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). Om de ondersteuning te blijven garanderen, tonen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript.
In dit artikel wordt een 220 GHz breedbandige, krachtige, interleaved, dubbelbladige traveling wave tube ontworpen en geverifieerd. Ten eerste wordt een planaire, dubbelbundelige, verspringende, dubbelbladige slow-wave structuur voorgesteld. Door gebruik te maken van een dual-mode werkingsschema zijn de transmissieprestaties en bandbreedte bijna twee keer zo hoog als bij een single-mode structuur. Ten tweede is, om te voldoen aan de eisen van een hoog uitgangsvermogen en de stabiliteit van de traveling wave tube te verbeteren, een dubbel potloodvormig elektronisch optisch systeem ontworpen met een aandrijfspanning van 20-21 kV en een stroom van 2 × 80 mA. Ontwerpdoelen: Door gebruik te maken van het maskergedeelte en de stuurelektrode in de dubbele bundelkanon, kunnen de twee potloodbundels langs hun respectievelijke centra worden gefocusseerd met een compressieverhouding van 7, een focusafstand van ongeveer 0,18 mm en een goede stabiliteit. Het uniforme magnetische focusseersysteem 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 het gehele hoogfrequentiebereik te bestrijken. systeem (HFS). Vervolgens werden, om de bruikbaarheid van het elektron-optische systeem en de prestaties van de langzame-golfstructuur te verifiëren, ook particle cell (PIC)-simulaties uitgevoerd op het gehele HFS. De resultaten tonen aan dat het bundelinteractiesysteem een ​​piekvermogen van bijna 310 W bij 220 GHz kan bereiken, de geoptimaliseerde bundelspanning 20,6 kV bedraagt, de bundelstroom 2 × 80 mA is, de versterking 38 dB is en de 3-dB bandbreedte meer dan 35 dB bedraagt ​​rond 70 GHz. Ten slotte werd een zeer nauwkeurige microstructuur vervaardigd 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 zal leiden tot de ontwikkeling van krachtige, ultrabreedbandige terahertz-stralingsbronnen met potentieel voor toekomstige toepassingen.
Als traditioneel vacuüm-elektronisch apparaat speelt de traveling wave tube (TWT) een onvervangbare rol in vele toepassingen, zoals hogeresolutieradar, satellietcommunicatiesystemen en ruimteverkenning1,2,3. Echter, naarmate de werkfrequentie het terahertz-bereik bereikt, voldoen de traditionele gekoppelde-caviteit TWT en de spiraalvormige TWT niet langer aan de behoeften van de gebruikers vanwege het relatief lage uitgangsvermogen, de smalle bandbreedte en de complexe fabricageprocessen. Daarom is het verbeteren van de prestaties in het THz-bereik een belangrijk aandachtspunt geworden voor veel wetenschappelijke onderzoeksinstellingen. De laatste jaren hebben nieuwe slow-wave structuren (SWS's), zoals staggered dual-blade (SDV) structuren en folded waveguide (FW) structuren, veel aandacht gekregen vanwege hun natuurlijke planaire structuur, met name de nieuwe SDV-SWS's met veelbelovend potentieel. Deze structuur werd in 2008 voorgesteld door UC-Davis4. De planaire structuur kan eenvoudig worden vervaardigd met behulp van micro-nanoverwerkingstechnieken zoals computergestuurde numerieke besturing (CNC) en UV-LIGA, en de volledig metalen behuizingsstructuur Het kan een grotere thermische capaciteit bieden met een hoger uitgangsvermogen en versterking, en de golfgeleiderachtige structuur kan ook een bredere werkbandbreedte bieden. Momenteel heeft UC Davis in 2017 voor het eerst aangetoond dat SDV-TWT in de G-band signalen met een hoog vermogen van meer dan 100 W en een bandbreedte van bijna 14 GHz kan genereren.5 Deze resultaten vertonen echter nog steeds tekortkomingen en voldoen niet aan de eisen van hoog vermogen en brede bandbreedte in de terahertzband. Voor de G-band SDV-TWT van UC-Davis zijn elektronenbundels in de vorm van een plaat gebruikt. Hoewel dit schema de stroomvoerende