaran yang panjang adalah sukar, ia adalah sukar untuk mengekalkan jarak penghantaran yang panjang. sistem optik (EOS), dan terdapat terowong pancaran lebih mod, yang juga boleh menyebabkan pancaran dikawal sendiri. – Pengujaan dan ayunan 6,7. Untuk memenuhi keperluan kuasa keluaran yang tinggi, lebar jalur lebar dan kestabilan THz TWT yang baik, SDV-SWS dwi-rasuk dengan operasi dwi-mod dicadangkan dalam kertas ini. Iaitu, untuk meningkatkan lebar jalur pengendalian, operasi dwi-mod dicadangkan dan diperkenalkan dalam struktur ini. Dan, untuk meningkatkan keluaran pencil.S yang digunakan juga dua kali ganda. radio rasuk pensel agak kecil disebabkan oleh kekangan saiz menegak. Jika ketumpatan arus terlalu tinggi, arus rasuk mesti dikurangkan, menghasilkan kuasa keluaran yang agak rendah. Untuk menambah baik arus rasuk, EOS berbilang rasuk teragih satah telah muncul, yang mengeksploitasi saiz sisi SWS. Disebabkan terowong rasuk bebas, rasuk satah dapat mengagihkan arus keluaran berbilang tinggi dan rasuk satah yang tinggi dengan jumlah arus keluaran yang tinggi. setiap rasuk, yang boleh mengelakkan terowong rasuk overmode berbanding peranti rasuk lembaran.Oleh itu, adalah berfaedah untuk mengekalkan kestabilan tiub gelombang perjalanan.Berdasarkan kerja sebelumnya8,9, kertas ini mencadangkan medan magnet seragam G-band memfokuskan rasuk pensel berganda EOS, yang boleh meningkatkan jarak penghantaran stabil rasuk dengan sangat baik.
Struktur kertas ini adalah seperti berikut. Pertama, reka bentuk sel SWS dengan parameter, analisis ciri serakan dan hasil simulasi frekuensi tinggi diterangkan. Kemudian, mengikut struktur sel unit, rasuk pensel berganda EOS dan sistem interaksi rasuk direka dalam kertas ini. Keputusan simulasi zarah intraselular juga dibentangkan untuk mengesahkan kebolehgunaan EOS dan prestasi SDV-TWT secara ringkas, mengesahkan keputusan fabrik dan mengesahkan kertas secara ringkas. ketepatan keseluruhan HFS.Akhirnya buat rumusan.
Sebagai salah satu komponen TWT yang paling penting, sifat serakan struktur gelombang perlahan menunjukkan sama ada halaju elektron sepadan dengan halaju fasa SWS, dan dengan itu mempunyai pengaruh yang besar pada interaksi gelombang rasuk. Untuk meningkatkan prestasi keseluruhan TWT, struktur interaksi yang dipertingkatkan direka bentuk. Struktur sel unit ditunjukkan dalam Rajah 1. Ketidakstabilan kuasaMengambil kira ketakstabilan lembaran tunggal. rasuk, struktur menggunakan rasuk pen berganda untuk meningkatkan lagi kuasa keluaran dan kestabilan operasi. Sementara itu, untuk meningkatkan lebar jalur kerja, mod dwi telah dicadangkan untuk SWS beroperasi. Disebabkan oleh simetri struktur SDV, penyelesaian persamaan serakan 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 yang berfungsi selanjutnya.
Mengikut keperluan kuasa, keseluruhan tiub direka bentuk dengan voltan pemacu 20 kV dan arus rasuk berganda 2 × 80 mA. Untuk memadankan voltan sedekat mungkin dengan lebar jalur operasi SDV-SWS, kita perlu mengira panjang tempoh p. Hubungan antara voltan rasuk dan tempoh ditunjukkan dalam persamaan (1)10:
Dengan menetapkan anjakan fasa kepada 2.5π pada frekuensi tengah 220 GHz, tempoh p boleh dikira sebagai 0.46 mm. Rajah 2a menunjukkan sifat serakan sel unit SWS. Garis pancaran 20 kV sepadan dengan lengkung bimodal dengan sangat baik. Jalur frekuensi yang sepadan boleh mencapai sekitar 70 GHz–26530GHz (odd) dalam mod GHz (odd) Julat 265.4–280 GHz (mod genap). Rajah 2b menunjukkan impedans gandingan purata, yang lebih besar daripada 0.6 Ω daripada 210 hingga 290 GHz, menunjukkan bahawa interaksi yang kuat mungkin berlaku dalam lebar jalur pengendalian.
