Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Limitado ang suporta para sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipapakita namin ang site nang walang mga estilo at JavaScript.
Sa papel na ito, isang 220GHz broadband high-power interleaved double-blade traveling wave tube ang dinisenyo at napatunayan. Una, isang planar double-beam staggered double-blade slow-wave structure ang iminungkahi. Gamit ang dual-mode operation scheme, ang transmission performance at bandwidth ay halos doble kaysa sa single-mode. Pangalawa, upang matugunan ang mga kinakailangan ng mataas na output power at mapabuti ang stability ng traveling wave tube, isang double pencil-shaped electronic optical system ang dinisenyo, ang driving voltage ay 20~21 kV, at ang current ay 2 × 80 mA. Mga layunin sa disenyo. Gamit ang mask part at control electrode sa double beam gun, ang dalawang pencil beam ay maaaring i-focus sa kani-kanilang mga sentro na may compression ratio na 7, ang focusing distance ay humigit-kumulang 0.18mm, at ang stability ay mabuti. Na-optimize din ang uniform magnetic focusing system. Ang stable transmission distance ng planar double electron beam ay maaaring umabot sa 45 mm, at ang focusing magnetic field ay 0.6 T, na sapat upang masakop ang buong high frequency system (HFS). Pagkatapos, para sa Upang mapatunayan ang kakayahang magamit ng electron-optical system at ang pagganap ng slow-wave structure, isinagawa rin ang mga particle cell (PIC) simulation sa buong HFS. Ipinapakita ng mga resulta na ang beam-interaction system ay maaaring makamit ang peak output power na halos 310 W sa 220 GHz, ang na-optimize na beam voltage ay 20.6 kV, ang beam current ay 2 × 80 mA, ang gain ay 38 dB, at ang 3-dB bandwidth ay lumampas sa 35 dB sa humigit-kumulang 70 GHz. Panghuli, isinagawa ang high-precision microstructure fabrication upang mapatunayan ang pagganap ng HFS, at ipinapakita ng mga resulta na ang bandwidth at mga katangian ng transmission ay naaayon sa mga resulta ng simulation. Samakatuwid, ang iskemang iminungkahi sa papel na ito ay inaasahang bubuo ng mga high-power, ultra-broadband terahertz-band radiation source na may potensyal para sa mga aplikasyon sa hinaharap.
Bilang isang tradisyonal na vacuum electronic device, ang traveling wave tube (TWT) ay gumaganap ng isang hindi mapapalitang papel sa maraming aplikasyon tulad ng high-resolution radar, mga sistema ng komunikasyon sa satellite, at paggalugad sa kalawakan1,2,3. Gayunpaman, habang pumapasok ang operating frequency sa terahertz band, ang tradisyonal na coupled-cavity TWT at helical TWT ay hindi nakakatugon sa mga pangangailangan ng mga tao dahil sa medyo mababang output power, makitid na bandwidth, at mahirap na proseso ng pagmamanupaktura. Samakatuwid, kung paano komprehensibong mapabuti ang pagganap ng THz band ay naging isang lubhang nakababahalang isyu para sa maraming institusyong pang-agham na pananaliksik. Sa mga nakaraang taon, ang mga nobelang slow-wave structure (SWS), tulad ng staggered dual-blade (SDV) structures at folded waveguide (FW) structures, ay nakatanggap ng malawak na atensyon dahil sa kanilang natural na planar structures, lalo na ang mga nobelang SDV-SWS na may magandang potensyal. Ang istrukturang ito ay iminungkahi ng UC-Davis noong 20084. Ang planar structure ay madaling mabuo gamit ang mga micro-nano processing techniques tulad ng computer numerical control (CNC) at UV-LIGA, ang all-metal package structure ay maaaring magbigay ng mas malaking thermal capacity na may mas mataas na output power. at gain, at ang istrukturang parang waveguide ay maaari ring magbigay ng mas malawak na working bandwidth. Sa kasalukuyan, ipinakita ng UC Davis sa unang pagkakataon noong 2017 na ang SDV-TWT ay maaaring makabuo ng mga high-power output na higit sa 100 W at halos 14 GHz bandwidth signal sa