Ďakujeme za návštevu stránky Nature.com. Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu pre CSS. Pre dosiahnutie čo najlepšieho zážitku odporúčame používať aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v prehliadači Internet Explorer). Medzitým budeme stránku zobrazovať bez štýlov a JavaScriptu, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu.
V tomto článku je navrhnutá a overená širokopásmová vysokovýkonná prekladaná dvojitá čepeľová trubica s postupnou vlnou s frekvenciou 220 GHz. Najprv je navrhnutá planárna dvojlúčová stupňovitá dvojčepeľová pomalovlnná štruktúra. Použitím duálnej prevádzkovej schémy je prenosový výkon a šírka pásma takmer dvojnásobná v porovnaní s jednomódovou. Po druhé, aby sa splnili požiadavky na vysoký výstupný výkon a zlepšila sa stabilita trubice s postupnou vlnou, je navrhnutý dvojitý elektronický optický systém v tvare ceruzky, pričom budiace napätie je 20 ~ 21 kV a prúd je 2 × 80 mA. Ciele návrhu. Použitím maskovacej časti a riadiacej elektródy v dvojitej lúčovej pištoli je možné dva ceruzkové lúče zaostriť pozdĺž ich príslušných stredov s kompresným pomerom 7, zaostrovacia vzdialenosť je približne 0,18 mm a stabilita je dobrá. Optimalizovaný bol aj rovnomerný magnetický zaostrovací systém. Stabilná prenosová vzdialenosť planárneho dvojitého elektrónového lúča môže dosiahnuť 45 mm a zaostrovacie magnetické pole je 0,6 T, čo je dostatočné na pokrytie celého vysokofrekvenčného systému (HFS). Potom sa overí... Na overenie použiteľnosti elektrónooptického systému a výkonu pomalovlnnej štruktúry boli na celom HFS vykonané aj simulácie časticových buniek (PIC). Výsledky ukazujú, že systém interakcie lúča dokáže dosiahnuť špičkový výstupný výkon takmer 310 W pri 220 GHz, optimalizované napätie lúča je 20,6 kV, prúd lúča je 2 × 80 mA, zisk je 38 dB a šírka pásma 3 dB presahuje 35 dB okolo 70 GHz. Nakoniec sa vykonala vysoko presná výroba mikroštruktúr na overenie výkonu HFS a výsledky ukazujú, že charakteristiky šírky pásma a prenosu sú v dobrej zhode s výsledkami simulácie. Preto sa očakáva, že schéma navrhnutá v tomto článku vyvinie vysokovýkonné, ultraširokopásmové terahertzové zdroje žiarenia s potenciálom pre budúce aplikácie.
Ako tradičné vákuové elektronické zariadenie hrá trubica s postupnou vlnou (TWT) nenahraditeľnú úlohu v mnohých aplikáciách, ako sú radar s vysokým rozlíšením, satelitné komunikačné systémy a prieskum vesmíru1,2,3. Avšak s prechodom prevádzkovej frekvencie do terahertzového pásma tradičná TWT s viazanou dutinou a špirálová TWT nedokázala uspokojiť potreby ľudí kvôli relatívne nízkemu výstupnému výkonu, úzkej šírke pásma a zložitým výrobným procesom. Preto sa komplexné zlepšenie výkonu THz pásma stalo pre mnohé vedeckovýskumné inštitúcie veľmi znepokojujúcou otázkou. V posledných rokoch sa nové štruktúry s pomalými vlnami (SWS), ako sú štruktúry s odstupňovanými dvojitými lopatkami (SDV) a štruktúry so skladanými vlnovodmi (FW), dostali rozsiahlu pozornosť vďaka svojim prirodzeným planárnym štruktúram, najmä nové SDV-SWS so sľubným potenciálom. Túto štruktúru navrhla UC-Davis v roku 20084. Planárnu štruktúru možno ľahko vyrobiť mikro-nano technikami spracovania, ako je počítačové numerické riadenie (CNC) a UV-LIGA, pričom celokovová štruktúra puzdra môže poskytnúť väčšiu tepelnú kapacitu s... vyšší výstupný výkon a zisk a štruktúra podobná vlnovodu môže tiež poskytnúť širšiu pracovnú šírku pásma. V súčasnosti UC