(a) Ciri-ciri serakan bagi dua mod SDV-SWS dengan garis pancaran elektron 20 kV.(b) Galangan interaksi litar gelombang perlahan SDV.
Walau bagaimanapun, adalah penting untuk ambil perhatian bahawa terdapat jurang jalur antara mod ganjil dan genap, dan kami biasanya merujuk kepada jurang jalur ini sebagai jalur henti, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2a. Jika TWT dikendalikan berhampiran jalur frekuensi ini, kekuatan gandingan rasuk yang kuat mungkin berlaku, yang akan membawa kepada ayunan yang tidak diingini. Dalam aplikasi praktikal, kami biasanya mengelak daripada menggunakan TWT pada jalur ini, walaupun hampir dengan jalur ini berhenti. struktur gelombang perlahan 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, disambungkan oleh pemantul Bragg. Fungsi pemantul adalah untuk memotong penghantaran isyarat antara kedua-dua peringkat, menyekat ayunan dan pantulan mod tidak berfungsi seperti mod pesanan tinggi yang dijana antara bilah atas dan bawah, dengan itu meningkatkan kestabilan keseluruhan tiub luar. pengganding 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. Memandangkan kesan sebenar jalur terahertz pada bahan, bahan sampul vakum pada mulanya ditetapkan kepada kuprum, dan kekonduksian dikurangkan kepada S/m12.2.
Rajah 4 menunjukkan keputusan penghantaran untuk HFS dengan dan tanpa pengganding tirus linear. Keputusan menunjukkan bahawa pengganding mempunyai sedikit kesan ke atas prestasi penghantaran keseluruhan HFS. Kehilangan pulangan (S11 < − 10 dB) dan kehilangan sisipan (S21 > − 5 dB) keseluruhan sistem dalam 207~280 GHz menunjukkan ciri-ciri penghantaran jalur lebar yang baik.
Sebagai bekalan kuasa peranti elektronik vakum, senapang elektron secara langsung menentukan sama ada peranti itu boleh menjana kuasa output yang mencukupi.Digabungkan dengan analisis HFS dalam Bahagian II, EOS dwi-rasuk perlu direka bentuk untuk menyediakan kuasa yang mencukupi.Dalam bahagian ini, berdasarkan kerja sebelumnya dalam W-band8,9, pistol elektron pensel berganda direka bentuk menggunakan bahagian topeng satah dan elektrod kawalan mengikut reka bentuk yang ditunjukkan dalam FIG.Sect. First. 2, voltan pemacu Ua bagi rasuk elektron pada mulanya ditetapkan kepada 20 kV, arus I bagi dua rasuk elektron adalah kedua-duanya 80 mA, dan diameter rasuk dw rasuk elektron ialah 0.13 mm. Pada masa yang sama, untuk memastikan ketumpatan arus rasuk elektron dan katod dapat dipancarkan, jadi nisbah mampatan elektron dapat dicapai. ketumpatan arus rasuk elektron ialah 603 A/cm2, dan ketumpatan arus katod ialah 86 A/cm2, yang boleh dicapai dengan Ini dicapai dengan menggunakan bahan katod baharu.Menurut teori reka bentuk 14, 15, 16, 17, pistol elektron Pierce tipikal boleh dikenal pasti secara unik.
Rajah 5 menunjukkan gambar rajah skematik mendatar dan menegak senapang, masing-masing. Dapat dilihat bahawa profil senapang elektron dalam arah-x adalah hampir sama dengan senapang elektron seperti lembaran tipikal, manakala dalam arah-y kedua-dua pancaran elektron dipisahkan sebahagiannya oleh topeng. Kedudukan dua katod adalah pada x = 5 mm0 dan x = 5 mm0. 0.155 mm, y = 0 mm, masing-masing.Mengikut keperluan reka bentuk nisbah mampatan dan saiz suntikan elektron, dimensi kedua-dua permukaan katod ditentukan sebagai 0.91 mm × 0.13 mm.
