Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). In de tussentijd geven we de site weer zonder stijlen en JavaScript, om ondersteuning te blijven bieden.
In dit artikel is een 220GHz breedband hoogvermogen interleaved double-blade lopende golfbuis ontworpen en geverifieerd. Eerst wordt een planaire dubbele bundel gestapelde dubbele blad slow-wave structuur voorgesteld. Door gebruik te maken van een dual-mode werkingsschema zijn de transmissieprestaties en bandbreedte bijna het dubbele van die van single-mode. Ten tweede, om te voldoen aan de eisen van een hoog uitgangsvermogen en de stabiliteit van de lopende golfbuis te verbeteren, is een dubbel potloodvormig elektronisch optisch systeem ontworpen, de stuurspanning is 20~21 kV en de stroom is 2 × 80 mA. Ontwerpdoelen. Door het maskergedeelte en de besturingselektrode in het dubbelstraalkanon te gebruiken, kunnen de twee potloodstralen langs hun respectieve centra worden gefocust met een compressieverhouding van 7, de focusseerafstand is ongeveer 0,18 mm en de stabiliteit is goed. Het uniforme magnetische focussysteem is ook geoptimaliseerd. De stabiele transmissieafstand van de planaire dubbele elektronenbundel kan 45 mm bereiken en het focusserende magnetische veld is 0,6 T, wat voldoende is om de volledige hoogfrequentsysteem (HFS). Om vervolgens de bruikbaarheid van het elektronenoptische systeem en de prestaties van de langzame golfstructuur te verifiëren, werden ook deeltjescelsimulaties (PIC) uitgevoerd op het volledige HFS. De resultaten tonen aan dat het bundelinteractiesysteem een ​​piekuitgangsvermogen van bijna 310 W bij 220 GHz kan bereiken, de geoptimaliseerde bundelspanning is 20,6 kV, de bundelstroom is 2 × 80 mA, de versterking is 38 dB en de bandbreedte van 3 dB overschrijdt 35 dB rond 70 GHz. Ten slotte wordt er een zeer precieze microstructuurfabricage uitgevoerd om de prestaties van het HFS te verifiëren, en de resultaten tonen aan dat de bandbreedte en transmissiekarakteristieken goed overeenkomen met de simulatieresultaten. Daarom wordt verwacht dat het in dit artikel voorgestelde schema krachtige, ultra-breedband terahertz-bandstralingsbronnen zal ontwikkelen met potentieel voor toekomstige toepassingen.
Als traditioneel vacuüm elektronisch apparaat speelt de lopende golfbuis (TWT) een onvervangbare rol in veel toepassingen zoals radar met hoge resolutie, satellietcommunicatiesystemen en ruimteverkenning1,2,3. Echter, omdat de werkfrequentie de terahertz-band binnengaat, konden de traditionele TWT met gekoppelde holte en de spiraalvormige TWT niet aan de behoeften van mensen voldoen vanwege het relatief lage uitgangsvermogen, de smalle bandbreedte en de moeilijke productieprocessen. Daarom is het op een alomvattende manier verbeteren van de prestaties van de THz-band een zeer zorgwekkende kwestie geworden voor veel wetenschappelijke onderzoeksinstellingen. De afgelopen jaren hebben nieuwe langzame-golfstructuren (SWS's), zoals gestapelde dual-blade (SDV)-structuren en gevouwen golfgeleider (FW)-structuren, veel aandacht gekregen vanwege hun natuurlijke planaire structuren, met name de nieuwe SDV-SWS's met veelbelovende potentie. Deze structuur werd in 2008 voorgesteld door UC-Davis4. De planaire structuur kan eenvoudig worden vervaardigd met behulp van micro-nano-verwerkingstechnieken zoals computer numerieke controle (CNC) en UV-LIGA, de De volledig metalen behuizing kan een grotere thermische capaciteit bieden met een hoger uitgangsvermogen en een hogere versterking. Bovendien kan de golfgeleiderachtige structuur een bredere werkbandbreedte bieden. UC Davis heeft in 2017 voor het eerst aangetoond dat SDV-TWT signalen met een hoog vermogen van meer dan 100 W en een bandbreedte van bijna 14 GHz in de G-band kan genereren. Deze resultaten vertonen echter nog steeds hiaten die niet kunnen voldoen