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Neste artigo, um tubo de ondas progressivas de alta potência e banda larga de 220 GHz com lâminas duplas intercaladas é projetado e verificado. Primeiramente, propõe-se uma estrutura planar de onda lenta com feixe duplo escalonado e lâminas duplas. Utilizando um esquema de operação em modo duplo, o desempenho de transmissão e a largura de banda são quase o dobro dos obtidos em modo único. Em segundo lugar, para atender aos requisitos de alta potência de saída e melhorar a estabilidade do tubo de ondas progressivas, um sistema óptico eletrônico duplo em formato de lápis é projetado, com tensão de acionamento de 20 a 21 kV e corrente de 2 × 80 mA. Objetivos do projeto: Utilizando a parte da máscara e o eletrodo de controle no canhão de feixe duplo, os dois feixes em formato de lápis podem ser focalizados ao longo de seus respectivos centros com uma taxa de compressão de 7, a distância de focalização é de aproximadamente 0,18 mm e a estabilidade é boa. O sistema de focalização magnética uniforme também foi otimizado. A distância de transmissão estável do feixe duplo de elétrons planar pode atingir 45 mm e o campo magnético de focalização é de 0,6 T, o que é suficiente para cobrir toda a área. sistema de alta frequência (HFS). Em seguida, para verificar a usabilidade do sistema eletro-óptico e o desempenho da estrutura de onda lenta, simulações de célula de partícula (PIC) também foram realizadas em todo o HFS. Os resultados mostram que o sistema de interação do feixe pode atingir uma potência de saída de pico de quase 310 W a 220 GHz, a tensão otimizada do feixe é de 20,6 kV, a corrente do feixe é de 2 × 80 mA, o ganho é de 38 dB e a largura de banda de 3 dB excede 35 dB em torno de 70 GHz. Finalmente, a fabricação de microestruturas de alta precisão é realizada para verificar o desempenho do HFS, e os resultados mostram que a largura de banda e as características de transmissão estão em boa concordância com os resultados da simulação. Portanto, espera-se que o esquema proposto neste artigo desenvolva fontes de radiação de alta potência e banda ultralarga na faixa de terahertz com potencial para aplicações futuras.
Como um dispositivo eletrônico a vácuo tradicional, o tubo de ondas progressivas (TWT) desempenha um papel insubstituível em muitas aplicações, como radares de alta resolução, sistemas de comunicação via satélite e exploração espacial^1,2,3. No entanto, à medida que a frequência de operação entra na banda de terahertz, os TWTs de cavidade acoplada e os TWTs helicoidais tradicionais não conseguem atender às necessidades devido à potência de saída relativamente baixa, à largura de banda estreita e aos processos de fabricação complexos. Portanto, como melhorar de forma abrangente o desempenho na banda de THz tornou-se uma questão de grande importância para muitas instituições de pesquisa científica. Nos últimos anos, novas estruturas de ondas lentas (SWSs), como as estruturas de lâmina dupla escalonada (SDV) e as estruturas de guia de ondas dobrada (FW), têm recebido grande atenção devido às suas estruturas planares naturais, especialmente as novas SDV-SWSs com potencial promissor. Essa estrutura foi proposta pela UC Davis em 2008⁴. A estrutura planar pode ser facilmente fabricada por técnicas de processamento micro-nano, como controle numérico computadorizado (CNC) e UV-LIGA, com estrutura de encapsulamento totalmente metálica. Pode proporcionar maior capacidade térmica com maior potência de saída e ganho, e a estrutura semelhante a um guia de ondas também pode proporcionar uma largura de banda de trabalho mais ampla. Atualmente, a UC Davis demonstrou pela primeira vez em 2017 que o SDV-TWT pode gerar saídas de alta potência superiores a 100 W e sinais com largura de banda de quase 14 GHz na banda G⁵. No entanto, esses resultados ainda apresentam lacunas que não atendem aos requisitos relacionados de alta potência e ampla largura de banda na banda de terahertz. Para o SDV-TWT de banda G da UC Davis, foram utilizados feixes de elétrons em forma de folha. Embora esse esquema possa melhorar significativamente a capacidade de condução de corrente do feixe, é difícil manter uma longa distância de transmissão devido à instabilidade do sistema óptico de elétrons (EOS) do feixe em forma de folha, e há um túnel de feixe de