Благодарим вас за посещение сайта Nature.com. Версия вашего браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшего взаимодействия с сайтом мы рекомендуем использовать обновленную версию браузера (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В настоящее время, для обеспечения дальнейшей поддержки, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
В данной работе разработана и проверена широкополосная мощная двухлопастная лампа бегущей волны с чередующимися лопастями, работающая на частоте 220 ГГц. Во-первых, предложена планарная двухлучевая структура замедления с двумя лопастями, расположенными в шахматном порядке. Благодаря использованию двухрежимной схемы работы, характеристики передачи и полоса пропускания почти вдвое превышают показатели одномодовой схемы. Во-вторых, для удовлетворения требований к высокой выходной мощности и повышения стабильности лампы бегущей волны разработана электронно-оптическая система с двумя пучками в форме карандашей, управляющее напряжение составляет 20–21 кВ, а ток — 2 × 80 мА. Цели проектирования. Благодаря использованию маски и управляющего электрода в двухлучевой пушке, два пучка в форме карандашей могут быть сфокусированы вдоль своих центров с коэффициентом сжатия 7, фокусное расстояние составляет около 0,18 мм, и обеспечивается хорошая стабильность. Также оптимизирована система равномерной магнитной фокусировки. Стабильное расстояние передачи планарного двухлучевого электронного пучка может достигать 45 мм, а фокусирующее магнитное поле составляет 0,6. T, что достаточно для покрытия всей высокочастотной системы (ВЧС). Затем, для проверки работоспособности электронно-оптической системы и характеристик замедляющей волновой структуры, были также проведены моделирования с использованием ячеек частиц (PIC) для всей ВЧС. Результаты показывают, что система взаимодействия пучков может достигать пиковой выходной мощности около 310 Вт на частоте 220 ГГц, оптимизированное напряжение пучка составляет 20,6 кВ, ток пучка — 2 × 80 мА, коэффициент усиления — 38 дБ, а полоса пропускания 3 дБ превышает 35 дБ примерно на 70 ГГц. Наконец, для проверки характеристик ВЧС было выполнено высокоточное изготовление микроструктуры, и результаты показывают, что полоса пропускания и характеристики передачи хорошо согласуются с результатами моделирования. Таким образом, предложенная в данной работе схема, как ожидается, позволит разработать мощные сверхширокополосные источники излучения терагерцового диапазона с потенциалом для будущих применений.
Как традиционное вакуумное электронное устройство, лампа бегущей волны (ЛБВ) играет незаменимую роль во многих областях применения, таких как радары высокого разрешения, системы спутниковой связи и исследование космоса1,2,3. Однако, поскольку рабочая частота переходит в терагерцовый диапазон, традиционные ЛБВ со связанными резонаторами и спиральные ЛБВ не могут удовлетворить потребности из-за относительно низкой выходной мощности, узкой полосы пропускания и сложных производственных процессов. Поэтому вопрос о том, как всесторонне улучшить характеристики терагерцового диапазона, стал очень актуальной проблемой для многих научных исследовательских учреждений. В последние годы новые структуры замедления волн (СЗВ), такие как структуры с двумя лопастями в шахматном порядке (СДВ) и структуры со сложенным волноводом (ССВ), получили широкое внимание благодаря своей естественной планарной структуре, особенно новые СДВ-СЗВ с многообещающим потенциалом. Эта структура была предложена Калифорнийским университетом в Дэвисе в 2008 году4. Планарная структура может быть легко изготовлена ​​с помощью микро- и нанотехнологий обработки, таких как ЧПУ и УФ-ЛИГА, Цельнометаллическая конструкция корпуса обеспечивает большую тепловую емкость при более высокой выходной мощности и коэффициенте усиления, а волноводная структура также обеспечивает более широкую рабочую полосу пропускания. В настоящее время Калифорнийский университет в Дэвисе впервые продемонстрировал в 2017 году, что SDV-TWT может генерировать сигналы высокой мощности, превышающей 100 Вт, и с полосой пропускания почти 14 ГГц в G-диапазоне⁵. Однако эти результаты все еще имеют пробелы, которые не могут удовлетворить соответствующие требования высокой мощности и широкой полосы пропускания в терагерцовом диапазоне. Для SDV-TWT G-диапазона Калифорнийского университета в Дэвисе использовались плоские электронные пучки. Хотя эта схема может значительно улучшить