Davis prvýkrát v roku 2017 demonštrovala, že SDV-TWT dokáže generovať vysokovýkonné výstupy presahujúce 100 W a signály so šírkou pásma takmer 14 GHz v pásme G5. Tieto výsledky však stále obsahujú medzery, ktoré nedokážu splniť súvisiace požiadavky na vysoký výkon a širokú šírku pásma v terahertzovom pásme. Pre SDV-TWT v pásme G od UC-Davis sa použili plošné elektrónové lúče. Hoci táto schéma môže výrazne zlepšiť prúdovú únosnosť lúča, je ťažké udržať dlhú prenosovú vzdialenosť kvôli nestabilite elektrónovo-optického systému (EOS) plošného lúča a existuje tunel lúča v nadmóde, ktorý môže tiež spôsobiť samoreguláciu lúča. – Budenie a kmitanie 6,7. Aby sa splnili požiadavky na vysoký výstupný výkon, širokú šírku pásma a dobrú stabilitu THz TWT, v tomto článku sa navrhuje dvojlúčová SDV-SWS s duálnou prevádzkou. To znamená, že na zvýšenie prevádzkovej šírky pásma sa v tejto štruktúre navrhuje a zavádza duálna prevádzka. A na zvýšenie výstupného výkonu sa používa aj planárne rozloženie dvojitých ceruzkových lúčov. Rádiové prijímače s jedným ceruzkovým lúčom sú relatívne malé kvôli vertikálnym obmedzeniam veľkosti. Ak je hustota prúdu príliš vysoká, musí sa znížiť prúd lúča, čo vedie k relatívne nízkemu výstupnému výkonu. Na zlepšenie prúdu lúča sa objavil planárny distribuovaný viaclúčový EOS, ktorý využíva laterálnu veľkosť SWS. Vďaka nezávislému tunelovaniu lúča môže planárny distribuovaný viaclúčový dosahovať vysoký výstupný výkon udržiavaním vysokého celkového prúdu lúča a malého prúdu na lúč, čo môže zabrániť tunelovaniu lúča v nadmóde v porovnaní so zariadeniami s plošnými lúčmi. Preto je výhodné udržiavať stabilitu trubice s postupnou vlnou. Na základe predchádzajúcich prác8,9 tento článok navrhuje Dvojitý ceruzkový lúč EOS so zaostrovaním v G-pásme s rovnomerným magnetickým poľom, ktorý môže výrazne zlepšiť stabilnú prenosovú vzdialenosť lúča a ďalej zväčšiť interakčnú plochu lúča, čím sa výrazne zlepší výstupný výkon.
Štruktúra tohto článku je nasledovná. Najprv je opísaný návrh SWS bunky s parametrami, analýzou disperzných charakteristík a výsledkami vysokofrekvenčnej simulácie. Následne je v tomto článku podľa štruktúry jednotkovej bunky navrhnutý dvojitý ceruzkový lúčový EOS a systém interakcie lúčov. Sú tiež prezentované výsledky simulácie intracelulárnych častíc na overenie použiteľnosti EOS a výkonu SDV-TWT. Okrem toho článok stručne predstavuje výsledky výroby a skúšok za studena na overenie správnosti celého HFS. Nakoniec je uvedené zhrnutie.
Disperzné vlastnosti pomalovlnnej štruktúry, ako jedna z najdôležitejších zložiek TWT, indikujú, či rýchlosť elektrónov zodpovedá fázovej rýchlosti SWS, a teda má veľký vplyv na interakciu lúča s vlnou. Na zlepšenie výkonu celej TWT bola navrhnutá vylepšená interakčná štruktúra. Štruktúra jednotkovej bunky je znázornená na obrázku 1. Vzhľadom na nestabilitu plošného lúča a obmedzenie výkonu jednoperového lúča štruktúra využíva dvojitý perový lúč na ďalšie zlepšenie výstupného výkonu a prevádzkovej stability. Zároveň, aby sa zvýšila pracovná šírka pásma, bol navrhnutý duálny režim prevádzky SWS. Vďaka symetrii štruktúry SDV je možné riešenie disperznej rovnice elektromagnetického poľa rozdeliť na nepárne a párne režimy. Zároveň sa na realizáciu širokopásmovej synchronizácie interakcie lúča používa základný nepárny režim nízkofrekvenčného pásma a základný párny režim vysokofrekvenčného pásma, čím sa ďalej zlepšuje pracovná šírka pásma.