modo excessivo, que também pode causar a autorregulação do feixe. – Excitação e oscilação 6,7. Para atender aos requisitos de alta potência de saída, ampla largura de banda e boa estabilidade do TWT de THz, um SDV-SWS de feixe duplo com operação em modo duplo é proposto neste artigo. Ou seja, para aumentar a largura de banda operacional, a operação em modo duplo é proposta e introduzida nesta estrutura. Além disso, para aumentar a potência de saída, também é utilizada uma distribuição planar de feixes duplos. Rádios de feixe único são relativamente pequenos devido às restrições de tamanho vertical. Se a densidade de corrente for muito alta, a corrente do feixe deve ser reduzida, resultando em uma potência de saída relativamente baixa. Para melhorar a corrente do feixe, surgiu o EOS multifeixe distribuído planarmente, que explora o tamanho lateral do SWS. Devido ao tunelamento independente do feixe, o multifeixe distribuído planarmente pode atingir alta potência de saída, mantendo uma alta corrente total do feixe e uma pequena corrente por feixe, o que pode evitar o tunelamento do feixe em modo excessivo em comparação com dispositivos de feixe plano. Portanto, é benéfico manter a estabilidade do tubo de ondas progressivas. Com base em trabalhos anteriores Neste artigo, proposto nos trabalhos 8 e 9, encontra-se uma equação de estado estacionário (EOS) para um feixe duplo em forma de lápis com focalização de campo magnético uniforme na banda G, que pode melhorar significativamente a distância de transmissão estável do feixe e aumentar ainda mais a área de interação do feixe, melhorando assim consideravelmente a potência de saída.
A estrutura deste artigo é a seguinte: primeiro, descreve-se o projeto da célula SWS com seus parâmetros, análise das características de dispersão e resultados de simulação em alta frequência. Em seguida, com base na estrutura da célula unitária, são projetados um sistema de equações de estado (EOS) de feixe duplo e um sistema de interação de feixes. Resultados de simulação de partículas intracelulares também são apresentados para verificar a usabilidade do EOS e o desempenho do SDV-TWT. Além disso, o artigo apresenta brevemente os resultados de fabricação e testes a frio para verificar a correção de todo o HFS. Por fim, são apresentadas as conclusões.
Como um dos componentes mais importantes do TWT, as propriedades dispersivas da estrutura de onda lenta indicam se a velocidade dos elétrons corresponde à velocidade de fase da onda lenta, influenciando, portanto, a interação feixe-onda. Para melhorar o desempenho do TWT como um todo, uma estrutura de interação aprimorada foi projetada. A estrutura da célula unitária é mostrada na Figura 1. Considerando a instabilidade do feixe plano e a limitação de potência do feixe de caneta único, a estrutura adota um feixe de caneta duplo para melhorar ainda mais a potência de saída e a estabilidade operacional. Além disso, para aumentar a largura de banda de operação, um modo duplo foi proposto para a operação da onda lenta. Devido à simetria da estrutura SDV, a solução da equação de dispersão do campo eletromagnético pode ser dividida em modos ímpares e pares. Ao mesmo tempo, o modo ímpar fundamental da banda de baixa frequência e o modo par fundamental da banda de alta frequência são usados ​​para realizar a sincronização de banda larga da interação do feixe, melhorando ainda mais a largura de banda de operação.
De acordo com os requisitos de energia, todo o tubo é projetado com uma tensão de acionamento de 20 kV e uma corrente de feixe duplo de 2 × 80 mA. Para que a tensão corresponda o mais próximo possível à largura de banda operacional do SDV-SWS, precisamos calcular o comprimento do período p. A relação entre a tensão do feixe e o período é mostrada na equação (1)10:
Ao definir a defasagem em 2,5π na frequência central de 220 GHz, o período p pode ser calculado como 0,46 mm. A Figura 2a mostra as propriedades de dispersão da célula unitária SWS. A linha de feixe de 20 kV se ajusta muito bem à curva bimodal. As bandas de frequência correspondentes podem atingir cerca de 70 GHz nas faixas de 210–265,3 GHz (modo ímpar) e 265,4–280 GHz (modo par). A Figura 2b mostra a impedância de acoplamento média, que é superior a 0,6 Ω de 210 a 290 GHz, indicando que interações fortes podem ocorrer na faixa de operação.