capaciteit van de bundel aanzienlijk kan verbeteren, is het moeilijk om een ​​lange transmissieafstand te behouden vanwege de instabiliteit van het elektronenoptische systeem (EOS) van de plaatbundel, en er is sprake van overmode bundeltunneling, wat ook kan leiden tot zelfregulering van de bundel. – Opwekking en oscillatie 6,7. Om te voldoen aan de eisen van een hoog uitgangsvermogen, een brede bandbreedte en een 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 verhogen, wordt ook een planaire verdeling van dubbele potloodbundels gebruikt. Radio's met een enkele potloodbundel zijn relatief klein vanwege verticale afmetingsbeperkingen. Als de stroomdichtheid te hoog is, moet de bundelstroom worden verlaagd, wat resulteert in een relatief laag uitgangsvermogen. Om de bundelstroom te verbeteren, is de planaire gedistribueerde multibeam EOS ontstaan, die de laterale afmeting van de SWS benut. Dankzij de onafhankelijke bundeltunneling kan de planaire gedistribueerde multibeam een ​​hoog uitgangsvermogen bereiken door een hoge totale bundelstroom en een kleine stroom per bundel te behouden, waardoor overmode bundeltunneling wordt vermeden in vergelijking met apparaten met vlakke bundels. Daarom is het gunstig voor het behoud van de stabiliteit van de traveling wave tube. Op basis van eerdere In dit artikel wordt een G-band uniform magnetisch veld gefocusseerde dubbele potloodstraal EOS voorgesteld, die de stabiele transmissieafstand van de straal aanzienlijk kan verbeteren en het interactiegebied van de straal verder kan vergroten, waardoor het uitgangsvermogen sterk wordt verbeterd.
De structuur van dit artikel is als volgt. Eerst wordt het ontwerp van de SWS-cel beschreven, inclusief parameters, analyse van de dispersiekarakteristieken en resultaten van hoogfrequente simulaties. Vervolgens wordt, op basis van de structuur van de eenheidscel, een dubbele potloodstraal-toestandsvergelijking (EOS) en een straalinteractiesysteem ontworpen. Ook worden resultaten van intracellulaire deeltjessimulaties gepresenteerd om de bruikbaarheid van de EOS en de prestaties van SDV-TWT te verifiëren. Daarnaast worden in dit artikel kort de fabricage- en koudtestresultaten beschreven om de correctheid van het gehele HFS te controleren. Tot slot volgt een samenvatting.
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 langzame-golfstructuur (SWS), en hebben daardoor 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 vlakke bundel en de vermogensbeperking van de enkelvoudige penbundel, is in de structuur gebruikgemaakt van een dubbele penbundel om het uitgangsvermogen en de operationele stabiliteit verder te verbeteren. Tegelijkertijd is, om de werkbandbreedte te vergroten, een dubbele modus voorgesteld voor de werking van de SWS. Vanwege de symmetrie van de SDV-structuur kan de oplossing van de elektromagnetische velddispersievergelijking worden opgesplitst 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 breedbandsynchronisatie van de bundelinteractie te realiseren, waardoor de werkbandbreedte verder wordt verbeterd.
Volgens de vermogensvereisten is de gehele buis ontworpen met een aandrijfspanning van 20 kV en een dubbele bundelstroom van 2 × 80 mA. Om de spanning zo goed mogelijk af te stemmen op de werkingsbandbreedte van de SDV-SWS, moeten we de lengte van de periode p berekenen. De relatie tussen bundelspanning en periode wordt weergegeven in vergelijking (1)10:
Door de faseverschuiving in te stellen op 2,5π bij de middenfrequentie 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 sluit zeer goed aan op de bimodale curve. De overeenkomende 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 werkingsbandbreedte.
(a) Dispersiekarakteristieken van een dual-mode SDV-SWS met een 20 kV elektronenbundellijn. (b) Interactie-impedantie van het SDV-langzame-golfcircuit.