Untuk menjadikan medan elektrik tertumpu yang diterima oleh setiap rasuk elektron dalam arah x simetri kira-kira pusatnya sendiri, kertas ini menggunakan elektrod kawalan pada pistol elektron. Dengan menetapkan voltan elektrod fokus dan elektrod kawalan kepada −20 kV, dan voltan anod kepada 0 V, kita boleh mendapatkan taburan trajektori bagi rasuk dwi tersebut. elektron mempunyai kebolehmampatan yang baik dalam arah-y, dan setiap rasuk 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 fokus.
Rajah 7 menunjukkan sampul rasuk dalam arah x dan y. Keputusan menunjukkan bahawa jarak unjuran rasuk elektron dalam arah x adalah berbeza daripada arah y. Jarak lontaran dalam arah x ialah kira-kira 4mm, dan jarak lontaran dalam arah y adalah hampir 7mm. Oleh itu, jarak lontaran sebenar dan 8 mm hendaklah dipilih antara 4 dan 7 mm jarak lemparan sebenar. rasuk pada 4.6 mm dari permukaan katod.Kita dapat melihat bahawa bentuk keratan rentas adalah paling hampir dengan rasuk elektron bulat piawai.Jarak antara dua rasuk elektron adalah dekat dengan 0.31 mm yang direka, dan jejari adalah kira-kira 0.13 mm, yang memenuhi keperluan reka bentuk.Rajah 9 menunjukkan hasil simulasi bagi rasuk tersebut ialah dua arus. dalam persetujuan yang baik dengan 80mA yang direka.
Memandangkan turun naik voltan pemanduan dalam aplikasi praktikal, adalah perlu untuk mengkaji kepekaan voltan model ini.Dalam julat voltan 19.8 ~ 20.6 kV, sampul arus dan arus rasuk diperolehi, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 dan Rajah 1.10 dan 11. Daripada keputusan, ia boleh dilihat bahawa tiada perubahan pada voltan elektron, pemacu dan elektron tidak mempunyai kesan perubahan pada sampul surat. arus rasuk hanya berubah dari 0.74 kepada 0.78 A.Oleh itu, boleh dianggap bahawa pistol elektron yang direka dalam kertas ini mempunyai kepekaan yang baik terhadap voltan.
Kesan turun naik voltan memandu pada sampul rasuk arah x dan y.
Medan fokus magnet yang seragam ialah sistem pemfokusan magnet kekal yang biasa. Disebabkan oleh pengagihan medan magnet yang seragam di seluruh saluran rasuk, ia sangat sesuai untuk rasuk elektron axisymmetric. Dalam bahagian ini, sistem fokus magnet seragam yang seragam untuk mengekalkan penghantaran jarak jauh rasuk pensel berganda dicadangkan. Dengan menganalisis medan magnet dan sampul rasuk yang dijana dan skema reka bentuk masalah dicadangkan, kepekaan sistem dicadangkan. dikaji.Menurut teori penghantaran stabil bagi rasuk pensel tunggal18,19, nilai medan magnet Brillouin boleh dikira dengan persamaan (2).Dalam kertas ini, kami juga menggunakan kesetaraan ini untuk menganggarkan medan magnet bagi rasuk pensel berganda teragih sisi.Digabungkan dengan senapang elektron yang direka dalam kertas ini, nilai medan magnet Ref A00 yang dikira adalah kira-kira 4 A0c00 yang dikira. 20, 1.5-2 kali nilai yang dikira biasanya dipilih dalam reka bentuk praktikal.
Rajah 12 menunjukkan struktur sistem medan fokus medan magnet yang 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 stabil bagi rasuk pada keseluruhan litar 7, mm tetapkan panjang litar 7,0 mm. daripada magnet dalam arah x menentukan sama ada medan magnet melintang dalam saluran rasuk 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. 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. Bermakna dapat memastikan litar yang perlahan-lahan diletakkan dalam litar yang perlahan. sistem, jarak antara magnet ditetapkan kepada 20mm.
Pada tahun 2015, Purna Chandra Panda21 mencadangkan sekeping tiang dengan lubang berlangkah baharu dalam sistem pemfokusan magnet yang seragam, yang boleh mengurangkan lagi magnitud kebocoran fluks ke katod dan medan magnet melintang yang dijana pada lubang sekeping tiang. Dalam kertas ini, kami menambah struktur berperingkat pada sekeping tiang bagi sistem pemfokusan. Ketebalan set tiang awal 5 mm. dan lebar tiga langkah ialah 0.5mm, dan jarak antara lubang kepingan tiang ialah 2mm, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 13.