G-band5. Gayunpaman, ang mga resultang ito ay mayroon pa ring mga puwang na hindi makakatugon sa mga kaugnay na kinakailangan ng mataas na power at malawak na bandwidth sa terahertz band. Para sa G-band SDV-TWT ng UC-Davis, ginamit ang mga sheet electron beam. Bagama't ang scheme na ito ay maaaring makabuluhang mapabuti ang current-carrying capacity ng beam, mahirap mapanatili ang isang mahabang distansya ng transmission dahil sa kawalang-tatag ng sheet beam electron optical system (EOS), at mayroong isang over-mode beam tunnel, na maaari ring maging sanhi ng self-regulate ng beam. – Pagganyak at osilasyon 6,7. Upang matugunan ang mga kinakailangan ng mataas na output power, malawak na bandwidth at mahusay na katatagan ng THz TWT, isang dual-beam SDV-SWS na may dual-mode operation ang iminungkahi sa papel na ito. Ibig sabihin, upang mapataas ang operating bandwidth, ang dual-mode operation ay iminungkahi at ipinakilala sa istrukturang ito. At, upang mapataas ang output power, ginagamit din ang isang planar distribution ng double pencil beams. Ang mga single pencil beam radio ay medyo maliit dahil sa mga limitasyon sa patayong laki. Kung ang current density ay masyadong mataas, ang beam current ay dapat bawasan, na magreresulta sa medyo mababang output power. Upang mapabuti ang beam current, lumitaw ang planar distributed multibeam EOS, na nagsasamantala sa lateral size ng SWS. Dahil sa independent beam tunneling, ang planar distributed multi-beam ay maaaring makamit ang mataas na output power sa pamamagitan ng pagpapanatili ng mataas na total beam current at isang maliit na current bawat beam, na maaaring maiwasan ang overmode beam tunneling kumpara sa mga sheet-beam device. Samakatuwid, kapaki-pakinabang na mapanatili ang katatagan ng traveling wave tube. Batay sa nakaraang gawain 8,9, Ang papel na ito ay nagmumungkahi ng isang G-band uniform magnetic field na nakatuon sa double pencil beam EOS, na maaaring lubos na mapabuti ang matatag na distansya ng transmisyon ng beam at higit pang mapataas ang beam interaction area, sa gayon ay lubos na mapapabuti ang output power.
Ang istruktura ng papel na ito ay ang mga sumusunod. Una, inilalarawan ang disenyo ng SWS cell na may mga parameter, pagsusuri ng mga katangian ng dispersion, at mga resulta ng high frequency simulation. Pagkatapos, ayon sa istruktura ng unit cell, isang double pencil beam EOS at beam interaction system ang dinisenyo sa papel na ito. Inilalahad din ang mga resulta ng intracellular particle simulation upang mapatunayan ang usability ng EOS at ang performance ng SDV-TWT. Bukod pa rito, maikling inilalahad ng papel ang mga resulta ng paggawa at cold test upang mapatunayan ang kawastuhan ng buong HFS. Panghuli, gumawa ng buod.
Bilang isa sa pinakamahalagang bahagi ng TWT, ang mga dispersive properties ng slow-wave structure ay nagpapahiwatig kung ang electron velocity ay tumutugma sa phase velocity ng SWS, at sa gayon ay may malaking impluwensya sa beam-wave interaction. Upang mapabuti ang performance ng buong TWT, isang pinahusay na interaction structure ang dinisenyo. Ang istruktura ng unit cell ay ipinapakita sa Figure 1. Kung isasaalang-alang ang instability ng sheet beam at ang power limitation ng single pen beam, ang istruktura ay gumagamit ng double pen beam upang higit pang mapabuti ang output power at operation stability. Samantala, upang mapataas ang working bandwidth, isang dual mode ang iminungkahi para sa SWS operate. Dahil sa symmetry ng SDV structure, ang solusyon ng electromagnetic field dispersion equation ay maaaring hatiin sa odd at even modes. Kasabay nito, ang fundamental odd mode ng low frequency band at ang fundamental even mode ng high frequency band ay ginagamit upang maisakatuparan ang broadband synchronization ng beam interaction, sa gayon ay lalong mapapabuti ang working bandwidth.