Het is echter belangrijk op te merken dat er een bandkloof bestaat tussen de oneven en even modi, en we noemen deze bandkloof meestal de stopband, zoals weergegeven in figuur 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's in de buurt van de stopband. Het is echter te zien dat de bandkloof van deze langzame golfstructuur slechts 0,1 GHz bedraagt. Het is moeilijk te bepalen of deze kleine bandkloof oscillaties veroorzaakt. Daarom zal de stabiliteit van de werking rond de stopband in het volgende PIC-simulatiegedeelte worden onderzocht om te analyseren of er ongewenste oscillaties kunnen optreden.
Het model van de gehele HFS is weergegeven in Figuur 3. Het bestaat uit twee fasen van SDV-SWS, verbonden door Bragg-reflectoren. De functie van de reflector is het afsnijden van de signaaloverdracht tussen de twee fasen, het onderdrukken van oscillaties en reflecties van niet-werkende modi, zoals hogere-orde modi die tussen de bovenste en onderste lamellen worden gegenereerd, waardoor de stabiliteit van de gehele buis aanzienlijk wordt verbeterd. Voor de verbinding met de externe omgeving wordt ook een lineaire taps toelopende koppelaar gebruikt om de SWS aan te sluiten op een WR-4 standaardgolfgeleider. De transmissiecoëfficiënt van de twee-niveau structuur wordt gemeten met een tijddomein-solver in de 3D-simulatiesoftware. Rekening houdend met het daadwerkelijke effect van de terahertzband op het materiaal, is het materiaal van de vacuümomhulling initieel ingesteld op koper en is de geleidbaarheid verlaagd tot 2,25 × 10⁷ S/m¹².
Figuur 4 toont de transmissieresultaten voor HFS met en zonder lineaire taps toelopende koppelaars. De resultaten laten zien dat de koppelaar weinig invloed heeft op de transmissieprestaties van de gehele HFS. Het retourverlies (S11 < − 10 dB) en het invoegverlies (S21 > − 5 dB) van het gehele systeem in de breedband van 207~280 GHz tonen aan dat HFS goede transmissiekarakteristieken heeft.
Als stroombron van vacuüm-elektronische apparaten bepaalt het elektronenkanon direct of het apparaat voldoende uitgangsvermogen kan genereren. In combinatie met de analyse van HFS in Sectie II moet een dubbele bundel EOS worden ontworpen om voldoende vermogen te leveren. In dit deel wordt, gebaseerd op eerder werk in de W-band8,9, een dubbelpotlood-elektronenkanon ontworpen met behulp van een vlak maskerdeel en stuurelektroden. Ten eerste, volgens de ontwerpvereisten van SWS in Sectie II, zoals weergegeven in Fig. 2. De aandrijfspanning Ua van de elektronenbundels wordt initieel ingesteld op 20 kV, de stromen I van beide elektronenbundels bedragen 80 mA, en de bundeldiameter dw van de elektronenbundels is 0,13 mm. Tegelijkertijd wordt, om ervoor te zorgen dat de stroomdichtheid van de elektronenbundel en de kathode bereikt kan worden, de compressieverhouding van de elektronenbundel ingesteld op 7, waardoor de stroomdichtheid van de elektronenbundel 603 A/cm² bedraagt ​​en de stroomdichtheid van de kathode 86 A/cm², wat bereikt kan worden met behulp van nieuwe kathodematerialen. Volgens ontwerptheorie 14, 15, 16, 17 kan een typisch Pierce-elektronenkanon uniek worden geïdentificeerd.
Figuur 5 toont respectievelijk de horizontale en verticale schematische diagrammen van het elektronenkanon. Het is te zien dat het profiel van het elektronenkanon in de x-richting vrijwel identiek is aan dat van een typisch plaatvormig elektronenkanon, terwijl in de y-richting de twee elektronenbundels 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 ontwerpeisen voor de compressieverhouding en de grootte van de elektroneninjectie 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 toegepast op het elektronenkanon. Door de spanning van de focusseerelektrode en de stuurelektrode in te stellen op -20 kV en de spanning van de anode op 0 V, kunnen we de trajectverdeling van het dubbele elektronenkanon verkrijgen, zoals weergegeven in Fig. 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 symmetriecentrum. Dit duidt erop dat de stuurelektrode het ongelijke elektrische veld dat door de focusseerelektrode wordt gegenereerd, in evenwicht brengt.