aan de gerelateerde vereisten van een hoog vermogen en een brede bandbreedte in de terahertzband. Voor de G-band SDV-TWT van UC-Davis zijn sheet-elektronenbundels gebruikt. Hoewel dit schema de stroomvoerende capaciteit van de bundel aanzienlijk kan verbeteren, is het moeilijk om een ​​grote transmissieafstand te handhaven vanwege de instabiliteit van het sheet-beam-elektronenoptische systeem (EOS). Bovendien is er een overmode-bundeltunnel, die er ook voor kan zorgen dat de bundel zichzelf reguleert. – Excitatie en oscillatie 6,7.Om te voldoen aan de eisen van een hoog uitgangsvermogen, brede bandbreedte en goede stabiliteit van THz TWT, wordt in dit artikel een dual-beam SDV-SWS met dual-mode werking voorgesteld.Dat wil zeggen, om de operationele bandbreedte te vergroten, wordt dual-mode werking voorgesteld en geïntroduceerd in deze structuur.En om het uitgangsvermogen te vergroten, wordt ook een planaire verdeling van dubbele potloodstralen gebruikt.Enkele potloodstraalradio's zijn relatief klein vanwege verticale afmetingenbeperkingen.Als de stroomdichtheid te hoog is, moet de straalstroom worden verminderd, wat resulteert in een relatief laag uitgangsvermogen.Om de straalstroom te verbeteren, is planair gedistribueerde multibeam EOS ontstaan, die de laterale grootte van de SWS benut.Vanwege de onafhankelijke straaltunneling kan de planair gedistribueerde multibeam een ​​hoog uitgangsvermogen bereiken door een hoge totale straalstroom en een kleine stroom per straal te handhaven, wat overmode straaltunneling kan vermijden in vergelijking met sheet-beam-apparaten.Daarom is het gunstig om de stabiliteit van de lopende golfbuis te behouden.Op basis Op basis van eerder werk8,9 wordt in dit artikel een dubbele potloodstraal EOS met een uniform G-band magnetisch veld voorgesteld, die de stabiele transmissieafstand van de straal aanzienlijk kan verbeteren en het interactiegebied van de straal verder kan vergroten, waardoor het uitgangsvermogen aanzienlijk wordt verbeterd.
De structuur van dit artikel is als volgt. Eerst worden het ontwerp van de SWS-cel met parameters, analyse van dispersiekarakteristieken en resultaten van de hoogfrequente simulatie beschreven. Vervolgens worden in dit artikel, op basis van de structuur van de eenheidscel, een dubbele potloodbundel-EOS en een bundelinteractiesysteem ontworpen. Ook worden resultaten van de intracellulaire deeltjessimulatie gepresenteerd om de bruikbaarheid van EOS en de prestaties van SDV-TWT te verifiëren. Daarnaast worden in het artikel kort de fabricage- en koudetestresultaten gepresenteerd om de correctheid van de volledige HFS te verifiëren. Tot slot wordt een samenvatting gegeven.
Als een van de belangrijkste componenten van de TWT geven de dispersieve eigenschappen van de langzame-golfstructuur aan of de elektronensnelheid overeenkomt met de fasesnelheid van de SWS, en hebben ze dus een grote invloed op de bundel-golfinteractie. Om de prestaties van de gehele TWT te verbeteren, is een verbeterde interactiestructuur ontworpen. De structuur van de eenheidscel is weergegeven in Figuur 1. Gezien de instabiliteit van de sheet beam en de vermogensbeperking van de enkele pen beam, maakt de structuur gebruik van een dubbele pen beam om het uitgangsvermogen en de operationele stabiliteit verder te verbeteren. Om de werkbandbreedte te vergroten, is ondertussen een duale modus voorgesteld voor de werking van de SWS. Dankzij de symmetrie van de SDV-structuur kan de oplossing van de elektromagnetische velddispersievergelijking worden onderverdeeld in oneven en even modi. Tegelijkertijd worden de fundamentele oneven modus van de lage frequentieband en de fundamentele even modus van de hoge frequentieband gebruikt om de breedbandige synchronisatie van de bundelinteractie te realiseren, waardoor de werkbandbreedte verder wordt verbeterd.