Ayon sa mga kinakailangan sa kuryente, ang buong tubo ay dinisenyo na may boltahe sa pagmamaneho na 20 kV at isang dobleng beam current na 2 × 80 mA. Upang maitugma ang boltahe nang malapit hangga't maaari sa operating bandwidth ng SDV-SWS, kailangan nating kalkulahin ang haba ng panahon na p. Ang ugnayan sa pagitan ng boltahe ng beam at panahon ay ipinapakita sa equation (1)10:
Sa pamamagitan ng pagtatakda ng phase shift sa 2.5π sa center frequency na 220 GHz, ang period p ay maaaring kalkulahin na 0.46 mm. Ipinapakita ng Figure 2a ang mga katangian ng dispersion ng SWS unit cell. Ang 20 kV beamline ay tumutugma nang maayos sa bimodal curve. Ang magkatugmang frequency band ay maaaring umabot sa humigit-kumulang 70 GHz sa mga saklaw na 210–265.3 GHz (odd mode) at 265.4–280 GHz (even mode). Ipinapakita ng Figure 2b ang average coupling impedance, na mas malaki sa 0.6 Ω mula 210 hanggang 290 GHz, na nagpapahiwatig na maaaring magkaroon ng malakas na interaksyon sa operating bandwidth.
(a) Mga katangian ng dispersyon ng isang dual-mode SDV-SWS na may 20 kV electron beamline. (b) Interaction impedance ng SDV slow-wave circuit.
Gayunpaman, mahalagang tandaan na mayroong band gap sa pagitan ng mga odd at even mode, at karaniwan naming tinutukoy ang band gap na ito bilang stop band, gaya ng ipinapakita sa Figure 2a. Kung ang TWT ay pinapatakbo malapit sa frequency band na ito, maaaring mangyari ang malakas na beam coupling strength, na hahantong sa mga hindi gustong oscillations. Sa mga praktikal na aplikasyon, karaniwan naming iniiwasan ang paggamit ng TWT malapit sa stopband. Gayunpaman, makikita na ang band gap ng slow-wave structure na ito ay 0.1 GHz lamang. Mahirap matukoy kung ang maliit na band gap na ito ay nagdudulot ng mga oscillations. Samakatuwid, ang katatagan ng operasyon sa paligid ng stop band ay susuriin sa sumusunod na seksyon ng PIC simulation upang suriin kung maaaring mangyari ang mga hindi gustong oscillations.
Ang modelo ng buong HFS ay ipinapakita sa Figure 3. Binubuo ito ng dalawang yugto ng SDV-SWS, na pinagdudugtong ng mga Bragg reflector. Ang tungkulin ng reflector ay putulin ang transmisyon ng signal sa pagitan ng dalawang yugto, sugpuin ang osilasyon at repleksyon ng mga hindi gumaganang mode tulad ng mga high-order mode na nabuo sa pagitan ng mga upper at lower blades, sa gayon ay lubos na nagpapabuti sa katatagan ng buong tubo. Para sa koneksyon sa panlabas na kapaligiran, isang linear tapered coupler ang ginagamit din upang ikonekta ang SWS sa isang WR-4 standard waveguide. Ang transmission coefficient ng two-level structure ay sinusukat ng isang time domain solver sa 3D simulation software. Kung isasaalang-alang ang aktwal na epekto ng terahertz band sa materyal, ang materyal ng vacuum envelope ay unang nakatakda sa tanso, at ang conductivity ay nabawasan sa 2.25×107 S/m12.
Ipinapakita ng Figure 4 ang mga resulta ng transmisyon para sa HFS na mayroon at walang linear tapered couplers. Ipinapakita ng mga resulta na ang coupler ay may kaunting epekto sa pagganap ng transmisyon ng buong HFS. Ang return loss (S11 < − 10 dB) at insertion loss (S21 > − 5 dB) ng buong sistema sa 207~280 GHz broadband ay nagpapakita na ang HFS ay may magagandang katangian ng transmisyon.