пропускную способность пучка по току, трудно поддерживать большую дальность передачи из-за нестабильности электронно-оптической системы (ЭОС) плоского пучка, а также существует туннелирование пучка в сторону более высоких мод, что также может привести к саморегулированию пучка. – Возбуждение и осцилляция 6,7. Для удовлетворения требований к высокой выходной мощности, широкой полосе пропускания и хорошей стабильности терагерцовых ламп бегущей волны в данной работе предлагается двухлучевая SDV-SWS с двухрежимной работой. То есть, для увеличения рабочей полосы пропускания в данной структуре предлагается и вводится двухрежимная работа. А для увеличения выходной мощности также используется планарное распределение двойных узких пучков. Радиоприемники с одним узким пучком относительно малы из-за ограничений по вертикальным размерам. Если плотность тока слишком высока, ток пучка необходимо уменьшить, что приводит к относительно низкой выходной мощности. Для улучшения тока пучка появилась планарная распределенная многолучевая EOS, которая использует боковые размеры SWS. Благодаря независимому туннелированию пучка, планарная распределенная многолучевая может достичь высокой выходной мощности за счет поддержания высокого суммарного тока пучка и малого тока на пучок, что позволяет избежать туннелирования пучка в перестройках по сравнению с устройствами с плоским пучком. Поэтому это выгодно для поддержания стабильности лампы бегущей волны. На основе предыдущих исследований В работах 8 и 9 в данной статье предлагается фокусировка двойного узконаправленного пучка в G-диапазоне с помощью однородного магнитного поля, что позволяет значительно улучшить стабильную дальность передачи пучка и дополнительно увеличить площадь взаимодействия пучков, тем самым значительно повысив выходную мощность.
Структура данной статьи следующая. Сначала описывается конструкция ячейки SWS с параметрами, анализ дисперсионных характеристик и результаты высокочастотного моделирования. Затем, в соответствии со структурой элементарной ячейки, в данной статье разработаны уравнение состояния двойного узконаправленного пучка и система взаимодействия пучков. Также представлены результаты моделирования внутриклеточных частиц для проверки применимости уравнения состояния и характеристик SDV-TWT. Кроме того, в статье кратко представлены результаты изготовления и холодных испытаний для проверки корректности всей высокочастотной системы. В заключение приводится резюме.
Дисперсионные свойства структуры замедленной волны, являющейся одним из важнейших компонентов ЛТВ, указывают на соответствие скорости электронов фазовой скорости волнового пучка, и, следовательно, оказывают большое влияние на взаимодействие пучка с волной. Для улучшения характеристик всей ЛТВ была разработана усовершенствованная структура взаимодействия. Структура элементарной ячейки показана на рисунке 1. Учитывая нестабильность плоского пучка и ограничение мощности одиночного пучка, в структуре используется двойной пучок для дальнейшего повышения выходной мощности и стабильности работы. Одновременно, для увеличения рабочей полосы пропускания, предложен двухрежимный режим работы волнового пучка. Благодаря симметрии структуры SDV, решение уравнения дисперсии электромагнитного поля может быть разделено на нечетные и четные моды. В то же время, для реализации широкополосной синхронизации взаимодействия пучков используются основная нечетная мода низкочастотного диапазона и основная четная мода высокочастотного диапазона, что дополнительно расширяет рабочую полосу пропускания.
В соответствии с требованиями к мощности, вся трубка спроектирована с управляющим напряжением 20 кВ и двойным током пучка 2 × 80 мА. Для того чтобы напряжение максимально точно соответствовало рабочей полосе пропускания SDV-SWS, необходимо рассчитать длину периода p. Связь между напряжением пучка и периодом показана в уравнении (1)10:
Установив фазовый сдвиг на 2,5π на центральной частоте 220 ГГц, период p можно рассчитать равным 0,46 мм. На рисунке 2a показаны дисперсионные свойства элементарной ячейки SWS. Линия пучка 20 кВ очень хорошо соответствует бимодальной кривой. Согласованные частотные полосы могут достигать около 70 ГГц в диапазонах 210–265,3 ГГц (нечетный режим) и 265,4–280 ГГц (четный режим). На рисунке 2b показано среднее сопротивление связи, которое превышает 0,6 Ом в диапазоне от 210 до 290 ГГц, что указывает на возможность сильных взаимодействий в рабочей полосе пропускания.