Podľa požiadaviek na napájanie je celá trubica navrhnutá s budiacim napätím 20 kV a dvojitým prúdom lúča 2 × 80 mA. Aby sa napätie čo najviac prispôsobilo prevádzkovej šírke pásma SDV-SWS, musíme vypočítať dĺžku periódy p. Vzťah medzi napätím lúča a periódou je znázornený v rovnici (1)10:
Nastavením fázového posunu na 2,5π pri stredovej frekvencii 220 GHz je možné vypočítať periódu p na 0,46 mm. Obrázok 2a znázorňuje disperzné vlastnosti jednotkovej bunky SWS. Lúčová línia 20 kV veľmi dobre zodpovedá bimodálnej krivke. Zodpovedajúce frekvenčné pásma môžu dosiahnuť okolo 70 GHz v rozsahu 210–265,3 GHz (nepárny režim) a 265,4–280 GHz (párny režim). Obrázok 2b znázorňuje priemernú väzbovú impedanciu, ktorá je od 210 do 290 GHz väčšia ako 0,6 Ω, čo naznačuje, že v prevádzkovom pásme sa môžu vyskytnúť silné interakcie.
(a) Disperzné charakteristiky duálneho SDV-SWS s 20 kV elektrónovým lúčom. (b) Interakčná impedancia pomalovlnného obvodu SDV.
Je však dôležité poznamenať, že medzi nepárnym a párnym módom existuje pásmová medzera a túto pásmovú medzeru zvyčajne označujeme ako zastavovacie pásmo, ako je znázornené na obrázku 2a. Ak sa TWT prevádzkuje v blízkosti tohto frekvenčného pásma, môže dôjsť k silnej väzbe lúča, čo povedie k nežiaducim osciláciám. V praktických aplikáciách sa vo všeobecnosti vyhýbame používaniu TWT v blízkosti zastavovacieho pásma. Je však zrejmé, že pásmová medzera tejto pomalovlnnej štruktúry je iba 0,1 GHz. Je ťažké určiť, či táto malá pásmová medzera spôsobuje oscilácie. Preto sa v nasledujúcej časti simulácie PIC skúma stabilita prevádzky v okolí zastavovacieho pásma, aby sa analyzovalo, či sa môžu vyskytnúť nežiaduce oscilácie.
Model celého HFS je znázornený na obrázku 3. Skladá sa z dvoch stupňov SDV-SWS, ktoré sú prepojené Braggovými reflektormi. Funkciou reflektora je prerušiť prenos signálu medzi týmito dvoma stupňami, potlačiť kmitanie a odraz nefunkčných módov, ako sú módy vyššieho rádu generované medzi hornými a dolnými lopatkami, čím sa výrazne zlepšuje stabilita celej trubice. Na pripojenie k vonkajšiemu prostrediu sa na pripojenie SWS k štandardnému vlnovodu WR-4 používa aj lineárny kužeľovitý spojovací člen. Koeficient prenosu dvojúrovňovej štruktúry sa meria riešičom časovej domény v 3D simulačnom softvéri. Vzhľadom na skutočný vplyv terahertzového pásma na materiál je materiál vákuového obalu spočiatku nastavený na meď a vodivosť je znížená na 2,25 × 107 S/m12.
Obrázok 4 zobrazuje výsledky prenosu pre HFS s lineárnymi zúženými väzobnými členmi a bez nich. Výsledky ukazujú, že väzobný člen má malý vplyv na prenosový výkon celého HFS. Strata odrazu (S11 < −10 dB) a vložená strata (S21 > −5 dB) celého systému v širokopásmovom pásme 207~280 GHz ukazujú, že HFS má dobré prenosové charakteristiky.