Volgens de vermogensvereisten is de hele buis ontworpen met een stuurspanning van 20 kV en een dubbele bundelstroom van 2 × 80 mA. Om de spanning zo goed mogelijk af te stemmen op de werkbandbreedte van de SDV-SWS, moeten we de lengte van de periode p berekenen. De relatie tussen de bundelspanning en de periode wordt weergegeven in vergelijking (1)10:
Door de faseverschuiving in te stellen op 2,5π bij de centrale frequentie van 220 GHz, kan de periode p worden berekend op 0,46 mm.Figuur 2a toont de dispersie-eigenschappen van de SWS-eenheidscel. De 20 kV-bundellijn komt zeer goed overeen met de bimodale curve. Passende frequentiebanden kunnen ongeveer 70 GHz bereiken in de bereiken van 210–265,3 GHz (oneven modus) en 265,4–280 GHz (even modus).Figuur 2b toont de gemiddelde koppelingsimpedantie, die groter is dan 0,6 Ω van 210 tot 290 GHz, wat aangeeft dat er sterke interacties kunnen optreden in de operationele bandbreedte.
(a) Dispersiekarakteristieken van een dual-mode SDV-SWS met een 20 kV elektronenbundellijn. (b) Interactie-impedantie van het SDV-tragegolfcircuit.
Het is echter belangrijk om op te merken dat er een bandgap is tussen de oneven en even modi. Deze bandgap noemen we meestal de stopband, zoals weergegeven in Afbeelding 2a. Als de TWT in de buurt van deze frequentieband wordt gebruikt, kan er een sterke bundelkoppeling optreden, wat tot ongewenste oscillaties leidt. In praktische toepassingen vermijden we over het algemeen het gebruik van TWT in de buurt van de stopband. Het is echter te zien dat de bandgap van deze langzame-golfstructuur slechts 0,1 GHz is. Het is moeilijk om te bepalen of deze kleine bandgap oscillaties veroorzaakt. Daarom wordt in het volgende PIC-simulatiegedeelte de stabiliteit van de werking rond de stopband onderzocht om te analyseren of er ongewenste oscillaties kunnen optreden.
Het model van de gehele HFS wordt weergegeven in Afbeelding 3. Het bestaat uit twee fasen van SDV-SWS, verbonden door Bragg-reflectoren. De functie van de reflector is om de signaaloverdracht tussen de twee fasen af ​​te snijden, de oscillatie en reflectie van niet-werkende modi zoals hogere-orde modi die worden gegenereerd tussen de bovenste en onderste bladen te onderdrukken, en zo de stabiliteit van de gehele buis aanzienlijk te verbeteren. Voor verbinding met de externe omgeving wordt ook een lineaire taps toelopende koppeling gebruikt om de SWS aan te sluiten op een WR-4 standaard golfgeleider. De transmissiecoëfficiënt van de tweelaagse structuur wordt gemeten met een tijdsdomeinsolver in de 3D-simulatiesoftware. Gezien het werkelijke effect van de terahertzband op het materiaal, wordt het materiaal van de vacuümomhulling aanvankelijk ingesteld op koper en wordt de geleidbaarheid verlaagd tot 2,25×107 S/m12.
Figuur 4 toont de transmissieresultaten voor HFS met en zonder lineaire taps toelopende koppelingen. De resultaten tonen aan dat de koppeling weinig effect heeft op de transmissieprestaties van het gehele HFS. Het retourverlies (S11 < − 10 dB) en invoegverlies (S21 > − 5 dB) van het gehele systeem in de breedband van 207~280 GHz tonen aan dat HFS goede transmissiekarakteristieken heeft.
Als voeding voor vacuüm-elektronische apparaten bepaalt het elektronenkanon rechtstreeks of het apparaat voldoende uitgangsvermogen kan genereren. Gecombineerd met de analyse van HFS in Sectie II, moet een EOS met dubbele bundel worden ontworpen om voldoende vermogen te leveren. In dit deel wordt, op basis van eerder werk in de W-band8,9, een elektronenkanon met dubbele potloodvorm ontworpen met behulp van een planair maskeronderdeel en stuurelektroden. Eerst, volgens de ontwerpvereisten van SWS in Sectie. Zoals weergegeven in FIG. 2, de stuurspanning Ua van de elektronenbundels wordt aanvankelijk ingesteld op 20 kV, de stromen I van de twee elektronenbundels bedragen beide 80 mA en de bundeldiameter dw van de elektronenbundels bedraagt ​​0,13 mm. Tegelijkertijd wordt, om ervoor te zorgen dat de stroomdichtheid van de elektronenbundel en de kathode kan worden bereikt, de compressieverhouding van de elektronenbundel ingesteld op 7, zodat de stroomdichtheid van de elektronenbundel 603 A/cm2 bedraagt ​​en de stroomdichtheid van de kathode 86 A/cm2, wat kan worden bereikt door Dit wordt bereikt met behulp van nieuwe kathodematerialen. Volgens ontwerptheorie 14, 15, 16, 17 kan een typisch Pierce-elektronenkanon eenduidig ​​worden geïdentificeerd.