(a) Дисперсионные характеристики двухрежимного SDV-SWS с электронным пучком 20 кВ. (b) Импеданс взаимодействия цепи замедления SDV.
Однако важно отметить, что между нечетными и четными модами существует запрещенная зона, которую мы обычно называем полосой подавления, как показано на рисунке 2a. Если лампа бегущей волны работает вблизи этой полосы частот, может возникнуть сильная связь пучка, что приведет к нежелательным колебаниям. В практических приложениях мы обычно избегаем использования ламп бегущей волны вблизи полосы подавления. Однако видно, что запрещенная зона этой замедляющей структуры составляет всего 0,1 ГГц. Трудно определить, вызывает ли эта малая запрещенная зона колебания. Поэтому в следующем разделе моделирования PIC будет исследована стабильность работы вблизи полосы подавления, чтобы проанализировать, могут ли возникать нежелательные колебания.
Модель всей высокочастотной структуры показана на рисунке 3. Она состоит из двух каскадов SDV-SWS, соединенных брэгговскими отражателями. Функция отражателя заключается в том, чтобы прервать передачу сигнала между двумя каскадами, подавить колебания и отражение неработающих мод, таких как моды высокого порядка, генерируемые между верхним и нижним лопастями, тем самым значительно повышая стабильность всей трубки. Для подключения к внешней среде также используется линейный конический соединитель для соединения SWS со стандартным волноводом WR-4. Коэффициент пропускания двухуровневой структуры измеряется с помощью решателя во временной области в программном обеспечении для 3D-моделирования. Учитывая фактическое влияние терагерцового диапазона на материал, материал вакуумной оболочки изначально установлен на медь, а проводимость снижена до 2,25×10⁷ С/м¹².
На рисунке 4 показаны результаты передачи для HFS с линейными коническими ответвителями и без них. Результаты показывают, что ответвитель оказывает незначительное влияние на характеристики передачи всей системы HFS. Коэффициент отражения (S11 < −10 дБ) и вносимые потери (S21 > −5 дБ) всей системы в широкополосном диапазоне 207–280 ГГц показывают, что HFS обладает хорошими характеристиками передачи.
В качестве источника питания вакуумных электронных устройств, электронная пушка напрямую определяет, сможет ли устройство генерировать достаточную выходную мощность. В сочетании с анализом HFS в разделе II, необходимо спроектировать двухлучевую электронную пушку, обеспечивающую достаточную мощность. В этой части, основываясь на предыдущих работах в W-диапазоне8,9, разработана двухлучевая электронная пушка с использованием планарной маски и управляющих электродов. Во-первых, в соответствии с требованиями к проектированию SWS в разделе, как показано на фиг. 2. Начальное управляющее напряжение Ua электронных пучков установлено на уровне 20 кВ, токи I обоих электронных пучков составляют 80 мА, а диаметр пучка dw — 0,13 мм. В то же время, для обеспечения достижения плотности тока электронного пучка и катода, коэффициент сжатия электронного пучка установлен равным 7, так что плотность тока электронного пучка составляет 603 А/см², а плотность тока катода — 86 А/см², что достигается за счет использования новых катодных материалов. Согласно теории проектирования 14, 15, 16, 17, типичный электронный пучок Пирса может быть однозначно идентифицирован.
На рисунке 5 показаны горизонтальная и вертикальная схематические диаграммы электронной пушки. Видно, что профиль электронной пушки в направлении x практически идентичен профилю типичной листовой электронной пушки, тогда как в направлении y два электронных пучка частично разделены маской. Положения двух катодов находятся в точках x = – 0,155 мм, y = 0 мм и x = 0,155 мм, y = 0 мм соответственно. В соответствии с проектными требованиями к коэффициенту сжатия и размеру инжекции электронов, размеры двух катодных поверхностей определены как 0,91 мм × 0,13 мм.
Для того чтобы сфокусированное электрическое поле, принимаемое каждым электронным пучком в направлении x, было симметрично относительно его собственного центра, в данной работе к электронной пушке применяется управляющий электрод. Установив напряжение на фокусирующем и управляющем электродах на −20 кВ, а напряжение на аноде на 0 В, мы можем получить распределение траекторий двухпучковой пушки, как показано на рис. 6. Видно, что испускаемые электроны обладают хорошей сжимаемостью в направлении y, и каждый электронный пучок сходится в направлении x вдоль своего собственного центра симметрии, что указывает на то, что управляющий электрод уравновешивает неравномерное электрическое поле, создаваемое фокусирующим электродом.