Bilang suplay ng kuryente ng mga vacuum electronic device, direktang tinutukoy ng electron gun kung ang device ay makakabuo ng sapat na output power. Kasama ng pagsusuri ng HFS sa Seksyon II, kailangang idisenyo ang isang dual-beam EOS upang makapagbigay ng sapat na lakas. Sa bahaging ito, batay sa nakaraang gawain sa W-band8,9, isang double pencil electron gun ang dinisenyo gamit ang isang planar mask part at mga control electrode. Una, ayon sa mga kinakailangan sa disenyo ng SWS sa Seksyon. Gaya ng ipinapakita sa FIG. Sa Larawan 2, ang driving voltage na Ua ng mga electron beam ay unang nakatakda sa 20 kV, ang currents I ng dalawang electron beam ay parehong 80 mA, at ang beam diameter na dw ng mga electron beam ay 0.13 mm. Kasabay nito, upang matiyak na makakamit ang current density ng electron beam at cathode, ang compression ratio ng electron beam ay nakatakda sa 7, kaya ang current density ng electron beam ay 603 A/cm2, at ang current density ng cathode ay 86 A/cm2, na maaaring makamit sa pamamagitan ng paggamit ng mga bagong materyales ng cathode. Ayon sa design theory 14, 15, 16, 17, ang isang tipikal na Pierce electron gun ay maaaring natatanging matukoy.
Ipinapakita ng Figure 5 ang pahalang at patayong eskematiko diagram ng baril, ayon sa pagkakabanggit. Makikita na ang profile ng electron gun sa x-direction ay halos magkapareho sa isang tipikal na sheet-like electron gun, habang sa y-direction ang dalawang electron beam ay bahagyang pinaghihiwalay ng mask. Ang mga posisyon ng dalawang cathode ay nasa x = – 0.155 mm, y = 0 mm at x = 0.155 mm, y = 0 mm, ayon sa pagkakabanggit. Ayon sa mga kinakailangan sa disenyo ng compression ratio at laki ng electron injection, ang mga sukat ng dalawang ibabaw ng cathode ay tinutukoy na 0.91 mm × 0.13 mm.
Upang maging simetriko ang nakapokus na electric field na natatanggap ng bawat electron beam sa x-direction sa paligid ng sarili nitong sentro, inilalapat ng papel na ito ang isang control electrode sa electron gun. Sa pamamagitan ng pagtatakda ng boltahe ng focusing electrode at ng control electrode sa −20 kV, at ang boltahe ng anode sa 0 V, makukuha natin ang trajectory distribution ng dual beam gun, gaya ng ipinapakita sa Fig. 6. Makikita na ang mga inilalabas na electron ay may mahusay na compressibility sa y-direction, at ang bawat electron beam ay nagtatagpo patungo sa x-direction sa kahabaan ng sarili nitong sentro ng simetriya, na nagpapahiwatig na binabalanse ng control electrode ang hindi pantay na electric field na nalilikha ng focusing electrode.
Ipinapakita ng Figure 7 ang beam envelope sa direksyong x at y. Ipinapakita ng mga resulta na ang distansya ng projection ng electron beam sa direksyong x ay iba sa direksyong y. Ang distansya ng throw sa direksyong x ay humigit-kumulang 4mm, at ang distansya ng throw sa direksyong y ay malapit sa 7mm. Samakatuwid, ang aktwal na distansya ng throw ay dapat piliin sa pagitan ng 4 at 7 mm. Ipinapakita ng Figure 8 ang cross-section ng electron beam sa layong 4.6 mm mula sa ibabaw ng cathode. Makikita natin na ang hugis ng cross section ay pinakamalapit sa isang karaniwang pabilog na electron beam. Ang distansya sa pagitan ng dalawang electron beam ay malapit sa dinisenyong 0.31 mm, at ang radius ay humigit-kumulang 0.13 mm, na nakakatugon sa mga kinakailangan sa disenyo. Ipinapakita ng Figure 9 ang mga resulta ng simulation ng beam current. Makikita na ang dalawang beam current ay 76mA, na naaayon sa dinisenyong 80mA.