Figuur 7 toont de bundelomhulling in de x- en y-richting. De resultaten laten zien dat de projectieafstand van de elektronenbundel in de x-richting verschilt van die in de y-richting. De worpafstand in de x-richting is ongeveer 4 mm en de worpafstand in de y-richting is bijna 7 mm. Daarom moet de werkelijke worpafstand tussen 4 en 7 mm worden gekozen. Figuur 8 toont de doorsnede van de elektronenbundel op 4,6 mm van het kathodeoppervlak. We kunnen zien dat de vorm van de doorsnede het meest lijkt op een standaard cirkelvormige elektronenbundel. 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 bedragen, wat goed overeenkomt met de ontworpen 80 mA.
Gezien de fluctuaties in de aandrijfspanning bij praktische toepassingen, is het noodzakelijk om de spanningsgevoeligheid van dit model te bestuderen. In het spanningsbereik van 19,8 ~ 20,6 kV zijn de stroom- en bundelstroomomhulsels verkregen, zoals weergegeven in Figuur 1 en Figuur 1.10 en 11. Uit de resultaten blijkt dat de verandering van de aandrijfspanning geen effect heeft op het elektronenbundelomhulsel en dat de elektronenbundelstroom slechts verandert van 0,74 naar 0,78 A. Daarom kan worden aangenomen dat het in dit artikel ontworpen elektronenkanon een goede spanningsgevoeligheid heeft.
Het effect van schommelingen in de aandrijfspanning op de bundelomhulsels in de x- en y-richting.
Een uniform magnetisch focusseerveld is een veelgebruikt focusseersysteem met permanente magneten. Door de uniforme verdeling van het magnetische veld in het gehele bundelkanaal is dit systeem zeer geschikt voor axiaal-symmetrische elektronenbundels. In dit gedeelte wordt een uniform magnetisch focusseersysteem voorgesteld voor het handhaven van de transmissie over lange afstand van dubbele potloodbundels. Door het gegenereerde magnetische veld en de bundelomhulling te analyseren, wordt het ontwerp van het focusseersysteem voorgesteld en wordt het gevoeligheidsprobleem onderzocht. Volgens de theorie van stabiele transmissie van een enkele potloodbundel18,19 kan de Brillouin-magnetische veldwaarde worden berekend met behulp van vergelijking (2). In dit artikel gebruiken we deze equivalentie ook om het magnetische veld van een lateraal verdeelde dubbele potloodbundel te schatten. In combinatie met het in dit artikel ontworpen elektronenkanon is de berekende magnetische veldwaarde ongeveer 4000 Gs. Volgens Ref. 20 wordt in praktische ontwerpen doorgaans 1,5 tot 2 keer de berekende waarde gekozen.
Figuur 12 toont de structuur van een uniform magnetisch focusseersysteem. Het blauwe gedeelte is de permanente magneet die in de axiale richting is gemagnetiseerd. De materiaalkeuze is NdFeB of FeCoNi. De remanentie Br in het simulatiemodel is ingesteld op 1,3 T en de permeabiliteit op 1,05. Om een ​​stabiele transmissie van de bundel in het gehele circuit te garanderen, is de lengte van de magneet initieel ingesteld op 70 mm. Bovendien bepaalt de afmeting van de magneet in de x-richting of het transversale magnetische veld in het bundelkanaal uniform is, wat vereist dat de afmeting in de x-richting niet te klein is. Tegelijkertijd, rekening houdend met de kosten en het gewicht van de gehele buis, mag de afmeting van de magneet niet te groot zijn. Daarom zijn de magneten initieel ingesteld op 150 mm × 150 mm × 70 mm. Om ervoor te zorgen dat het gehele langzame-golfcircuit in het focusseersysteem past, is 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 focusseersysteem. Dit kan de omvang van de fluxlekkage naar de kathode en het transversale magnetische veld dat bij het poolstukgat wordt gegenereerd verder verminderen. In dit artikel voegen we een getrapte structuur toe aan het poolstuk van het focusseersysteem. De dikte van het poolstuk is aanvankelijk ingesteld op 1,5 mm, de hoogte en breedte van de drie treden zijn 0,5 mm en de afstand tussen de poolstukgaten is 2 mm, zoals weergegeven in Figuur 13.