Figuur 5 toont respectievelijk het horizontale en verticale schema van het kanon. Te zien is dat het profiel van het elektronenkanon in de x-richting vrijwel identiek is aan dat van een typisch plaatvormig elektronenkanon, terwijl de twee elektronenbundels in de y-richting gedeeltelijk gescheiden zijn door het masker. De posities van de twee kathodes bevinden zich respectievelijk op x = – 0,155 mm, y = 0 mm en x = 0,155 mm, y = 0 mm. Volgens de ontwerpvereisten van de compressieverhouding en de elektroneninjectiegrootte zijn de afmetingen van de twee kathodeoppervlakken bepaald op 0,91 mm × 0,13 mm.
Om het gefocusseerde elektrische veld dat door elke elektronenbundel in de x-richting wordt ontvangen symmetrisch te maken ten opzichte van zijn eigen middelpunt, wordt in dit artikel een stuurelektrode op het elektronenkanon aangebracht. Door de spanning van de focuselektrode en de stuurelektrode in te stellen op -20 kV en de spanning van de anode op 0 V, kunnen we de trajectverdeling van het elektronenkanon met dubbele bundel verkrijgen, zoals weergegeven in Afb. 6. Hieruit blijkt dat de uitgezonden elektronen een goede samendrukbaarheid in de y-richting hebben en dat elke elektronenbundel convergeert naar de x-richting langs zijn eigen symmetriemiddelpunt, wat aangeeft dat de stuurelektrode het ongelijke elektrische veld dat door de focuselektrode wordt gegenereerd, in evenwicht brengt.
Figuur 7 toont de bundelomhulling in de x- en y-richting. De resultaten tonen aan dat de projectieafstand van de elektronenbundel in de x-richting verschilt van die in de y-richting. De projectieafstand in de x-richting is ongeveer 4 mm en de projectieafstand in de y-richting ligt dicht bij 7 mm. Daarom moet de werkelijke projectieafstand tussen 4 en 7 mm worden gekozen. Figuur 8 toont de dwarsdoorsnede van de elektronenbundel op 4,6 mm van het kathodeoppervlak. We kunnen zien dat de vorm van de dwarsdoorsnede het dichtst bij een standaard cirkelvormige elektronenbundel ligt. De afstand tussen de twee elektronenbundels ligt dicht bij de ontworpen 0,31 mm en de straal is ongeveer 0,13 mm, wat voldoet aan de ontwerpvereisten. Figuur 9 toont de simulatieresultaten van de bundelstroom. Het is te zien dat de twee bundelstromen 76 mA zijn, wat goed overeenkomt met de ontworpen 80 mA.
Gezien de fluctuatie van de stuurspanning in praktische toepassingen, is het noodzakelijk om de spanningsgevoeligheid van dit model te bestuderen. In het spanningsbereik van 19,8 ~ 20,6 kV worden de stroom- en bundelstroomomhulsels verkregen, zoals weergegeven in Afbeelding 1 en Afbeelding 1.10 en 11. Uit de resultaten blijkt dat de verandering van de stuurspanning geen effect heeft op het elektronenbundelomhulsel en dat de elektronenbundelstroom slechts verandert van 0,74 tot 0,78 A. Daarom kan worden gesteld dat het in dit artikel ontworpen elektronenkanon een goede spanningsgevoeligheid heeft.
Het effect van schommelingen in de aandrijfspanning op de x- en y-richting van de bundelomhulsels.