Kung isasaalang-alang ang pagbabago-bago ng boltahe sa pagmamaneho sa mga praktikal na aplikasyon, kinakailangang pag-aralan ang sensitibidad ng boltahe ng modelong ito. Sa saklaw ng boltahe na 19.8 ~ 20.6 kV, nakuha ang mga sobre ng kasalukuyang at beam current, tulad ng ipinapakita sa Figure 1 at Figure 1.10 at 11. Mula sa mga resulta, makikita na ang pagbabago ng boltahe sa pagmamaneho ay walang epekto sa sobre ng electron beam, at ang kasalukuyang electron beam ay nagbabago lamang mula 0.74 hanggang 0.78 A. Samakatuwid, maituturing na ang electron gun na idinisenyo sa papel na ito ay may mahusay na sensitibidad sa boltahe.
Ang epekto ng mga pagbabago-bago ng boltahe na nagtutulak sa mga sobre ng sinag na x- at y-direksyon.
Ang isang pare-parehong magnetic focusing field ay isang karaniwang permanenteng magnet focusing system. Dahil sa pare-parehong distribusyon ng magnetic field sa buong beam channel, ito ay lubos na angkop para sa mga axisymmetric electron beam. Sa seksyong ito, isang pare-parehong magnetic focusing system ang iminungkahi para sa pagpapanatili ng long-distance transmission ng double pencil beams. Sa pamamagitan ng pagsusuri sa nabuong magnetic field at beam envelope, ang disenyo ng focusing system ay iminungkahi, at ang problema sa sensitivity ay pinag-aaralan. Ayon sa stable transmission theory ng isang single pencil beam18,19, ang halaga ng Brillouin magnetic field ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng equation (2). Sa papel na ito, ginagamit din namin ang equivalence na ito upang tantyahin ang magnetic field ng isang laterally distributed double pencil beam. Kasama ang electron gun na idinisenyo sa papel na ito, ang kinakalkulang halaga ng magnetic field ay humigit-kumulang 4000 Gs. Ayon sa Ref. 20, 1.5-2 beses ang kinakalkulang halaga ay karaniwang pinipili sa mga praktikal na disenyo.
Ipinapakita ng Figure 12 ang istruktura ng isang unipormeng magnetic field focusing field system. Ang asul na bahagi ay ang permanenteng magnet na na-magnetize sa axial direction. Ang materyal na napili ay NdFeB o FeCoNi. Ang remanence Br na nakatakda sa simulation model ay 1.3 T at ang permeability ay 1.05. Upang matiyak ang matatag na transmission ng beam sa buong circuit, ang haba ng magnet ay unang nakatakda sa 70 mm. Bilang karagdagan, ang laki ng magnet sa direksyong x ang tumutukoy kung ang transverse magnetic field sa beam channel ay pare-pareho, na nangangailangan na ang laki sa direksyong x ay hindi dapat maging masyadong maliit. Kasabay nito, isinasaalang-alang ang gastos at ang bigat ng buong tubo, ang laki ng magnet ay hindi dapat maging masyadong malaki. Samakatuwid, ang mga magnet ay unang nakatakda sa 150 mm × 150 mm × 70 mm. Samantala, upang matiyak na ang buong slow-wave circuit ay maaaring ilagay sa focusing system, ang distansya sa pagitan ng mga magnet ay nakatakda sa 20mm.
Noong 2015, iminungkahi ni Purna Chandra Panda21 ang isang piraso ng poste na may bagong butas na may hakbang sa isang pare-parehong magnetic focusing system, na maaaring higit pang mabawasan ang magnitude ng flux leakage sa cathode at ang transverse magnetic field na nalilikha sa butas ng piraso ng poste. Sa papel na ito, nagdagdag kami ng isang istrukturang may hakbang sa piraso ng poste ng sistema ng pag-focus. Ang kapal ng piraso ng poste ay unang nakatakda sa 1.5mm, ang taas at lapad ng tatlong hakbang ay 0.5mm, at ang distansya sa pagitan ng mga butas ng piraso ng poste ay 2mm, tulad ng ipinapakita sa Figure 13.