Figuur 14a toont de axiale magnetische veldverdeling langs de middellijnen van de twee elektronenbundels. Het is te zien dat de magnetische veldkrachten langs de twee elektronenbundels gelijk zijn. De magnetische veldsterkte is ongeveer 6000 Gs, wat 1,5 keer de theoretische Brillouin-waarde is, wat de transmissie- en focusseerprestaties verbetert. Tegelijkertijd is het magnetische veld bij de kathode bijna nul, wat aangeeft dat het poolstuk een goed effect heeft op het voorkomen van magnetische fluxlekkage. Figuur 14b toont de transversale magnetische veldverdeling By in de z-richting aan de bovenrand van de twee elektronenbundels. Het is te zien dat het transversale magnetische veld minder dan 200 Gs is, alleen bij het gat van het poolstuk, terwijl het in het langzame-golfcircuit bijna nul is. Dit bewijst dat de invloed van het transversale magnetische veld op de elektronenbundel verwaarloosbaar is. Om magnetische verzadiging van de poolstukken te voorkomen, is het noodzakelijk om de magnetische veldsterkte binnen de poolstukken te bestuderen. Figuur 14c toont de absolute waarde van de magnetische veldverdeling binnen de pool. Het is te zien dat de absolute waarde van de magnetische veldsterkte minder dan 1,2 T bedraagt, wat 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 Br in de z-richting. (c) Absolute waarde van de veldverdeling binnen het poolstuk.
Op basis van de CST PS-module is de axiale relatieve positie van de dubbele bundelkanon en het focusseersysteem geoptimaliseerd. Volgens referentie 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 focusserende magnetische veld verhoogd tot 6500 Gs. De bundeltrajecten in de xoz- en yoz-vlakken worden weergegeven in figuur 15. Hieruit blijkt dat de bundel een goede transmissie heeft, weinig fluctuaties vertoont 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 ten opzichte van de kathode. Het is te zien dat de vorm van de bundeldoorsnede in het focusseersysteem goed behouden blijft en dat de doorsnedediameter niet veel verandert. Figuur 17 toont de bundelomhulsels in respectievelijk de x- en y-richting. Het is te zien dat de fluctuatie van de bundel in beide richtingen zeer klein is. Figuur 18 toont de simulatieresultaten van de bundelstroom. De resultaten laten zien dat de stroom ongeveer 2 × 80 mA bedraagt, wat overeenkomt met de berekende waarde in het ontwerp van de elektronenkanon.
Doorsnede van de elektronenbundel (met focusseersysteem) op verschillende posities ten opzichte 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 focusseersysteem te analyseren. Omdat er in de praktijk een opening is tussen het anode- en het poolstuk, moet deze opening in de simulatie worden ingesteld. De opening werd ingesteld op 0,2 mm en figuur 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. Het systeem is daarom ongevoelig voor montagefouten. Voor de fluctuatie van de aandrijfspanning is het foutbereik ingesteld op ±0,5 kV. Figuur 19b toont de vergelijkingsresultaten. Hieruit blijkt dat de spanningsverandering weinig effect heeft op de bundelomhulling. Het foutbereik voor veranderingen in de magnetische veldsterkte is ingesteld van -0,02 tot +0,03 T. De vergelijkingsresultaten worden weergegeven in figuur 20. Hieruit blijkt dat de bundelomhulling nauwelijks verandert, wat betekent dat de gehele toestandsvergelijking ongevoelig is voor veranderingen in de magnetische veldsterkte.