(a) Características de dispersão de um SDV-SWS de modo duplo com uma linha de feixe de elétrons de 20 kV. (b) Impedância de interação do circuito de onda lenta do SDV.
No entanto, é importante notar que existe uma lacuna de banda entre os modos ímpares e pares, e geralmente nos referimos a essa lacuna de banda como banda de parada, conforme mostrado na Figura 2a. Se o TWT operar próximo a essa faixa de frequência, pode ocorrer um forte acoplamento entre os feixes, o que levará a oscilações indesejadas. Em aplicações práticas, geralmente evitamos usar o TWT próximo à banda de parada. Contudo, observa-se que a lacuna de banda dessa estrutura de onda lenta é de apenas 0,1 GHz. É difícil determinar se essa pequena lacuna de banda causa oscilações. Portanto, a estabilidade da operação em torno da banda de parada será investigada na seção de simulação PIC a seguir para analisar se podem ocorrer oscilações indesejadas.
O modelo completo do HFS é mostrado na Figura 3. Ele consiste em dois estágios de SDV-SWS, conectados por refletores de Bragg. A função do refletor é interromper a transmissão do sinal entre os dois estágios, suprimir a oscilação e a reflexão de modos não funcionais, como os modos de alta ordem gerados entre as lâminas superior e inferior, melhorando assim significativamente a estabilidade de todo o tubo. Para a conexão com o ambiente externo, um acoplador cônico linear também é usado para conectar o SWS a um guia de ondas padrão WR-4. O coeficiente de transmissão da estrutura de dois níveis é medido por um solucionador de domínio do tempo no software de simulação 3D. Considerando o efeito real da banda de terahertz no material, o material do envelope a vácuo é inicialmente definido como cobre, e a condutividade é reduzida para 2,25×10⁷ S/m¹².
A Figura 4 mostra os resultados de transmissão para o HFS com e sem acopladores lineares cônicos. Os resultados mostram que o acoplador tem pouco efeito no desempenho de transmissão de todo o HFS. A perda de retorno (S11 < − 10 dB) e a perda de inserção (S21 > − 5 dB) de todo o sistema na faixa de 207 a 280 GHz mostram que o HFS possui boas características de transmissão.
Como fonte de alimentação de dispositivos eletrônicos a vácuo, o canhão de elétrons determina diretamente se o dispositivo pode gerar potência de saída suficiente. Combinando com a análise do HFS na Seção II, um EOS de feixe duplo precisa ser projetado para fornecer potência suficiente. Nesta parte, com base em trabalhos anteriores na banda W8,9, um canhão de elétrons de feixe duplo é projetado usando uma parte de máscara plana e eletrodos de controle. Primeiro, de acordo com os requisitos de projeto do SWS na Seção. Como mostrado na FIG. 2. A tensão de acionamento Ua dos feixes de elétrons é inicialmente definida em 20 kV, as correntes I dos dois feixes de elétrons são ambas de 80 mA e o diâmetro do feixe dw dos feixes de elétrons é de 0,13 mm. Ao mesmo tempo, para garantir que a densidade de corrente do feixe de elétrons e do cátodo possa ser alcançada, a taxa de compressão do feixe de elétrons é definida em 7, de modo que a densidade de corrente do feixe de elétrons seja de 603 A/cm² e a densidade de corrente do cátodo seja de 86 A/cm², o que pode ser alcançado utilizando novos materiais de cátodo. De acordo com a teoria de projeto 14, 15, 16, 17, um canhão de elétrons Pierce típico pode ser identificado de forma única.
A Figura 5 mostra os diagramas esquemáticos horizontal e vertical do canhão, respectivamente. Pode-se observar que o perfil do canhão de elétrons na direção x é quase idêntico ao de um canhão de elétrons típico em forma de lâmina, enquanto na direção y os dois feixes de elétrons são parcialmente separados pela máscara. As posições dos dois cátodos são x = – 0,155 mm, y = 0 mm e x = 0,155 mm, y = 0 mm, respectivamente. De acordo com os requisitos de projeto de taxa de compressão e tamanho de injeção de elétrons, as dimensões das duas superfícies do cátodo foram determinadas como 0,91 mm × 0,13 mm.