Een uniform magnetisch focusveld is een veelgebruikt permanent magneetfocussysteem. Vanwege de uniforme verdeling van het magnetische veld over het hele straalkanaal is het zeer geschikt voor axiaal symmetrische elektronenstralen. In deze sectie wordt een uniform magnetisch focussysteem voor het handhaven van de langeafstandstransmissie van dubbele potloodstralen voorgesteld. Door het gegenereerde magnetische veld en de straalomhulling te analyseren, wordt het ontwerpschema van het focussysteem voorgesteld en wordt het gevoeligheidsprobleem bestudeerd. Volgens de theorie van stabiele transmissie van een enkele potloodstraal18,19 kan de Brillouin-magnetische veldwaarde worden berekend met vergelijking (2). In dit artikel gebruiken we deze equivalentie ook om het magnetische veld van een lateraal verdeelde dubbele potloodstraal te schatten. Gecombineerd met het in dit artikel ontworpen elektronenkanon, is de berekende magnetische veldwaarde ongeveer 4000 Gs. Volgens Ref. 20 wordt in praktische ontwerpen gewoonlijk 1,5-2 keer de berekende waarde gekozen.
Figuur 12 toont de structuur van een focussysteem voor een uniform magnetisch veld. Het blauwe gedeelte is de permanente magneet die in axiale richting is gemagnetiseerd. De materiaalselectie is NdFeB of FeCoNi. De remanentie Br die in het simulatiemodel is ingesteld, is 1,3 T en de permeabiliteit is 1,05. Om de stabiele transmissie van de straal in het hele circuit te garanderen, is de lengte van de magneet aanvankelijk ingesteld op 70 mm. Bovendien bepaalt de grootte van de magneet in de x-richting of het transversale magnetische veld in het straalkanaal uniform is, wat vereist dat de grootte in de x-richting niet te klein mag zijn. Tegelijkertijd mag de grootte van de magneet niet te groot zijn, rekening houdend met de kosten en het gewicht van de hele buis. Daarom zijn de magneten aanvankelijk ingesteld op 150 mm × 150 mm × 70 mm. Ondertussen is, om ervoor te zorgen dat het hele langzame-golfcircuit in het focussysteem kan worden geplaatst, de afstand tussen de magneten ingesteld op 20 mm.
In 2015 stelde Purna Chandra Panda21 een poolstuk voor met een nieuw getrapt gat in een uniform magnetisch focussysteem, dat de omvang van de fluxlekkage naar de kathode en het transversale magnetische veld dat bij het poolstukgat wordt gegenereerd verder kan verminderen. In dit artikel voegen we een getrapte structuur toe aan het poolstuk van het focussysteem. De dikte van het poolstuk wordt aanvankelijk ingesteld op 1,5 mm, de hoogte en breedte van de drie stappen zijn 0,5 mm en de afstand tussen de poolstukgaten is 2 mm, zoals weergegeven in Afbeelding 13.
Figuur 14a toont de axiale verdeling van het magnetische veld langs de middellijnen van de twee elektronenbundels. Het is te zien dat de magnetische veldkrachten langs de twee elektronenbundels gelijk zijn. De waarde van het magnetische veld is ongeveer 6000 Gs, wat 1,5 keer het theoretische Brillouin-veld is om de transmissie en focusseringsprestaties te verbeteren. Tegelijkertijd is het magnetische veld bij de kathode bijna 0, wat aangeeft dat de poolschoen een goed effect heeft op het voorkomen van magnetische fluxlekkage. Figuur 14b toont de transversale verdeling van het magnetische veld in de z-richting aan de bovenrand van de twee elektronenbundels. Het is te zien dat het transversale magnetische veld alleen bij het gat in de poolschoen minder dan 200 Gs is, terwijl in het langzame golfcircuit het transversale magnetische veld bijna nul is, wat bewijst dat de invloed van het transversale magnetische veld op de elektronenbundel verwaarloosbaar is. Om magnetische verzadiging van de poolschoenen te voorkomen, is het noodzakelijk om de magnetische veldsterkte binnen de poolschoenen te bestuderen. Figuur 14c toont de absolute waarde van de verdeling van het magnetische veld binnen het poolstuk. Te zien is dat de absolute waarde van de magnetische veldsterkte kleiner is dan 1,2 T, hetgeen aangeeft dat er geen magnetische verzadiging van het poolstuk zal optreden.