Rajah 14a menunjukkan taburan medan magnet paksi di sepanjang garis tengah dua rasuk elektron. Dapat dilihat bahawa daya medan magnet di sepanjang dua rasuk elektron adalah sama. Nilai medan magnet adalah kira-kira 6000 Gs, iaitu 1.5 kali medan Brillouin teori untuk meningkatkan prestasi penghantaran dan memfokus. Pada masa yang sama, medan magnet podicate berada dalam medan magnet yang hampir sama. mempunyai kesan yang baik untuk mencegah kebocoran fluks magnet. Rajah 14b menunjukkan taburan medan magnet melintang Dengan dalam arah z di pinggir atas dua rasuk elektron. Ia boleh dilihat bahawa medan magnet melintang adalah kurang daripada 200 Gs hanya pada lubang kepingan kutub, manakala dalam litar gelombang perlahan, medan magnet melintang adalah hampir sifar, yang membuktikan bahawa medan magnet melintang adalah sifar, yang membuktikan bahawa medan magnet melintang adalah sifar. boleh diabaikan.Untuk mengelakkan ketepuan magnet bagi kepingan tiang, adalah perlu untuk mengkaji kekuatan medan magnet di dalam kepingan tiang.Rajah 14c menunjukkan nilai mutlak taburan medan magnet di dalam kepingan tiang.Ia boleh dilihat bahawa nilai mutlak kekuatan medan magnet adalah kurang daripada 1.2T, menunjukkan bahawa ketepuan magnet sekeping tiang tidak akan berlaku.
Taburan kekuatan medan magnet untuk Br = 1.3 T.(a) Taburan medan paksi.(b) Taburan medan sisi Dengan dalam arah z.(c) Nilai mutlak taburan medan dalam kepingan tiang.
Berdasarkan modul CST PS, kedudukan relatif paksi pistol rasuk dwi dan sistem pemfokusan dioptimumkan. Menurut Ruj. 9 dan simulasi, lokasi yang optimum ialah di mana bahagian anod bertindih dengan bahagian tiang dari magnet.Walau bagaimanapun, didapati bahawa jika remans ditetapkan kepada 1.3T, kehantaran pancaran elektron tidak dapat mencapai 99%.Dengan meningkatkan remans kepada 1.4 T, medan magnet fokus dan medan magnet akan meningkat kepada 6500 Gs. ditunjukkan dalam Rajah 15. Ia boleh dilihat bahawa rasuk mempunyai penghantaran yang baik, turun naik yang kecil, dan jarak penghantaran lebih daripada 45mm.
Trajektori rasuk pensel berganda di bawah sistem magnet homogen dengan Br = 1.4 T.(a) satah xoz.(b) pesawat yoz.
Rajah 16 menunjukkan keratan rentas rasuk pada kedudukan berbeza dari katod. Dapat dilihat bahawa bentuk keratan rasuk dalam sistem pemfokusan dikekalkan dengan baik, dan diameter keratan tidak banyak berubah. Rajah 17 menunjukkan sampul rasuk dalam arah x dan y, masing-masing. Dapat dilihat bahawa turun naik kedua-dua arah rasuk adalah sangat kecil. arus rasuk. Keputusan menunjukkan bahawa arus adalah kira-kira 2 × 80 mA, yang konsisten dengan nilai yang dikira dalam reka bentuk senapang elektron.
Keratan rentas rasuk elektron (dengan sistem pemfokusan) pada kedudukan berbeza dari katod.
Memandangkan beberapa siri masalah seperti ralat pemasangan, turun naik voltan, dan perubahan dalam kekuatan medan magnet dalam aplikasi pemprosesan praktikal, adalah perlu untuk menganalisis kepekaan sistem pemfokusan. Oleh kerana terdapat jurang antara kepingan anod dan kepingan tiang dalam pemprosesan sebenar, jurang ini perlu ditetapkan dalam simulasi. Nilai jurang telah ditetapkan kepada 0.2mm dan sampul am dan Rajah 19. y arah.Hasil ini menunjukkan bahawa perubahan dalam sampul rasuk adalah tidak ketara dan arus rasuk hampir tidak berubah.Oleh itu, sistem tidak sensitif terhadap ralat pemasangan.Untuk turun naik voltan pemanduan, julat ralat ditetapkan kepada ±0.5 kV.Rajah 19b menunjukkan hasil perbandingan.Ia dapat dilihat bahawa perubahan voltan mempunyai sedikit kesan daripada -0.0 sampul ralat yang ditetapkan dari +0.0 sampul ralat adalah T2. untuk perubahan dalam kekuatan medan magnet. Keputusan perbandingan ditunjukkan dalam Rajah 20. Dapat dilihat bahawa sampul pancaran hampir tidak berubah, yang bermaksud bahawa keseluruhan EOS tidak sensitif terhadap perubahan dalam kekuatan medan magnet.