Ako zdroj napájania pre vákuové elektronické zariadenia, elektrónové delo priamo určuje, či zariadenie dokáže generovať dostatočný výstupný výkon. V kombinácii s analýzou HFS v časti II je potrebné navrhnúť dvojlúčové EOS tak, aby poskytovalo dostatočný výkon. V tejto časti, na základe predchádzajúcej práce v pásme W8,9, je navrhnuté dvojité ceruzkové elektrónové delo s použitím planárnej masky a riadiacich elektród. Najprv, podľa konštrukčných požiadaviek SWS v časti. Ako je znázornené na obr. 2 je budiace napätie Ua elektrónových lúčov spočiatku nastavené na 20 kV, prúdy I oboch elektrónových lúčov sú 80 mA a priemer lúča dw elektrónových lúčov je 0,13 mm. Zároveň, aby sa zabezpečila prúdová hustota elektrónového lúča a katódy, je kompresný pomer elektrónového lúča nastavený na 7, takže prúdová hustota elektrónového lúča je 603 A/cm2 a prúdová hustota katódy je 86 A/cm2, čo sa dá dosiahnuť použitím nových katódových materiálov. Podľa teórie návrhu 14, 15, 16, 17 je možné typické Pierceovo elektrónové delo jednoznačne identifikovať.
Obrázok 5 znázorňuje horizontálny a vertikálny schematický diagram elektrónového dela. Je vidieť, že profil elektrónového dela v smere x je takmer identický s profilom typického plošného elektrónového dela, zatiaľ čo v smere y sú dva elektrónové lúče čiastočne oddelené maskou. Polohy dvoch katód sú x = –0,155 mm, y = 0 mm a x = 0,155 mm, y = 0 mm. Podľa konštrukčných požiadaviek na kompresný pomer a veľkosť vstrekovaných elektrónov sú rozmery dvoch katódových povrchov určené na 0,91 mm × 0,13 mm.
Aby bolo zaostrené elektrické pole prijímané každým elektrónovým lúčom v smere x symetrické okolo jeho vlastného stredu, v tejto práci sa na elektrónové delo aplikuje riadiaca elektróda. Nastavením napätia zaostrovacej elektródy a riadiacej elektródy na -20 kV a napätia anódy na 0 V môžeme získať rozloženie trajektórie dvojitého lúčového dela, ako je znázornené na obr. 6. Je vidieť, že emitované elektróny majú dobrú stlačiteľnosť v smere y a každý elektrónový lúč konverguje smerom k smeru x pozdĺž svojho vlastného stredu symetrie, čo naznačuje, že riadiaca elektróda vyvažuje nerovnomerné elektrické pole generované zaostrovacou elektródou.
Obrázok 7 znázorňuje obalovú čiaru lúča v smeroch x a y. Výsledky ukazujú, že projekčná vzdialenosť elektrónového lúča v smere x sa líši od projekčnej vzdialenosti v smere y. Projekčná vzdialenosť v smere x je približne 4 mm a projekčná vzdialenosť v smere y je blízka 7 mm. Preto by sa skutočná projekčná vzdialenosť mala zvoliť medzi 4 a 7 mm. Obrázok 8 znázorňuje prierez elektrónového lúča vo vzdialenosti 4,6 mm od povrchu katódy. Vidíme, že tvar prierezu sa najviac približuje štandardnému kruhovému elektrónovému lúču. Vzdialenosť medzi dvoma elektrónovými lúčmi je blízka navrhovaným 0,31 mm a polomer je približne 0,13 mm, čo spĺňa konštrukčné požiadavky. Obrázok 9 znázorňuje výsledky simulácie prúdu lúča. Je vidieť, že prúdy dvoch lúčov sú 76 mA, čo je v dobrej zhode s navrhovanými 80 mA.
Vzhľadom na kolísanie budiaceho napätia v praktických aplikáciách je potrebné študovať citlivosť tohto modelu na napätie. V rozsahu napätia 19,8 ~ 20,6 kV sa získajú obálky prúdu a prúdu lúča, ako je znázornené na obrázku 1 a obrázku 1.10 a 11. Z výsledkov je zrejmé, že zmena budiaceho napätia nemá žiadny vplyv na obálku elektrónového lúča a prúd elektrónového lúča sa mení iba od 0,74 do 0,78 A. Preto možno usúdiť, že elektrónové delo navrhnuté v tomto článku má dobrú citlivosť na napätie.
Vplyv kolísania riadiaceho napätia na obálky lúča v smere x a y.