Verdeling van de magnetische veldsterkte voor Br = 1,3 T.(a) Axiale veldverdeling.(b) Laterale veldverdeling By in de z-richting.(c) Absolute waarde van de veldverdeling binnen de poolschoen.
Op basis van de CST PS-module is de axiale relatieve positie van het dubbelstraalskanon en het focussysteem geoptimaliseerd. Volgens Ref. 9 en simulaties is de optimale locatie waar het anodestuk het poolstuk overlapt, weg van de magneet. Er werd echter vastgesteld dat als de remanentie werd ingesteld op 1,3 T, de transmissie van de elektronenbundel geen 99% kon bereiken. Door de remanentie te verhogen naar 1,4 T, wordt het focusmagneetveld verhoogd tot 6500 Gs. De bundeltrajecten op de xoz- en yoz-vlakken worden weergegeven in Afbeelding 15. Te zien is dat de bundel een goede transmissie heeft, kleine fluctuaties en een transmissieafstand van meer dan 45 mm.
Trajecten van dubbele potloodstralen onder een homogeen magnetisch systeem met Br = 1,4 T.(a) xoz-vlak.(b) yoz-vliegtuig.
Figuur 16 toont de dwarsdoorsnede van de bundel op verschillende posities van de kathode. Hieruit blijkt dat de vorm van het bundelgedeelte in het focussysteem goed behouden blijft en dat de diameter van het gedeelte niet veel verandert. Figuur 17 toont de bundelomhulsels in respectievelijk de x- en y-richting. Hieruit blijkt dat de fluctuatie van de bundel in beide richtingen zeer klein is. Figuur 18 toont de simulatieresultaten van de bundelstroom. Hieruit blijkt dat de stroom ongeveer 2 × 80 mA bedraagt, wat overeenkomt met de berekende waarde in het ontwerp van het elektronenkanon.
Doorsnede van de elektronenbundel (met focussysteem) op verschillende posities van de kathode.
Gezien een reeks problemen zoals montagefouten, spanningsschommelingen en veranderingen in de magnetische veldsterkte bij praktische verwerkingstoepassingen, is het noodzakelijk om de gevoeligheid van het focussysteem te analyseren. Omdat er bij de daadwerkelijke verwerking een opening is tussen het anodestuk en het poolstuk, moet deze opening in de simulatie worden ingesteld. De openingwaarde werd ingesteld op 0,2 mm en Afbeelding 19a toont de bundelomhulling en de bundelstroom in de y-richting. Dit resultaat laat zien dat de verandering in de bundelomhulling niet significant is en de bundelstroom nauwelijks verandert. Daarom is het systeem ongevoelig voor montagefouten. Voor de fluctuatie van de stuurspanning is het foutbereik ingesteld op ±0,5 kV. Afbeelding 19b toont de vergelijkingsresultaten. Het is te zien dat de spanningsverandering weinig effect heeft op de bundelomhulling. Het foutbereik is ingesteld van -0,02 tot +0,03 T voor veranderingen in de magnetische veldsterkte. De vergelijkingsresultaten worden weergegeven in Afbeelding 20. Het is te zien dat de bundelomhulling nauwelijks verandert, wat betekent dat de gehele EOS ongevoelig is voor veranderingen in de magnetische veldsterkte.
De stralenomhullende en de stroomresultaten onder een uniform magnetisch focussysteem. (a) De montagetolerantie bedraagt ​​0,2 mm. (b) De schommeling van de aandrijfspanning bedraagt ​​±0,5 kV.
Straalomhulsel onder een uniform magnetisch focussysteem met axiale magnetische veldsterktefluctuaties variërend van 0,63 tot 0,68 T.
Om ervoor te zorgen dat het in dit artikel ontworpen focussysteem kan overeenkomen met HFS, is het noodzakelijk om het focussysteem en HFS voor onderzoek te combineren. Figuur 21 toont een vergelijking van de bundelomhulsels met en zonder geladen HFS. De resultaten laten zien dat de bundelomhulsel niet veel verandert wanneer het gehele HFS geladen is. Het focussysteem is daarom geschikt voor de lopende-golfbuis HFS van het bovenstaande ontwerp.