Para que o campo elétrico focalizado recebido por cada feixe de elétrons na direção x seja simétrico em relação ao seu próprio centro, este artigo aplica um eletrodo de controle ao canhão de elétrons. Ao ajustar a tensão do eletrodo de focalização e do eletrodo de controle para −20 kV e a tensão do ânodo para 0 V, podemos obter a distribuição da trajetória do canhão de feixe duplo, conforme mostrado na Fig. 6. Pode-se observar que os elétrons emitidos apresentam boa compressibilidade na direção y e que cada feixe de elétrons converge na direção x ao longo de seu próprio centro de simetria, o que indica que o eletrodo de controle equilibra o campo elétrico desigual gerado pelo eletrodo de focalização.
A Figura 7 mostra o envelope do feixe nas direções x e y. Os resultados mostram que a distância de projeção do feixe de elétrons na direção x é diferente daquela na direção y. A distância de projeção na direção x é de aproximadamente 4 mm, e a distância de projeção na direção y é próxima de 7 mm. Portanto, a distância de projeção real deve ser escolhida entre 4 e 7 mm. A Figura 8 mostra a seção transversal do feixe de elétrons a 4,6 mm da superfície do cátodo. Podemos ver que o formato da seção transversal é o mais próximo de um feixe de elétrons circular padrão. A distância entre os dois feixes de elétrons é próxima dos 0,31 mm projetados, e o raio é de aproximadamente 0,13 mm, o que atende aos requisitos do projeto. A Figura 9 mostra os resultados da simulação da corrente do feixe. Pode-se observar que as correntes dos dois feixes são de 76 mA, o que está em boa concordância com os 80 mA projetados.
Considerando a flutuação da tensão de acionamento em aplicações práticas, é necessário estudar a sensibilidade à tensão deste modelo. Na faixa de tensão de 19,8 a 20,6 kV, os envelopes da corrente e da corrente do feixe foram obtidos, conforme mostrado na Figura 1 e nas Figuras 1.10 e 11. A partir dos resultados, pode-se observar que a variação da tensão de acionamento não afeta o envelope do feixe de elétrons, e a corrente do feixe de elétrons varia apenas de 0,74 a 0,78 A. Portanto, pode-se considerar que o canhão de elétrons projetado neste trabalho possui boa sensibilidade à tensão.
O efeito das flutuações da tensão de acionamento nos envelopes do feixe nas direções x e y.
Um campo magnético uniforme é um sistema comum de focalização por ímã permanente. Devido à distribuição uniforme do campo magnético ao longo do canal do feixe, ele é muito adequado para feixes de elétrons axissimétricos. Nesta seção, propõe-se um sistema de focalização magnética uniforme para manter a transmissão a longa distância de feixes duplos. Analisando o campo magnético gerado e o envelope do feixe, propõe-se o esquema de projeto do sistema de focalização e estuda-se o problema da sensibilidade. De acordo com a teoria de transmissão estável de um único feixe de elétrons^18,19, o valor do campo magnético de Brillouin pode ser calculado pela equação (2). Neste artigo, também usamos essa equivalência para estimar o campo magnético de um feixe duplo de elétrons distribuído lateralmente. Combinado com o canhão de elétrons projetado neste artigo, o valor do campo magnético calculado é de cerca de 4000 Gs. De acordo com a Ref. 20, geralmente se escolhe de 1,5 a 2 vezes o valor calculado em projetos práticos.