На рисунке 7 показана огибающая пучка в направлениях x и y. Результаты показывают, что расстояние проекции электронного пучка в направлении x отличается от расстояния в направлении y. Расстояние проекции в направлении x составляет около 4 мм, а расстояние проекции в направлении y близко к 7 мм. Следовательно, фактическое расстояние проекции следует выбирать в диапазоне от 4 до 7 мм. На рисунке 8 показано поперечное сечение электронного пучка на расстоянии 4,6 мм от поверхности катода. Видно, что форма поперечного сечения наиболее близка к стандартному круглому электронному пучку. Расстояние между двумя электронными пучками близко к расчетному значению 0,31 мм, а радиус составляет около 0,13 мм, что соответствует проектным требованиям. На рисунке 9 показаны результаты моделирования тока пучка. Видно, что ток двух пучков составляет 76 мА, что хорошо согласуется с расчетным значением 80 мА.
Учитывая колебания управляющего напряжения в практических приложениях, необходимо изучить чувствительность данной модели к напряжению. В диапазоне напряжений 19,8–20,6 кВ получены огибающие тока и тока пучка, как показано на рисунках 1 и 1.10 и 11. Из результатов видно, что изменение управляющего напряжения не влияет на огибающую электронного пучка, а ток электронного пучка изменяется лишь от 0,74 до 0,78 А. Следовательно, можно считать, что разработанная в данной работе электронная пушка обладает хорошей чувствительностью к напряжению.
Влияние колебаний управляющего напряжения на огибающие пучка в направлениях x и y.
Равномерное магнитное фокусирующее поле — распространенная система фокусировки с использованием постоянных магнитов. Благодаря равномерному распределению магнитного поля по всему каналу пучка, она очень подходит для осесимметричных электронных пучков. В этом разделе предлагается система равномерной магнитной фокусировки для поддержания передачи на большие расстояния двойных пучков узкой формы. Путем анализа генерируемого магнитного поля и огибающей пучка предлагается схема проектирования системы фокусировки и исследуется проблема чувствительности. Согласно теории стабильной передачи одиночного пучка узкой формы18,19, значение магнитного поля Бриллюэна может быть рассчитано по уравнению (2). В данной работе мы также используем это эквивалентное значение для оценки магнитного поля двойного пучка узкой формы с боковым распределением. В сочетании с разработанной в данной работе электронной пушкой рассчитанное значение магнитного поля составляет около 4000 Гс. Согласно ссылке 20, в практических проектах обычно выбирают значение, в 1,5-2 раза превышающее расчетное.
На рисунке 12 показана структура системы фокусировки с однородным магнитным полем. Синяя часть — это постоянный магнит, намагниченный в осевом направлении. В качестве материала выбран NdFeB или FeCoNi. Остаточная намагниченность Br, заданная в модели моделирования, составляет 1,3 Тл, а магнитная проницаемость — 1,05. Для обеспечения стабильной передачи пучка по всей цепи длина магнита изначально установлена ​​на уровне 70 мм. Кроме того, размер магнита в направлении x определяет однородность поперечного магнитного поля в канале пучка, поэтому размер в направлении x не должен быть слишком малым. В то же время, учитывая стоимость и вес всей трубки, размер магнита не должен быть слишком большим. Поэтому размеры магнитов изначально установлены на уровне 150 мм × 150 мм × 70 мм. При этом, чтобы обеспечить размещение всей цепи замедления волны в фокусирующей системе, расстояние между магнитами установлено на уровне 20 мм.
В 2015 году Пурна Чандра Панда21 предложил полюсный наконечник с новым ступенчатым отверстием в системе равномерной магнитной фокусировки, который может дополнительно уменьшить величину утечки потока на катод и поперечное магнитное поле, генерируемое в отверстии полюсного наконечника. В данной работе мы добавляем ступенчатую структуру к полюсному наконечнику фокусирующей системы. Толщина полюсного наконечника изначально установлена ​​на уровне 1,5 мм, высота и ширина трех ступеней составляют 0,5 мм, а расстояние между отверстиями полюсного наконечника составляет 2 мм, как показано на рисунке 13.