Om de juistheid van de in Sectie III voorgestelde EOS te verifiëren en de prestaties van de 220 GHz SDV-TWT te onderzoeken, is een 3D-PIC-simulatie van de bundel-golfinteractie uitgevoerd. Vanwege beperkingen van de simulatiesoftware konden we niet de volledige EOS aan HFS toevoegen. Daarom werd het elektronenkanon vervangen door een equivalent emitterend oppervlak met een diameter van 0,13 mm en een afstand tussen de twee oppervlakken van 0,31 mm; dezelfde parameters als het hierboven ontworpen elektronenkanon. Dankzij de ongevoeligheid en goede stabiliteit van EOS kan de stuurspanning goed worden geoptimaliseerd om het beste uitgangsvermogen in de PIC-simulatie te verkrijgen. De simulatieresultaten tonen aan dat het verzadigde uitgangsvermogen en de versterking kunnen worden verkregen bij een stuurspanning van 20,6 kV, een bundelstroom van 2 × 80 mA (603 A/cm2) en een ingangsvermogen van 0,05 W.
Om het beste uitgangssignaal te verkrijgen, moet het aantal cycli ook worden geoptimaliseerd. Het beste uitgangsvermogen wordt verkregen wanneer het aantal twee fasen 42 + 48 cycli bedraagt, zoals weergegeven in afbeelding 22a. Een ingangssignaal van 0,05 W wordt versterkt tot 314 W met een versterking van 38 dB. Het uitgangsvermogensspectrum dat wordt verkregen door Fast Fourier Transform (FFT) is zuiver en piekt bij 220 GHz. Afbeelding 22b toont de axiale positieverdeling van elektronenenergie in de SWS, waarbij de meeste elektronen energie verliezen. Dit resultaat geeft aan dat de SDV-SWS de kinetische energie van elektronen kan omzetten in RF-signalen, waardoor signaalversterking wordt gerealiseerd.
SDV-SWS-uitgangssignaal op 220 GHz.(a) Uitgangsvermogen met inbegrepen spectrum.(b) Energieverdeling van elektronen met de elektronenbundel aan het einde van de SWS-inzet.
Figuur 23 toont de uitgangsbandbreedte en de versterking van een dual-mode dual-beam SDV-TWT. De uitgangsprestaties kunnen verder worden verbeterd door de frequenties te variëren van 200 tot 275 GHz en de aandrijfspanning te optimaliseren. Deze resultaten laten zien dat de bandbreedte van 3 dB 205 tot 275 GHz kan bestrijken, wat betekent dat dual-mode-werking de bedrijfsbandbreedte aanzienlijk kan vergroten.
Echter, volgens figuur 2a weten we dat er een stopband is tussen de oneven en even modi, wat kan leiden tot ongewenste oscillaties. Daarom moet de werkstabiliteit rond de stops worden bestudeerd. Figuren 24a-c zijn de simulatieresultaten van 20 ns op respectievelijk 265,3 GHz, 265,35 GHz en 265,4 GHz. Het is te zien dat, hoewel de simulatieresultaten enkele fluctuaties vertonen, het uitgangsvermogen relatief stabiel is. Het spectrum is ook weergegeven in figuur 24; het spectrum is zuiver. Deze resultaten geven aan dat er geen zelfoscillatie is in de buurt van de stopband.
Fabricage en meting zijn noodzakelijk om de correctheid van het gehele HFS te verifiëren. In dit onderdeel wordt het HFS gefabriceerd met behulp van computer numerical control (CNC)-technologie met een gereedschapsdiameter van 0,1 mm en een bewerkingsnauwkeurigheid van 10 μm. Het materiaal voor de hoogfrequente structuur wordt geleverd door zuurstofvrij koper met hoge geleidbaarheid (OFHC). Afbeelding 25a toont de gefabriceerde structuur. De gehele structuur heeft een lengte van 66,00 mm, een breedte van 20,00 mm en een hoogte van 8,66 mm. Acht pinholes zijn verdeeld over de structuur. Afbeelding 25b toont de structuur met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). De bladen van deze structuur zijn uniform geproduceerd en hebben een goede oppervlakteruwheid. Na een nauwkeurige meting is de algehele bewerkingsfout minder dan 5% en is de oppervlakteruwheid ongeveer 0,4 μm. De bewerkingsstructuur voldoet aan de ontwerp- en precisievereisten.