Rovnomerné magnetické zaostrovacie pole je bežný systém zaostrovania s permanentným magnetom. Vďaka rovnomernému rozloženiu magnetického poľa v celom kanáli lúča je veľmi vhodný pre osovo symetrické elektrónové lúče. V tejto časti je navrhnutý rovnomerný magnetický zaostrovací systém na udržanie prenosu dvojitých ceruzkových lúčov na veľké vzdialenosti. Analýzou generovaného magnetického poľa a obálky lúča je navrhnutá schéma návrhu zaostrovacieho systému a je študovaný problém citlivosti. Podľa teórie stabilného prenosu jedného ceruzkového lúča18,19 je možné hodnotu Brillouinovho magnetického poľa vypočítať pomocou rovnice (2). V tomto článku tiež používame túto ekvivalenciu na odhad magnetického poľa laterálne rozloženého dvojitého ceruzkového lúča. V kombinácii s elektrónovou kanónom navrhnutým v tomto článku je vypočítaná hodnota magnetického poľa približne 4000 Gs. Podľa Ref. 20 sa v praktických návrhoch zvyčajne volí 1,5-2-násobok vypočítanej hodnoty.
Obrázok 12 znázorňuje štruktúru systému zaostrovania rovnomerného magnetického poľa. Modrá časť predstavuje permanentný magnet zmagnetizovaný v axiálnom smere. Výber materiálu je NdFeB alebo FeCoNi. Remanencia Br nastavená v simulačnom modeli je 1,3 T a permeabilita je 1,05. Aby sa zabezpečil stabilný prenos lúča v celom obvode, dĺžka magnetu je pôvodne nastavená na 70 mm. Okrem toho veľkosť magnetu v smere x určuje, či je priečne magnetické pole v kanáli lúča rovnomerné, čo vyžaduje, aby veľkosť v smere x nemohla byť príliš malá. Zároveň, vzhľadom na cenu a hmotnosť celej trubice, by veľkosť magnetu nemala byť príliš veľká. Preto sú magnety pôvodne nastavené na 150 mm × 150 mm × 70 mm. Medzitým, aby sa zabezpečilo, že celý pomalovlnný obvod bude možné umiestniť do zaostrovacieho systému, vzdialenosť medzi magnetmi je nastavená na 20 mm.
V roku 2015 Purna Chandra Panda21 navrhol pólový nástavec s novým stupňovitým otvorom v jednotnom magnetickom zaostrovacom systéme, ktorý môže ďalej znížiť veľkosť úniku magnetického toku do katódy a priečneho magnetického poľa generovaného v otvore pólového nástavca. V tomto článku pridávame stupňovitú štruktúru k pólovému nástavcu zaostrovacieho systému. Hrúbka pólového nástavca je spočiatku nastavená na 1,5 mm, výška a šírka troch stupňov sú 0,5 mm a vzdialenosť medzi otvormi pólového nástavca je 2 mm, ako je znázornené na obrázku 13.
Obrázok 14a znázorňuje rozloženie axiálneho magnetického poľa pozdĺž stredových čiar dvoch elektrónových lúčov. Je vidieť, že sily magnetického poľa pozdĺž dvoch elektrónových lúčov sú rovnaké. Hodnota magnetického poľa je približne 6000 Gs, čo je 1,5-násobok teoretického Brillouinovho poľa, čo zvyšuje prenosový a zaostrovací výkon. Zároveň je magnetické pole na katóde takmer 0, čo naznačuje, že pólový nástavec má dobrý vplyv na prevenciu úniku magnetického toku. Obrázok 14b znázorňuje rozloženie priečneho magnetického poľa By v smere z na hornom okraji dvoch elektrónových lúčov. Je vidieť, že priečne magnetické pole je menšie ako 200 Gs iba v otvore pólového nástavca, zatiaľ čo v pomalovlnnom obvode je priečne magnetické pole takmer nulové, čo dokazuje, že vplyv priečneho magnetického poľa na elektrónový lúč je zanedbateľný. Aby sa zabránilo magnetickej saturácii pólových nástavcov, je potrebné študovať silu magnetického poľa vo vnútri pólových nástavcov. Obrázok 14c znázorňuje absolútnu hodnotu rozloženia magnetického poľa vo vnútri pólového nástavca. Je vidieť, že absolútna hodnota sily magnetického poľa je menej ako 1,2 T, čo naznačuje, že k magnetickej saturácii pólového nástavca nedôjde.