Ipinapakita ng Figure 14a ang axial magnetic field distribution sa mga centerline ng dalawang electron beam. Makikita na ang magnetic field forces sa dalawang electron beam ay pantay. Ang magnetic field value ay humigit-kumulang 6000 Gs, na 1.5 beses ang theoretical Brillouin field upang mapataas ang transmission at focusing performance. Kasabay nito, ang magnetic field sa cathode ay halos 0, na nagpapahiwatig na ang pole piece ay may magandang epekto sa pagpigil sa magnetic flux leakage. Ipinapakita ng Figure 14b ang transverse magnetic field distribution sa direksyong z sa itaas na gilid ng dalawang electron beam. Makikita na ang transverse magnetic field ay mas mababa sa 200 Gs sa butas lamang ng pole piece, habang sa slow-wave circuit, ang transverse magnetic field ay halos zero, na nagpapatunay na ang impluwensya ng transverse magnetic field sa electron beam ay bale-wala. Upang maiwasan ang magnetic saturation ng mga pole piece, kinakailangang pag-aralan ang lakas ng magnetic field sa loob ng mga pole piece. Ipinapakita ng Figure 14c ang absolute value ng magnetic field distribution sa loob ng pole piece. Makikita na ang absolute value ng magnetic field Ang lakas ay mas mababa sa 1.2T, na nagpapahiwatig na ang magnetic saturation ng piraso ng poste ay hindi mangyayari.
Distribusyon ng lakas ng magnetic field para sa Br = 1.3 T.(a) Distribusyon ng axial field.(b) Distribusyon ng lateral field na By sa direksyong z.(c) Absolute value ng distribusyon ng field sa loob ng pole piece.
Batay sa CST PS module, ang axial relative position ng dual beam gun at ng focusing system ay na-optimize. Ayon sa Ref. 9 at mga simulation, ang pinakamainam na lokasyon ay kung saan ang anode piece ay nakapatong sa pole piece palayo sa magnet. Gayunpaman, natuklasan na kung ang remanence ay nakatakda sa 1.3T, ang transmittance ng electron beam ay hindi maaaring umabot sa 99%. Sa pamamagitan ng pagtaas ng remanence sa 1.4 T, ang focusing magnetic field ay tataas sa 6500 Gs. Ang mga beam trajectory sa xoz at yoz plane ay ipinapakita sa Figure 15. Makikita na ang beam ay may mahusay na transmission, maliit na fluctuation, at transmission distance na higit sa 45mm.
Mga trajectory ng dobleng pencil beam sa ilalim ng isang homogenous magnetic system na may Br = 1.4 T.(a) xoz plane.(b) yoz aircraft.
Ipinapakita ng Figure 16 ang cross-section ng beam sa iba't ibang posisyon malayo sa cathode. Makikita na ang hugis ng beam section sa focusing system ay maayos na napananatili, at ang diameter ng section ay hindi gaanong nagbabago. Ipinapakita ng Figure 17 ang mga beam envelope sa x at y na direksyon, ayon sa pagkakabanggit. Makikita na ang pagbabago-bago ng beam sa magkabilang direksyon ay napakaliit. Ipinapakita ng Figure 18 ang mga resulta ng simulation ng beam current. Ipinapakita ng mga resulta na ang current ay humigit-kumulang 2 × 80 mA, na naaayon sa kinakalkulang halaga sa disenyo ng electron gun.
Ang cross section ng electron beam (na may focusing system) sa iba't ibang posisyon malayo sa cathode.
Kung isasaalang-alang ang serye ng mga problema tulad ng mga error sa pag-assemble, pagbabago-bago ng boltahe, at mga pagbabago sa lakas ng magnetic field sa mga praktikal na aplikasyon sa pagproseso, kinakailangang suriin ang sensitivity ng focusing system. Dahil mayroong puwang sa pagitan ng anode piece at ng pole piece sa aktwal na pagproseso, ang puwang na ito ay kailangang itakda sa simulation. Ang halaga ng puwang ay itinakda sa 0.2 mm at ipinapakita ng Figure 19a ang beam envelope at beam current sa direksyong y. Ipinapakita ng resultang ito na ang pagbabago sa beam envelope ay hindi makabuluhan at ang beam current ay halos hindi nagbabago. Samakatuwid, ang sistema ay hindi sensitibo sa mga error sa pag-assemble. Para sa pagbabago-bago ng driving voltage, ang error range ay nakatakda sa ±0.5 kV. Ipinapakita ng Figure 19b ang mga resulta ng paghahambing. Makikita na ang pagbabago ng boltahe ay may kaunting epekto sa beam envelope. Ang error range ay nakatakda mula -0.02 hanggang +0.03 T para sa mga pagbabago sa lakas ng magnetic field. Ang mga resulta ng paghahambing ay ipinapakita sa Figure 20. Makikita na ang beam envelope ay halos hindi nagbabago, na nangangahulugang ang buong EOS ay hindi sensitibo sa mga pagbabago sa lakas ng magnetic field.