Figuur 26 toont de vergelijking tussen daadwerkelijke testresultaten en simulaties van transmissieprestaties. Poort 1 en poort 2 in figuur 26a komen respectievelijk overeen met de invoer- en uitvoerpoorten van de HFS en zijn equivalent aan poort 1 en poort 4 in figuur 3. De daadwerkelijke meetresultaten van S11 zijn iets beter dan de simulatieresultaten. Tegelijkertijd zijn de gemeten resultaten van S21 iets slechter. De reden hiervoor kan zijn dat de in de simulatie ingestelde geleidbaarheid van het materiaal te hoog is en de oppervlakteruwheid na daadwerkelijke bewerking slecht is. Over het algemeen komen de gemeten resultaten goed overeen met de simulatieresultaten en voldoet de transmissiebandbreedte aan de vereiste van 70 GHz, wat de haalbaarheid en correctheid van de voorgestelde dual-mode SDV-TWT verifieert. Daarom kan het in dit artikel voorgestelde ultrabreedband dual-beam SDV-TWT-ontwerp, gecombineerd met het daadwerkelijke fabricageproces en de testresultaten, worden gebruikt voor latere fabricage en toepassingen.
In dit artikel wordt een gedetailleerd ontwerp van een 220 GHz dual-beam SDV-TWT met planaire distributie gepresenteerd. De combinatie van dual-mode werking en dual-beam excitatie verhoogt de operationele bandbreedte en het uitgangsvermogen verder. De fabricage en koude test worden ook uitgevoerd om de correctheid van de gehele HFS te verifiëren. De daadwerkelijke meetresultaten komen goed overeen met de simulatieresultaten. Voor de ontworpen EOS met twee bundels zijn een maskersectie en stuurelektroden samen gebruikt om een ​​bundel met twee pennen te produceren. Onder het ontworpen uniforme focusserende magnetische veld kan de elektronenbundel stabiel over lange afstanden en met een goede vorm worden overgedragen. In de toekomst zullen de EOS worden geproduceerd en getest, en zal ook de thermische test van de gehele TWT worden uitgevoerd. Dit in dit artikel voorgestelde SDV-TWT-ontwerp combineert volledig de huidige volwassen vlakke verwerkingstechnologie en toont een groot potentieel op het gebied van prestatie-indicatoren, verwerking en assemblage. Daarom wordt in dit artikel aangenomen dat de planaire structuur waarschijnlijk de ontwikkelingstrend zal worden van vacuüm-elektronische apparaten in de terahertzband.
De meeste ruwe gegevens en analytische modellen in deze studie zijn in dit artikel opgenomen. Verdere relevante informatie kan op redelijk verzoek worden verkregen bij de corresponderende auteur.
Gamzina, D. et al. Nanoscale CNC-bewerking van sub-terahertz vacuüm elektronica. IEEE Trans. elektronische apparaten. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. en Paoloni, C. UV-LIGA microfabricage van sub-terahertz golfgeleiders met behulp van meerlaagse SU-8 fotoresist. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 THz-technologieroutekaart.J. Physics.D om toe te passen.fysica.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR en Luhmann, NC Sterke opsluiting van de voortplanting van plasmonische golven via ultrabreedband gestapelde dubbelroostergolfgeleiders.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Prestaties van een nano-CNC-gefreesde 220-GHz lopende-golfbuizenversterker. IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Onderzoek naar diocotroninstabiliteit van oneindig brede vel-elektronenbundels met behulp van macroscopische koudevloeistofmodeltheorie. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV over de mogelijkheid om de bandbreedte te vergroten door de vlakke lay-out van de straal in een multibeam klystron. In 12e IEEE Internationale conferentie over vacuümelektronica, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Ontwerp van elektronenkanonnen met drie stralen en een smalle bundelsplitsingsvlakverdeling in een W-band gestaffelde dubbelbladige lopende golfbuis[J].Science.Rep. 11, 940.https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB en Ruan, CJ Planair gedistribueerd driestraals elektronenoptisch systeem met smalle bundelscheiding voor W-band fundamentele modus TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Onderzoek naar een verweven dubbelbladige reizende golfbuis met millimetergolfplaatbalken 20-22 (PhD, Beihang University, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Onderzoek naar de stabiliteit van de interactie tussen bundels en golven van een G-band verweven dubbelbladige lopende-golfbuis. 2018 43e Internationale conferentie over infrarood millimeter- en terahertzgolven, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).