На рисунке 14a показано распределение осевого магнитного поля вдоль осевых линий двух электронных пучков. Видно, что силы магнитного поля вдоль двух электронных пучков равны. Значение магнитного поля составляет около 6000 Гс, что в 1,5 раза превышает теоретическое поле Бриллюэна, что повышает пропускание и фокусировку. В то же время магнитное поле на катоде почти равно 0, что указывает на то, что полюсный наконечник хорошо предотвращает утечку магнитного потока. На рисунке 14b показано распределение поперечного магнитного поля в направлении z на верхнем крае двух электронных пучков. Видно, что поперечное магнитное поле меньше 200 Гс только в отверстии полюсного наконечника, в то время как в цепи замедления поперечное магнитное поле почти равно нулю, что доказывает незначительное влияние поперечного магнитного поля на электронный пучок. Для предотвращения магнитного насыщения полюсных наконечников необходимо изучить напряженность магнитного поля внутри них. На рисунке 14c показано абсолютное значение магнитного поля. Распределение магнитного поля внутри полюсного наконечника. Видно, что абсолютное значение напряженности магнитного поля меньше 1,2 Тл, что указывает на отсутствие магнитного насыщения полюсного наконечника.
Распределение напряженности магнитного поля для Br = 1,3 Т. (a) Распределение осевого поля. (b) Распределение бокового поля By в направлении оси z. (c) Абсолютное значение распределения поля внутри полюсного наконечника.
На основе модуля CST PS оптимизировано осевое относительное положение двухлучевого электронного пучка и системы фокусировки. Согласно ссылке 9 и результатам моделирования, оптимальное положение — это место, где анод перекрывает полюсный наконечник, удаленный от магнита. Однако было обнаружено, что при остаточной намагниченности 1,3 Тл пропускание электронного пучка не достигает 99%. При увеличении остаточной намагниченности до 1,4 Тл фокусирующее магнитное поле увеличивается до 6500 Гс. Траектории пучка в плоскостях xoz и yoz показаны на рисунке 15. Видно, что пучок имеет хорошее пропускание, малые флуктуации и дальность пропускания более 45 мм.
Траектории двойных пучков в однородной магнитной системе с Br = 1,4 Т. (а) плоскость xoz. (б) самолет yoz.
На рисунке 16 показано поперечное сечение пучка в разных положениях от катода. Видно, что форма сечения пучка в фокусирующей системе хорошо сохраняется, и диаметр сечения практически не изменяется. На рисунке 17 показаны огибающие пучка в направлениях x и y соответственно. Видно, что флуктуации пучка в обоих направлениях очень малы. На рисунке 18 показаны результаты моделирования тока пучка. Результаты показывают, что ток составляет около 2 × 80 мА, что соответствует расчетному значению, полученному при проектировании электронной пушки.
Сечение электронного пучка (с системой фокусировки) в разных точках от катода.
Учитывая ряд проблем, таких как ошибки сборки, колебания напряжения и изменения напряженности магнитного поля в практических технологических процессах, необходимо проанализировать чувствительность фокусирующей системы. Поскольку в реальных условиях обработки между анодом и полюсным наконечником существует зазор, этот зазор необходимо задать в моделировании. Значение зазора было установлено на уровне 0,2 мм, и на рисунке 19a показаны огибающая пучка и ток пучка в направлении оси y. Этот результат показывает, что изменение огибающей пучка незначительно, а ток пучка практически не изменяется. Следовательно, система нечувствительна к ошибкам сборки. Для колебаний управляющего напряжения диапазон погрешности установлен на уровне ±0,5 кВ. На рисунке 19b показаны результаты сравнения. Видно, что изменение напряжения мало влияет на огибающую пучка. Диапазон погрешности установлен от -0,02 до +0,03 Т для изменений напряженности магнитного поля. Результаты сравнения показаны на рисунке 20. Видно, что огибающая пучка практически не изменяется, что означает, что вся система EOS нечувствительна к изменениям магнитного поля. сила.
Результаты измерений огибающей пучка и тока в системе равномерной магнитной фокусировки. (a) Допуск сборки составляет 0,2 мм. (b) Колебания управляющего напряжения составляют ±0,5 кВ.
Огибающая пучка при использовании системы равномерной магнитной фокусировки с осевыми флуктуациями напряженности магнитного поля в диапазоне от 0,63 до 0,68 Тл.