Bundelomhulling en stroomresultaten onder een uniform magnetisch focusseersysteem. (a) De montagetolerantie is 0,2 mm. (b) De fluctuatie van de aandrijfspanning is ±0,5 kV.
Bundelomhulling onder een uniform magnetisch focusseersysteem met axiale magnetische veldsterktefluctuaties variërend van 0,63 tot 0,68 T.
Om ervoor te zorgen dat het in dit artikel ontworpen focusseersysteem compatibel is met HFS, is het noodzakelijk om het focusseersysteem en HFS te combineren voor onderzoek. Figuur 21 toont een vergelijking van de bundelomhulsels met en zonder belaste HFS. De resultaten laten zien dat het bundelomhulsel niet veel verandert wanneer de gehele HFS belast is. Daarom is het focusseersysteem geschikt voor de HFS van de lopende golfbuis volgens 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 bundel-golfinteractie uitgevoerd. Vanwege beperkingen in de simulatiesoftware konden we de volledige EOS niet 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 de EOS kan de stuurspanning in de PIC-simulatie optimaal worden afgesteld om het beste uitgangsvermogen te bereiken. De simulatieresultaten tonen aan dat het verzadigde uitgangsvermogen en de versterking kunnen worden bereikt 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 ook het aantal cycli worden geoptimaliseerd. Het beste uitgangsvermogen wordt verkregen wanneer het aantal twee trappen 42 + 48 cycli bedraagt, zoals weergegeven in figuur 22a. Een ingangssignaal van 0,05 W wordt versterkt tot 314 W met een versterking van 38 dB. Het uitgangsvermogensspectrum, verkregen met behulp van de Fast Fourier Transform (FFT), is zuiver en piekt op 220 GHz. Figuur 22b toont de axiale positieverdeling van de 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 bij 220 GHz. (a) Uitgangsvermogen met bijgevoegd spectrum. (b) Energieverdeling van elektronen met de elektronenbundel aan het einde van de SWS (inzet).
Figuur 23 toont de bandbreedte van het uitgangsvermogen en de versterking van een dual-mode dual-beam SDV-TWT. De uitgangsprestaties kunnen verder worden verbeterd door frequenties te variëren van 200 tot 275 GHz en de stuurspanning te optimaliseren. Dit resultaat laat zien dat de 3-dB bandbreedte 205 tot 275 GHz kan bestrijken, wat betekent dat dual-mode werking de werkingsbandbreedte aanzienlijk kan vergroten.
Volgens figuur 2a weten we echter dat er een stopband is tussen de oneven en even modi, wat kan leiden tot ongewenste oscillaties. Daarom moet de stabiliteit van de werking rond de stopband worden onderzocht. Figuren 24a-c tonen de simulatieresultaten van 20 ns bij respectievelijk 265,3 GHz, 265,35 GHz en 265,4 GHz. Hoewel de simulatieresultaten enige fluctuaties vertonen, is het uitgangsvermogen relatief stabiel. Het spectrum is ook weergegeven in figuur 24; het spectrum is zuiver. Deze resultaten wijzen erop dat er geen zelfoscillatie optreedt in de buurt van de stopband.
Fabricage en meting zijn noodzakelijk om de correctheid van de gehele HFS te verifiëren. In dit deel wordt de HFS gefabriceerd met behulp van computergestuurde numerieke besturing (CNC) technologie met een gereedschapsdiameter van 0,1 mm en een bewerkingsnauwkeurigheid van 10 μm. Het materiaal voor de hoogfrequente structuur is zuurstofvrij, hooggeleidend (OFHC) koper. Figuur 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 pin-gaten zijn rondom de structuur verdeeld. Figuur 25b toont de structuur met behulp van scanningelektronenmicroscopie (SEM). De bladen van deze structuur zijn uniform geproduceerd en hebben een goede oppervlakteruwheid. Na nauwkeurige meting is de totale bewerkingsfout minder dan 5% en de oppervlakteruwheid ongeveer 0,4 μm. De gefabriceerde structuur voldoet aan de ontwerp- en precisie-eisen.