Sampul rasuk dan arus terhasil di bawah sistem pemfokusan magnet yang 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 dalam kertas ini boleh dipadankan dengan HFS, adalah perlu untuk menggabungkan sistem pemfokusan dan HFS untuk penyelidikan. Rajah 21 menunjukkan perbandingan sampul rasuk dengan dan tanpa HFS dimuatkan. Keputusan menunjukkan bahawa sampul rasuk tidak banyak berubah apabila keseluruhan HFS dimuatkan. Oleh itu, sistem pemfokusan adalah sesuai untuk reka bentuk tiub gelombang perjalanan di atas.
Untuk mengesahkan ketepatan EOS yang dicadangkan dalam Bahagian III dan menyiasat prestasi SDV-TWT 220 GHz, simulasi 3D-PIC bagi interaksi gelombang-rasuk dilakukan. Disebabkan oleh pengehadan perisian simulasi, kami tidak dapat menambahkan keseluruhan EOS kepada HFS. Oleh itu, pistol elektron telah digantikan dengan permukaan yang setara dengan dua permukaan pemancar 13mm. 0.31mm, parameter yang sama seperti senapang elektron yang direka di atas. Disebabkan oleh ketidakpekaan dan kestabilan EOS yang baik, voltan pemacu boleh dioptimumkan dengan betul untuk mencapai kuasa keluaran terbaik dalam simulasi PIC. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa kuasa keluaran tepu dan keuntungan boleh diperolehi pada voltan pemacu 20.6 kV, arus rasuk 2 × 8.00 mA (2 × 8.000) arus masukan. W.
Untuk mendapatkan isyarat keluaran yang terbaik, bilangan kitaran juga perlu dioptimumkan. Kuasa keluaran 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 keuntungan 38 dB. Spektrum kuasa output adalah tulen (FFT Fourier) yang diperolehi oleh Fasting Four2. 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, dengan itu merealisasikan penguatan isyarat.
Isyarat keluaran SDV-SWS pada 220 GHz.(a) Kuasa keluaran dengan spektrum yang disertakan.(b) Pengagihan tenaga elektron dengan pancaran elektron pada hujung sisipan SWS.
Rajah 23 menunjukkan lebar jalur kuasa output dan keuntungan bagi dwi-rasuk dwi-rasuk SDV-TWT. Prestasi output boleh dipertingkatkan lagi dengan menyapu frekuensi dari 200 ke 275 GHz dan mengoptimumkan voltan pemacu. Keputusan ini menunjukkan bahawa jalur lebar 3-dB boleh meliputi 205 hingga 275 GHz, yang bermaksud operasi lebar jalur lebar.
Walau bagaimanapun, menurut Rajah 2a, kita tahu bahawa terdapat jalur henti antara mod ganjil dan genap, yang mungkin membawa kepada ayunan yang tidak diingini.Oleh itu, kestabilan kerja di sekeliling hentian perlu dikaji. Rajah 24a-c ialah hasil simulasi 20 ns pada 265.3 GHz, 265.35 GHz, dan GHz, 265.36 GHz, dan 4 GHz. keputusan simulasi mempunyai beberapa turun naik, kuasa keluaran adalah agak stabil. Spektrum juga ditunjukkan dalam Rajah 24 masing-masing, spektrum adalah tulen. Keputusan ini menunjukkan bahawa tiada ayunan diri berhampiran jalur henti.