Для обеспечения совместимости разработанной в данной работе системы фокусировки с HFS необходимо провести исследование, объединив систему фокусировки и HFS. На рисунке 21 показано сравнение огибающих пучка с загруженной и незагруженной HFS. Результаты показывают, что огибающая пучка практически не изменяется при полной загрузке HFS. Следовательно, система фокусировки подходит для HFS лампы бегущей волны описанной выше конструкции.
Для проверки корректности предложенного в разделе III уравнения состояния (EOS) и исследования характеристик 220 ГГц SDV-TWT была выполнена 3D-PIC-симуляция взаимодействия пучка и волны. Из-за ограничений программного обеспечения для моделирования мы не смогли добавить все уравнение состояния в HFS. Поэтому электронная пушка была заменена эквивалентной излучающей поверхностью диаметром 0,13 мм и расстоянием между двумя поверхностями 0,31 мм, с теми же параметрами, что и у электронной пушки, разработанной выше. Благодаря нечувствительности и хорошей стабильности уравнения состояния, управляющее напряжение может быть соответствующим образом оптимизировано для достижения наилучшей выходной мощности в PIC-симуляции. Результаты моделирования показывают, что насыщенная выходная мощность и коэффициент усиления могут быть получены при управляющем напряжении 20,6 кВ, токе пучка 2 × 80 мА (603 А/см²) и входной мощности 0,05 Вт.
Для получения наилучшего выходного сигнала необходимо также оптимизировать количество циклов. Наилучшая выходная мощность достигается при количестве двух каскадов 42 + 48 циклов, как показано на рисунке 22а. Входной сигнал мощностью 0,05 Вт усиливается до 314 Вт с коэффициентом усиления 38 дБ. Спектр выходной мощности, полученный с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), является чистым, с пиком на частоте 220 ГГц. На рисунке 22б показано осевое распределение энергии электронов в SWS, при этом большая часть электронов теряет энергию. Этот результат указывает на то, что SDV-SWS может преобразовывать кинетическую энергию электронов в радиочастотные сигналы, тем самым обеспечивая усиление сигнала.
Выходной сигнал SDV-SWS на частоте 220 ГГц. (a) Выходная мощность с включенным спектром. (b) Распределение энергии электронов с электронным пучком на конце вставки SWS.
На рисунке 23 показана полоса пропускания выходной мощности и коэффициент усиления двухрежимного двухлучевого SDV-TWT. Выходные характеристики могут быть дополнительно улучшены за счет изменения частоты от 200 до 275 ГГц и оптимизации управляющего напряжения. Этот результат показывает, что полоса пропускания 3 дБ может охватывать диапазон от 205 до 275 ГГц, что означает, что двухрежимная работа может значительно расширить рабочую полосу пропускания.
Однако, согласно рис. 2а, известно, что между нечетными и четными модами существует полоса подавления, которая может привести к нежелательным колебаниям. Поэтому необходимо изучить стабильность работы вблизи этой полосы. На рисунках 24а-с представлены результаты моделирования за 20 нс на частотах 265,3 ГГц, 265,35 ГГц и 265,4 ГГц соответственно. Видно, что, хотя результаты моделирования имеют некоторые флуктуации, выходная мощность относительно стабильна. На рисунке 24 также показан спектр, спектр чистый. Эти результаты указывают на отсутствие автоколебаний вблизи полосы подавления.
Изготовление и измерения необходимы для проверки правильности всей высокочастотной структуры (ВЧС). В этой части ВЧС изготавливается с использованием технологии числового программного управления (ЧПУ) с диаметром инструмента 0,1 мм и точностью обработки 10 мкм. Материалом для высокочастотной структуры служит бескислородная высокопроводящая медь (БПКМ). На рисунке 25а показана изготовленная структура. Вся структура имеет длину 66,00 мм, ширину 20,00 мм и высоту 8,66 мм. Восемь штифтовых отверстий распределены по всей структуре. На рисунке 25б показана структура, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Лопасти этой структуры изготовлены равномерно и имеют хорошую шероховатость поверхности. После точных измерений общая погрешность обработки составляет менее 5%, а шероховатость поверхности — около 0,4 мкм. Обработанная структура соответствует проектным и прецизионным требованиям.