Rozloženie intenzity magnetického poľa pre Br = 1,3 T.(a) Axiálne rozloženie poľa.(b) Bočné rozloženie poľa By v smere z.(c) Absolútna hodnota rozloženia poľa v pólovom nástavci.
Na základe modulu CST PS je optimalizovaná axiálna relatívna poloha dvojitého lúčového dela a zaostrovacieho systému. Podľa Ref. 9 a simulácií je optimálne umiestnenie tam, kde anódový kus prekrýva pólový kus smerom od magnetu. Zistilo sa však, že ak by bola remanencia nastavená na 1,3 T, priepustnosť elektrónového lúča by nedosiahla 99 %. Zvýšením remanencie na 1,4 T sa zaostrovacie magnetické pole zvýši na 6500 Gs. Trajektórie lúča v rovinách xoz a yoz sú znázornené na obrázku 15. Je vidieť, že lúč má dobrý priepust, malé kolísanie a prenosovú vzdialenosť väčšiu ako 45 mm.
Trajektórie dvojitých ceruzkových lúčov v homogénnom magnetickom systéme s Br = 1,4 T. (a) rovina xoz. (b) lietadlo yoz.
Obrázok 16 zobrazuje prierez lúča v rôznych polohách od katódy. Je vidieť, že tvar prierezu lúča v zaostrovacom systéme je dobre zachovaný a priemer prierezu sa veľmi nemení. Obrázok 17 zobrazuje obálky lúča v smere x a y. Je vidieť, že kolísanie lúča v oboch smeroch je veľmi malé. Obrázok 18 zobrazuje výsledky simulácie prúdu lúča. Výsledky ukazujú, že prúd je približne 2 × 80 mA, čo je v súlade s vypočítanou hodnotou v konštrukcii elektrónového dela.
Prierez elektrónového lúča (so zaostrovacím systémom) v rôznych polohách od katódy.
Vzhľadom na sériu problémov, ako sú chyby pri montáži, kolísanie napätia a zmeny intenzity magnetického poľa v praktických aplikáciách spracovania, je potrebné analyzovať citlivosť zaostrovacieho systému. Pretože v skutočnom spracovaní je medzi anódovým kusom a pólovým kusom medzera, je potrebné túto medzeru nastaviť v simulácii. Hodnota medzery bola nastavená na 0,2 mm a obrázok 19a zobrazuje obalovú krivku lúča a prúd lúča v smere y. Tento výsledok ukazuje, že zmena obalovej krivky lúča nie je významná a prúd lúča sa takmer nemení. Systém je preto necitlivý na chyby pri montáži. Pre kolísanie budiaceho napätia je rozsah chyby nastavený na ±0,5 kV. Obrázok 19b zobrazuje výsledky porovnania. Je vidieť, že zmena napätia má malý vplyv na obalovú krivku lúča. Rozsah chyby je nastavený od -0,02 do +0,03 T pre zmeny intenzity magnetického poľa. Výsledky porovnania sú zobrazené na obrázku 20. Je vidieť, že obalová krivka lúča sa takmer nemení, čo znamená, že celý EOS je necitlivý na zmeny intenzity magnetického poľa.
Výsledky obálky lúča a prúdu pri rovnomernom magnetickom zaostrovacom systéme. (a) Tolerancia montáže je 0,2 mm. (b) Kolísanie budiaceho napätia je ±0,5 kV.
Obálka lúča v rovnomernom magnetickom fokusačnom systéme s fluktuáciami axiálnej intenzity magnetického poľa v rozsahu od 0,63 do 0,68 T.
Aby sa zabezpečilo, že zaostrovací systém navrhnutý v tomto článku bude zodpovedať HFS, je potrebné pre výskum kombinovať zaostrovací systém a HFS. Obrázok 21 zobrazuje porovnanie obálok lúča so zaťažením HFS a bez neho. Výsledky ukazujú, že obálka lúča sa pri zaťažení celého HFS výrazne nemení. Zaostrovací systém je preto vhodný pre HFS s postupnou vlnou vyššie uvedeného návrhu.