Fabrikasi dan pengukuran adalah perlu untuk mengesahkan ketepatan keseluruhan HFS. Dalam bahagian ini, HFS direka menggunakan teknologi kawalan berangka komputer (CNC) dengan diameter alat 0.1 mm dan ketepatan pemesinan 10 μm. Bahan untuk struktur frekuensi tinggi disediakan oleh struktur tanpa oksigen kekonduksian tinggi (OFHC) kuprum sepanjang 5a.Rajah 2. 66.00 mm, lebar 20.00 mm dan ketinggian 8.66 mm. Lapan lubang pin diedarkan di sekeliling struktur. Rajah 25b menunjukkan struktur dengan mengimbas mikroskop elektron (SEM). Bilah-bilah struktur ini dihasilkan secara seragam dan mempunyai kekasaran permukaan yang baik. Selepas pengukuran yang tepat, ralat permukaan adalah lebih kurang 5% daripada kekasaran keseluruhan. 0.4μm. 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 sepadan dengan port input dan output HFS, masing-masing, dan bersamaan dengan Port 1 dan Port 4 dalam Rajah 3. Keputusan pengukuran sebenar S11 adalah lebih baik sedikit daripada keputusan simulasi. Pada masa yang sama, keputusan pengukuran S2 mungkin lebih buruk. kekonduksian bahan yang ditetapkan dalam simulasi adalah terlalu tinggi dan kekasaran permukaan selepas pemesinan sebenar adalah lemah. Secara keseluruhannya, keputusan yang diukur adalah dalam persetujuan yang baik dengan keputusan simulasi, dan lebar jalur penghantaran memenuhi keperluan 70 GHz, yang mengesahkan kebolehlaksanaan dan ketepatan cadangan dwi-mod SDV-TWT. Oleh itu, digabungkan dengan proses fabrikasi ultra-jalur dan ultra-jalur sebenar. Reka bentuk SDV-TWT yang dicadangkan dalam kertas ini boleh digunakan untuk fabrikasi dan aplikasi seterusnya.
Dalam kertas kerja ini, reka bentuk terperinci bagi taburan satah 220 GHz dwi-rasuk SDV-TWT 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 dalam persetujuan yang baik dengan hasil simulasi. Untuk EOS dua rasuk yang direka, bahagian topeng dan elektrod kawalan telah digunakan bersama untuk menghasilkan rasuk dua pensel. Di bawah medan magnet fokus seragam yang direka bentuk, rasuk elektron boleh dihantar secara stabil pada jarak jauh dengan bentuk yang baik. Pada masa hadapan, pengeluaran dan ujian EOS EOS juga akan dijalankan, dan ujian TWT ini juga akan dijalankan untuk keseluruhan reka bentuk TWT. yang dicadangkan dalam kertas kerja ini menggabungkan sepenuhnya teknologi pemprosesan satah matang semasa, dan menunjukkan potensi besar dalam penunjuk prestasi dan pemprosesan dan pemasangan.Oleh itu, kertas kerja ini percaya bahawa struktur satah berkemungkinan besar akan menjadi trend pembangunan peranti elektronik vakum dalam jalur terahertz.
Kebanyakan data mentah dan model analisis dalam kajian ini telah dimasukkan ke dalam kertas kerja ini. Maklumat lanjut yang berkaitan boleh diperoleh daripada pengarang yang berkaitan atas permintaan yang munasabah.
Gamzina, D. et al.Pemesinan CNC skala nano bagi elektronik vakum subterahertz.IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. dan Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikasi pandu gelombang sub-terahertz menggunakan 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 Pelan hala tuju teknologi THz.J. Fizik.D untuk memohon.fizik.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Kurungan kuat perambatan gelombang plasmonik melalui pandu gelombang kisi berkembar ultra-lebar berperingkat.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al.Prestasi Nano CNC Machined 220-GHz Travelling Tube Tube Amplifier.IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Menyiasat ketidakstabilan diocotron bagi rasuk elektron kepingan tak terhingga lebar menggunakan teori model bendalir sejuk makroskopik. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (201101).
Galdetskiy, AV mengenai peluang untuk meningkatkan lebar jalur oleh 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.2010.37 (2011.37).
Nguyen, CJ et al. Reka bentuk senapang elektron tiga rasuk dengan taburan satah pemisah rasuk sempit dalam tiub gelombang pengembaraan dua bilah berperingkat-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 Planar mengedarkan sistem optik elektron tiga rasuk dengan pengasingan rasuk sempit untuk mod asas W-band TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Penyelidikan mengenai Tiub Gelombang Kembara Bilah Berganda Berjalin 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 bagi tiub gelombang pengembaraan dwi-bilah berjalin G-band.2018 Persidangan Antarabangsa Ke-43 mengenai Gelombang Inframerah dan Gelombang Terahertz, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).