На рисунке 26 показано сравнение фактических результатов испытаний и результатов моделирования характеристик передачи. Порты 1 и 2 на рисунке 26a соответствуют входному и выходному портам HFS соответственно и эквивалентны портам 1 и 4 на рисунке 3. Фактические результаты измерений S11 немного лучше, чем результаты моделирования. В то же время, результаты измерений S21 немного хуже. Причиной может быть слишком высокая проводимость материала, заданная в моделировании, и низкая шероховатость поверхности после фактической обработки. В целом, результаты измерений хорошо согласуются с результатами моделирования, а полоса пропускания соответствует требованию 70 ГГц, что подтверждает осуществимость и корректность предложенной двухрежимной SDV-TWT. Таким образом, в сочетании с фактическим процессом изготовления и результатами испытаний, предложенная в данной работе сверхширокополосная двухлучевая конструкция SDV-TWT может быть использована для последующего изготовления и применения.
В данной статье представлен подробный проект планарного двухлучевого SDV-TWT с распределением излучения на частоте 220 ГГц. Сочетание двухрежимной работы и двухлучевого возбуждения дополнительно увеличивает рабочую полосу пропускания и выходную мощность. Также были проведены изготовление и холодные испытания для проверки корректности всей высокочастотной структуры. Фактические результаты измерений хорошо согласуются с результатами моделирования. Для разработанного двухлучевого EOS использовалась секция маски и управляющие электроды для создания двухпучкового пучка. При заданном равномерном фокусирующем магнитном поле электронный пучок может стабильно передаваться на большие расстояния с хорошей формой. В будущем будет проведено изготовление и тестирование EOS, а также термические испытания всего TWT. Предложенная в данной статье схема конструкции SDV-TWT полностью сочетает в себе существующие отработанные технологии плоскостной обработки и демонстрирует большой потенциал в показателях производительности, а также в обработке и сборке. Поэтому в данной статье считается, что планарная структура, скорее всего, станет тенденцией развития вакуумных электронных устройств в терагерцовом диапазоне.
Большая часть исходных данных и аналитических моделей, использованных в данном исследовании, включена в эту статью. Дополнительную информацию по этому вопросу можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.
Гамзина, Д. и др. Наноразмерная обработка на станках с ЧПУ субтерагерцовой вакуумной электроники. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Малекабади, А. и Паолони, К. Микроизготовление субтерагерцовых волноводов методом UV-LIGA с использованием многослойного фоторезиста SU-8. Журнал микромеханики. Микроэлектроника. 26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Диллон, С.С. и др. Дорожная карта развития терагерцовых технологий 2017 года. Журнал физики. D для применения. физика. 50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Шин, Ю.М., Барнетт, Л.Р. и Луман, Н.К. Сильное ограничение распространения плазмонных волн через сверхширокополосные волноводы с двойной решеткой в ​​шахматном порядке. application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Байг, А. и др. Характеристики нано-обработанного на станке с ЧПУ усилителя на лампе бегущей волны с частотой 220 ГГц. IEEE Trans.electronic devices. 64, 590–592 (2017).
Хан, Ю. и Руан, Ч. Дж. Исследование диокотронной неустойчивости бесконечно широких плоских электронных пучков с использованием макроскопической теории холодной жидкости. Китайская физика B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Галдетский, А.В. о возможности увеличения полосы пропускания за счет планарной компоновки пучка в многолучевом клистроне. В 12-й Международной конференции IEEE по вакуумной электронике, Бангалор, Индия, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Нгуен, Си-Джей и др. Проектирование трехлучевых электронных пушек с узким распределением плоскости расщепления пучка в двухлопастной трубе бегущей волны W-диапазона со смещенными лопастями [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Ван, П.П., Су, Ю.Й., Чжан, З., Ван, В.Б. и Руан, Ч.Дж. Планарная распределенная трехлучевая электронно-оптическая система с узким разделением лучей для основной моды W-диапазона TWT. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Чжан, М. Исследование двухлопастной трубки бегущей волны с чередующимися лопастями и пучками миллиметрового диапазона 20-22 (докторская диссертация, Пекинский университет авиации и космонавтики, 2018).
Руан, Ч.Дж., Чжан, Х.Ф., Тао, Дж. и Хэ, Ю. Исследование стабильности взаимодействия пучка и волны в двухлопастной волновой лампе бегущей волны G-диапазона. 43-я Международная конференция по инфракрасным миллиметровым и терагерцовым волнам, Нагоя. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).