A Figura 12 mostra a estrutura de um sistema de focalização de campo magnético uniforme. A parte azul representa o ímã permanente magnetizado na direção axial. O material escolhido foi NdFeB ou FeCoNi. A remanência Br definida no modelo de simulação é de 1,3 T e a permeabilidade é de 1,05. Para garantir a transmissão estável do feixe em todo o circuito, o comprimento do ímã foi inicialmente definido como 70 mm. Além disso, a dimensão do ímã na direção x determina se o campo magnético transversal no canal do feixe é uniforme, o que exige que a dimensão na direção x não seja muito pequena. Ao mesmo tempo, considerando o custo e o peso de todo o tubo, o tamanho do ímã não deve ser muito grande. Portanto, os ímãs foram inicialmente definidos como 150 mm × 150 mm × 70 mm. Enquanto isso, para garantir que todo o circuito de onda lenta possa ser colocado no sistema de focalização, a distância entre os ímãs foi definida como 20 mm.
Em 2015, Purna Chandra Panda²¹ propôs uma peça polar com um novo orifício escalonado em um sistema de focalização magnética uniforme, que pode reduzir ainda mais a magnitude do vazamento de fluxo para o cátodo e o campo magnético transversal gerado no orifício da peça polar. Neste artigo, adicionamos uma estrutura escalonada à peça polar do sistema de focalização. A espessura da peça polar é inicialmente definida como 1,5 mm, a altura e a largura dos três degraus são de 0,5 mm e a distância entre os orifícios da peça polar é de 2 mm, conforme mostrado na Figura 13.
A Figura 14a mostra a distribuição do campo magnético axial ao longo das linhas centrais dos dois feixes de elétrons. Pode-se observar que as forças do campo magnético ao longo dos dois feixes de elétrons são iguais. O valor do campo magnético é de aproximadamente 6000 Gs, o que corresponde a 1,5 vezes o campo de Brillouin teórico, aumentando o desempenho de transmissão e focalização. Ao mesmo tempo, o campo magnético no cátodo é quase zero, indicando que a peça polar tem um bom efeito na prevenção do vazamento de fluxo magnético. A Figura 14b mostra a distribuição do campo magnético transversal By na direção z na borda superior dos dois feixes de elétrons. Pode-se observar que o campo magnético transversal é inferior a 200 Gs apenas no orifício da peça polar, enquanto no circuito de onda lenta, o campo magnético transversal é quase zero, o que comprova que a influência do campo magnético transversal no feixe de elétrons é desprezível. Para evitar a saturação magnética das peças polares, é necessário estudar a intensidade do campo magnético em seu interior. A Figura 14c mostra o valor absoluto da distribuição do campo magnético no interior da peça polar. peça polar. Pode-se observar que o valor absoluto da intensidade do campo magnético é inferior a 1,2 T, indicando que a saturação magnética da peça polar não ocorrerá.
Distribuição da intensidade do campo magnético para Br = 1,3 T. (a) Distribuição do campo axial. (b) Distribuição do campo lateral By na direção z. (c) Valor absoluto da distribuição do campo dentro da peça polar.
Com base no módulo CST PS, a posição axial relativa do canhão de feixe duplo e do sistema de focalização foi otimizada. De acordo com a Ref. 9 e simulações, a localização ideal é onde a peça anódica se sobrepõe à peça polar, afastando-a do ímã. No entanto, constatou-se que, se a remanência fosse definida em 1,3 T, a transmitância do feixe de elétrons não atingiria 99%. Ao aumentar a remanência para 1,4 T, o campo magnético de focalização aumentará para 6500 Gs. As trajetórias do feixe nos planos xoz e yoz são mostradas na Figura 15. Pode-se observar que o feixe apresenta boa transmissão, pequena flutuação e uma distância de transmissão superior a 45 mm.
Trajetórias de feixes duplos em forma de lápis sob um sistema magnético homogêneo com Br = 1,4 T.(a) plano xoz.(b) aeronave yoz.
A Figura 16 mostra a seção transversal do feixe em diferentes posições a partir do cátodo. Observa-se que o formato da seção do feixe no sistema de focalização é bem preservado e o diâmetro da seção não sofre grandes alterações. A Figura 17 mostra os envelopes do feixe nas direções x e y, respectivamente. Nota-se que a flutuação do feixe em ambas as direções é muito pequena. A Figura 18 mostra os resultados da simulação da corrente do feixe. Os resultados indicam que a corrente é de aproximadamente 2 × 80 mA, o que está de acordo com o valor calculado no projeto do canhão de elétrons.
Seção transversal do feixe de elétrons (com sistema de focalização) em diferentes posições longe do cátodo.