Na overenie správnosti EOS navrhnutého v časti III a preskúmanie výkonu 220 GHz SDV-TWT sa vykonala 3D-PIC simulácia interakcie lúča a vlny. Kvôli obmedzeniam simulačného softvéru sme neboli schopní pridať celý EOS do HFS. Preto bola elektrónová pištoľ nahradená ekvivalentnou emisnou plochou s priemerom 0,13 mm a vzdialenosťou medzi dvoma plochami 0,31 mm, čo sú rovnaké parametre ako u elektrónovej pištole navrhnutej vyššie. Vďaka necitlivosti a dobrej stabilite EOS je možné riadiace napätie správne optimalizovať na dosiahnutie najlepšieho výstupného výkonu v PIC simulácii. Výsledky simulácie ukazujú, že nasýtený výstupný výkon a zisk je možné dosiahnuť pri riadiacom napätí 20,6 kV, prúde lúča 2 × 80 mA (603 A/cm2) a vstupnom výkone 0,05 W.
Aby sa dosiahol najlepší výstupný signál, je potrebné optimalizovať aj počet cyklov. Najlepší výstupný výkon sa dosiahne, keď je počet dvoch stupňov 42 + 48 cyklov, ako je znázornené na obrázku 22a. Vstupný signál s výkonom 0,05 W sa zosilní na 314 W so ziskom 38 dB. Spektrum výstupného výkonu získané rýchlou Fourierovou transformáciou (FFT) je čisté s vrcholom pri 220 GHz. Obrázok 22b znázorňuje axiálne rozloženie energie elektrónov v SWS, pričom väčšina elektrónov stráca energiu. Tento výsledok naznačuje, že SDV-SWS dokáže premeniť kinetickú energiu elektrónov na RF signály, čím sa dosiahne zosilnenie signálu.
Výstupný signál SDV-SWS pri 220 GHz. (a) Výstupný výkon so zahrnutým spektrom. (b) Rozloženie energie elektrónov s elektrónovým lúčom na konci vložky SWS.
Obrázok 23 znázorňuje šírku pásma výstupného výkonu a zisk duálneho dvojlúčového SDV-TWT. Výstupný výkon je možné ďalej zlepšiť frekvenčným posunom od 200 do 275 GHz a optimalizáciou budiaceho napätia. Tento výsledok ukazuje, že šírka pásma 3 dB môže pokryť 205 až 275 GHz, čo znamená, že duálna prevádzka môže výrazne rozšíriť prevádzkovú šírku pásma.
Avšak podľa obr. 2a vieme, že medzi nepárnym a párnym módom existuje pásmo zastavenia, ktoré môže viesť k nežiaducim osciláciám. Preto je potrebné študovať stabilitu práce v okolí pásma zastavenia. Obrázky 24a-c sú výsledky 20 ns simulácie pri 265,3 GHz, 265,35 GHz a 265,4 GHz. Je vidieť, že hoci výsledky simulácie vykazujú určité fluktuácie, výstupný výkon je relatívne stabilný. Spektrum je tiež znázornené na obrázku 24, spektrum je čisté. Tieto výsledky naznačujú, že v blízkosti pásma zastavenia nedochádza k žiadnej vlastnej oscilácii.
Výroba a meranie sú potrebné na overenie správnosti celého HFS. V tejto časti je HFS vyrobený pomocou technológie počítačového numerického riadenia (CNC) s priemerom nástroja 0,1 mm a presnosťou obrábania 10 μm. Materiál pre vysokofrekvenčnú štruktúru je zabezpečený bezkyslíkovou vysokovodivou (OFHC) meďou. Obrázok 25a zobrazuje vyrobenú štruktúru. Celá štruktúra má dĺžku 66,00 mm, šírku 20,00 mm a výšku 8,66 mm. Po celej štruktúre je rozmiestnených osem otvorov pre kolíky. Obrázok 25b zobrazuje štruktúru pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM). Lopatky tejto štruktúry sú rovnomerne vyrobené a majú dobrú drsnosť povrchu. Po presnom meraní je celková chyba obrábania menšia ako 5 % a drsnosť povrchu je približne 0,4 μm. Obrábaná štruktúra spĺňa požiadavky na dizajn a presnosť.