Figuur 26 toont de vergelijking tussen de werkelijke testresultaten en de simulaties van de transmissieprestaties. Poort 1 en Poort 2 in Figuur 26a corresponderen respectievelijk met de ingangs- en uitgangspoorten van de HFS en zijn equivalent aan Poort 1 en Poort 4 in Figuur 3. De werkelijke meetresultaten van S11 zijn iets beter dan de simulatieresultaten. Tegelijkertijd zijn de meetresultaten van S21 iets slechter. De reden hiervoor kan zijn dat de in de simulatie ingestelde materiaalgeleidbaarheid te hoog is en de oppervlakteruwheid na de daadwerkelijke bewerking onvoldoende is. Over het geheel genomen komen de meetresultaten 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 bevestigt. Daarom kan het in dit artikel voorgestelde ultrabreedband dual-beam SDV-TWT-ontwerp, in combinatie met het daadwerkelijke fabricageproces en de testresultaten, worden gebruikt voor verdere fabricage en toepassingen.
In dit artikel wordt een gedetailleerd ontwerp gepresenteerd van een planaire 220 GHz dual-beam SDV-TWT. De combinatie van dual-mode werking en dual-beam excitatie verhoogt de operationele bandbreedte en het uitgangsvermogen. De fabricage en koudetest zijn uitgevoerd om de correctheid van de gehele HFS te verifiëren. De daadwerkelijke meetresultaten komen goed overeen met de simulatieresultaten. Voor de ontworpen dual-beam EOS zijn een maskersectie en stuurelektroden gebruikt om een ​​dubbele bundel te produceren. Onder het ontworpen uniforme focusserende magnetische veld kan de elektronenbundel stabiel over lange afstanden worden getransporteerd met behoud van een goede vorm. In de toekomst zullen de productie en testen van de EOS worden uitgevoerd, evenals de thermische test van de gehele TWT. Dit in dit artikel voorgestelde SDV-TWT-ontwerp combineert de huidige vol成熟e planaire verwerkingstechnologie volledig en toont een groot potentieel op het gebied van prestatie-indicatoren, verwerking en assemblage. Daarom is dit artikel van mening dat de planaire structuur hoogstwaarschijnlijk de ontwikkelingstrend zal worden voor vacuüm elektronische apparaten in de terahertzband.
De meeste ruwe data en analytische modellen uit dit onderzoek zijn in dit artikel opgenomen. Aanvullende relevante informatie kan op redelijk verzoek worden verkregen bij de corresponderende auteur.
Gamzina, D. et al. Nanoscale CNC-bewerking van sub-terahertz vacuümelektronica. IEEE Trans. electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. en Paoloni, C. UV-LIGA microfabricage van sub-terahertz golfgeleiders met behulp van meerlaagse SU-8 fotolak. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 THz-technologie-roadmap. J. Physics. D to apply. physics. 50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Sterke opsluiting van plasmonische golfvoortplanting via ultrabreedbandige dubbelroostergolfgeleiders.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Prestaties van een met nano-CNC gefreesde 220-GHz Traveling Wave Tube-versterker. IEEE Trans. electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ. Onderzoek naar de diocotroninstabiliteit van oneindig brede elektronenbundels met behulp van de macroscopische theorie van het koude vloeistofmodel. 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 planaire lay-out van de bundel in een multibundel-klystron. In 12th IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Ontwerp van driestraals elektronenkanonnen met een smalle verdeling van het bundelsplitsingsvlak in een W-band verspringende dubbelbladige reizende golfbuis [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 distributed three-beam electron optical system with narrow beam separation for W-band fundamental mode TWT. IEEE Trans. electronic devices. 68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Onderzoek naar een interleaved double-blade traveling wave tube met millimetergolf-plaatbundels 20-22 (PhD, Beihang Universiteit, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studie naar de stabiliteit van de bundel-golfinteractie van een G-band interleaved dual-blade traveling wave tube. 2018 43e Internationale Conferentie over Infrarood Millimeter- en Terahertzgolven, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).