Considerando uma série de problemas como erros de montagem, flutuações de tensão e mudanças na intensidade do campo magnético em aplicações práticas de processamento, é necessário analisar a sensibilidade do sistema de focalização. Como existe uma folga entre a peça anódica e a peça polar no processamento real, essa folga precisa ser definida na simulação. O valor da folga foi definido em 0,2 mm e a Figura 19a mostra o envelope do feixe e a corrente do feixe na direção y. Esse resultado mostra que a mudança no envelope do feixe não é significativa e a corrente do feixe praticamente não se altera. Portanto, o sistema é insensível a erros de montagem. Para a flutuação da tensão de acionamento, a faixa de erro foi definida em ±0,5 kV. A Figura 19b mostra os resultados da comparação. Pode-se observar que a variação de tensão tem pouco efeito no envelope do feixe. A faixa de erro foi definida de -0,02 a +0,03 T para as mudanças na intensidade do campo magnético. Os resultados da comparação são mostrados na Figura 20. Pode-se observar que o envelope do feixe praticamente não se altera, o que significa que toda a equação de estado (EOS) é insensível a mudanças na intensidade do campo magnético.
Envoltório do feixe e resultados de corrente sob um sistema de focalização magnética uniforme.(a) A tolerância de montagem é de 0,2 mm.(b) A flutuação da tensão de acionamento é de ±0,5 kV.
Envoltório do feixe sob um sistema de focalização magnética uniforme com flutuações na intensidade do campo magnético axial variando de 0,63 a 0,68 T.
Para garantir que o sistema de focalização projetado neste artigo seja compatível com o HFS, é necessário combinar o sistema de focalização e o HFS para fins de pesquisa. A Figura 21 mostra uma comparação dos envelopes do feixe com e sem o HFS. Os resultados mostram que o envelope do feixe não se altera significativamente quando todo o HFS está em uso. Portanto, o sistema de focalização é adequado para o HFS de tubo de ondas progressivas do projeto acima descrito.
Para verificar a correção da equação de estado (EOS) proposta na Seção III e investigar o desempenho do SDV-TWT de 220 GHz, foi realizada uma simulação 3D-PIC da interação feixe-onda. Devido às limitações do software de simulação, não foi possível adicionar a EOS completa ao HFS. Portanto, o canhão de elétrons foi substituído por uma superfície emissora equivalente com diâmetro de 0,13 mm e distância entre as duas superfícies de 0,31 mm, os mesmos parâmetros do canhão de elétrons projetado anteriormente. Devido à baixa sensibilidade e à boa estabilidade da EOS, a tensão de acionamento pôde ser otimizada adequadamente para obter a melhor potência de saída na simulação PIC. Os resultados da simulação mostram que a potência de saída saturada e o ganho podem ser obtidos com uma tensão de acionamento de 20,6 kV, uma corrente de feixe de 2 × 80 mA (603 A/cm²) e uma potência de entrada de 0,05 W.
Para obter o melhor sinal de saída, o número de ciclos também precisa ser otimizado. A melhor potência de saída é obtida quando o número de ciclos nos dois estágios é 42 + 48, como mostrado na Figura 22a. Um sinal de entrada de 0,05 W é amplificado para 314 W com um ganho de 38 dB. O espectro de potência de saída obtido pela Transformada Rápida de Fourier (FFT) é puro, com pico em 220 GHz. A Figura 22b mostra a distribuição axial da energia dos elétrons no SWS, com a maioria dos elétrons perdendo energia. Esse resultado indica que o SDV-SWS pode converter a energia cinética dos elétrons em sinais de RF, realizando assim a amplificação do sinal.
Sinal de saída SDV-SWS a 220 GHz. (a) Potência de saída com espectro incluído. (b) Distribuição de energia dos elétrons com o feixe de elétrons no final do SWS (inserção).
A Figura 23 mostra a largura de banda de potência de saída e o ganho de um SDV-TWT de feixe duplo e modo duplo. O desempenho de saída pode ser ainda mais aprimorado varrendo as frequências de 200 a 275 GHz e otimizando a tensão de acionamento. Este resultado mostra que a largura de banda de 3 dB pode cobrir de 205 a 275 GHz, o que significa que a operação em modo duplo pode ampliar consideravelmente a largura de banda operacional.