Obrázok 26 zobrazuje porovnanie skutočných výsledkov testov a simulácií prenosového výkonu. Port 1 a port 2 na obrázku 26a zodpovedajú vstupným a výstupným portom HFS a sú ekvivalentné portu 1 a portu 4 na obrázku 3. Skutočné výsledky meraní S11 sú o niečo lepšie ako výsledky simulácie. Zároveň sú namerané výsledky S21 o niečo horšie. Dôvodom môže byť, že vodivosť materiálu nastavená v simulácii je príliš vysoká a drsnosť povrchu po skutočnom obrábaní je nízka. Celkovo sú namerané výsledky v dobrej zhode s výsledkami simulácie a prenosová šírka pásma spĺňa požiadavku 70 GHz, čo potvrdzuje uskutočniteľnosť a správnosť navrhovaného duálneho SDV-TWT. Preto v kombinácii so skutočným výrobným procesom a výsledkami testov môže byť ultraširokopásmový duálny lúčový dizajn SDV-TWT navrhnutý v tomto článku použitý pre následnú výrobu a aplikácie.
V tomto článku je prezentovaný podrobný návrh planárneho distribučného dvojlúčového SDV-TWT s frekvenciou 220 GHz. Kombinácia dvojrežimovej prevádzky a dvojlúčového budenia ďalej zvyšuje prevádzkovú šírku pásma a výstupný výkon. Vykonáva sa aj výroba a studený test na overenie správnosti celého HFS. Skutočné výsledky merania sú v dobrej zhode s výsledkami simulácie. Pre navrhnutý dvojlúčový EOS sa na vytvorenie dvojcípkového lúča použila maskovacia sekcia a riadiace elektródy. V navrhnutom rovnomernom fokusovacom magnetickom poli je možné elektrónový lúč stabilne prenášať na dlhé vzdialenosti s dobrým tvarom. V budúcnosti sa uskutoční výroba a testovanie EOS a vykoná sa aj tepelný test celého TWT. Táto konštrukčná schéma SDV-TWT navrhnutá v tomto článku plne kombinuje súčasnú vyspelé technológie spracovania rovín a vykazuje veľký potenciál v ukazovateľoch výkonu, spracovania a montáže. Preto sa tento článok domnieva, že planárna štruktúra sa s najväčšou pravdepodobnosťou stane vývojovým trendom vákuových elektronických zariadení v terahertzovom pásme.
Väčšina surových údajov a analytických modelov v tejto štúdii bola zahrnutá v tomto článku. Ďalšie relevantné informácie je možné získať od príslušného autora na základe primeranej žiadosti.
Gamzina, D. a kol. Nanorozmerové CNC obrábanie subterahertzovej vákuovej elektroniky. IEEE Trans. Elektronické zariadenia. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. a Paoloni, C. UV-LIGA mikrofabrikácia subterahertzových vlnovodov s použitím viacvrstvového fotorezistu SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS a kol., Plán vývoja THz technológie z roku 2017. J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR a Luhmann, NC Silné obmedzenie šírenia plazmonických vĺn prostredníctvom ultraširokopásmových striedavo usporiadaných vlnovodov s dvojitou mriežkou.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. a kol. Výkon nano CNC obrábaného 220 GHz elektrónkového zosilňovača s postupnou vlnou. IEEE Trans. Elektronické zariadenia. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. a Ruan, CJ Skúmanie diokotronovej nestability elektrónových lúčov s nekonečne širokými vrstvami pomocou teórie makroskopického modelu studenej tekutiny. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV o možnosti zvýšenia šírky pásma planárnym usporiadaním lúča vo viaclúčovom klystrone. In 12. medzinárodná konferencia IEEE o vákuovej elektronike, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ a kol. Návrh trojlúčových elektrónových kanónov s úzkym rozložením roviny delenia lúča v dvojlistej trubici s postupnou vlnou v pásme W s odstupňovaným usporiadaním [J]. Science.Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB a Ruan, CJ Planárny distribuovaný trojlúčový elektrónový optický systém s úzkym oddelením lúčov pre TWT v základnom móde v pásme W. IEEE Trans.electronic devices. 68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Výskum prekladanej dvojlistej trubice s postupnou vlnou a milimetrovými vlnovými nosníkmi 20-22 (PhD, Univerzita Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. a He, Y. Štúdia stability interakcie lúča a vlny dvojlopatkovej prekladanej trubice s postupnou vlnou v G pásme. 2018 43. medzinárodná konferencia o infračervených milimetrových a terahertzových vlnách, Nagoja. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).