No entanto, de acordo com a Figura 2a, sabemos que existe uma banda de parada entre os modos ímpar e par, o que pode levar a oscilações indesejadas. Portanto, a estabilidade de operação em torno das bandas de parada precisa ser estudada. As Figuras 24a-c mostram os resultados da simulação de 20 ns em 265,3 GHz, 265,35 GHz e 265,4 GHz, respectivamente. Pode-se observar que, embora os resultados da simulação apresentem algumas flutuações, a potência de saída é relativamente estável. O espectro também é mostrado na Figura 24, respectivamente, e apresenta-se puro. Esses resultados indicam que não há auto-oscilação próxima à banda de parada.
A fabricação e a medição são necessárias para verificar a correção de toda a estrutura de alta frequência (HFS). Nesta etapa, a HFS é fabricada utilizando tecnologia de controle numérico computadorizado (CNC) com um diâmetro de ferramenta de 0,1 mm e uma precisão de usinagem de 10 μm. O material para a estrutura de alta frequência é cobre de alta condutividade livre de oxigênio (OFHC). A Figura 25a mostra a estrutura fabricada. A estrutura completa tem um comprimento de 66,00 mm, uma largura de 20,00 mm e uma altura de 8,66 mm. Oito furos para pinos estão distribuídos ao redor da estrutura. A Figura 25b mostra a estrutura por microscopia eletrônica de varredura (MEV). As lâminas desta estrutura são produzidas uniformemente e apresentam boa rugosidade superficial. Após medição precisa, o erro geral de usinagem é inferior a 5% e a rugosidade superficial é de cerca de 0,4 μm. A estrutura usinada atende aos requisitos de projeto e precisão.
A Figura 26 mostra a comparação entre os resultados dos testes reais e as simulações do desempenho de transmissão. As portas 1 e 2 na Figura 26a correspondem às portas de entrada e saída do HFS, respectivamente, e são equivalentes às portas 1 e 4 na Figura 3. Os resultados das medições reais de S11 são ligeiramente melhores do que os resultados da simulação. Ao mesmo tempo, os resultados medidos de S21 são ligeiramente piores. A razão pode ser que a condutividade do material definida na simulação seja muito alta e a rugosidade da superfície após a usinagem real seja ruim. No geral, os resultados medidos estão em boa concordância com os resultados da simulação, e a largura de banda de transmissão atende ao requisito de 70 GHz, o que verifica a viabilidade e a correção do SDV-TWT de modo duplo proposto. Portanto, em conjunto com o processo de fabricação real e os resultados dos testes, o projeto de SDV-TWT de feixe duplo de banda ultralarga proposto neste artigo pode ser usado para fabricação e aplicações subsequentes.
Neste artigo, apresenta-se um projeto detalhado de um TWT de feixe duplo SDV planar de 220 GHz. A combinação da operação em modo duplo e da excitação por feixe duplo aumenta ainda mais a largura de banda operacional e a potência de saída. A fabricação e o teste a frio também foram realizados para verificar a correção de todo o HFS. Os resultados das medições reais estão em boa concordância com os resultados da simulação. Para o EOS de feixe duplo projetado, uma seção de máscara e eletrodos de controle foram usados ​​em conjunto para produzir um feixe duplo. Sob o campo magnético de focalização uniforme projetado, o feixe de elétrons pode ser transmitido de forma estável por longas distâncias com boa forma. No futuro, a produção e o teste do EOS serão realizados, assim como o teste térmico de todo o TWT. Este esquema de projeto de TWT SDV proposto neste artigo combina plenamente a tecnologia de processamento planar atualmente consolidada e demonstra grande potencial em indicadores de desempenho, processamento e montagem. Portanto, este artigo acredita que a estrutura planar tem grande probabilidade de se tornar a tendência de desenvolvimento de dispositivos eletrônicos a vácuo na banda de terahertz.
A maior parte dos dados brutos e modelos analíticos deste estudo foram incluídos neste artigo. Informações adicionais relevantes podem ser obtidas mediante solicitação razoável ao autor correspondente.
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