Ang mga resulta ng beam envelope at current sa ilalim ng isang unipormeng magnetic focusing system.(a) Ang assembly tolerance ay 0.2 mm.(b) Ang driving voltage fluctuation ay ±0.5 kV.
Beam envelope sa ilalim ng isang pare-parehong magnetic focusing system na may mga pagbabago-bago ng lakas ng axial magnetic field mula 0.63 hanggang 0.68 T.
Upang matiyak na ang sistema ng pagpo-pokus na idinisenyo sa papel na ito ay maaaring tumugma sa HFS, kinakailangang pagsamahin ang sistema ng pagpo-pokus at HFS para sa pananaliksik. Ipinapakita ng Figure 21 ang paghahambing ng mga beam envelope na mayroon at walang HFS na naka-load. Ipinapakita ng mga resulta na ang beam envelope ay hindi gaanong nagbabago kapag ang buong HFS ay naka-load. Samakatuwid, ang sistema ng pagpo-pokus ay angkop para sa travelling wave tube HFS ng disenyo sa itaas.
Upang mapatunayan ang kawastuhan ng EOS na iminungkahi sa Seksyon III at siyasatin ang pagganap ng 220 GHz SDV-TWT, isang 3D-PIC simulation ng beam-wave interaction ang isinagawa. Dahil sa mga limitasyon ng simulation software, hindi namin naidagdag ang buong EOS sa HFS. Samakatuwid, ang electron gun ay pinalitan ng isang katumbas na emitting surface na may diameter na 0.13mm at distansya sa pagitan ng dalawang surface na 0.31mm, ang parehong mga parameter gaya ng electron gun na dinisenyo sa itaas. Dahil sa kawalan ng sensitivity at mahusay na katatagan ng EOS, ang driving voltage ay maaaring maayos na ma-optimize upang makamit ang pinakamahusay na output power sa PIC simulation. Ipinapakita ng mga resulta ng simulation na ang saturated output power at gain ay maaaring makuha sa driving voltage na 20.6 kV, beam current na 2 × 80 mA (603 A/cm2), at input power na 0.05 W.
Upang makuha ang pinakamahusay na output signal, kailangan ding i-optimize ang bilang ng mga cycle. Ang pinakamahusay na output power ay nakukuha kapag ang bilang ng dalawang yugto ay 42 + 48 cycle, gaya ng ipinapakita sa Figure 22a. Isang 0.05 W input signal ang pinalakas sa 314 W na may gain na 38 dB. Ang output power spectrum na nakuha sa pamamagitan ng Fast Fourier Transform (FFT) ay puro, na umaabot sa peak sa 220 GHz. Ipinapakita ng Figure 22b ang axial position distribution ng electron energy sa SWS, kung saan karamihan sa mga electron ay nawawalan ng enerhiya. Ipinapahiwatig ng resultang ito na maaaring i-convert ng SDV-SWS ang kinetic energy ng mga electron sa mga RF signal, sa gayon ay naisasagawa ang signal amplification.
Ang output signal ng SDV-SWS sa 220 GHz.(a) Lakas ng output na may kasamang spectrum.(b) Distribusyon ng enerhiya ng mga electron kasama ang electron beam sa dulo ng SWS inset.
Ipinapakita ng Figure 23 ang output power bandwidth at gain ng isang dual-mode dual-beam SDV-TWT. Ang output performance ay maaaring higit pang mapabuti sa pamamagitan ng pagpapalawak ng mga frequency mula 200 hanggang 275 GHz at pag-optimize ng drive voltage. Ipinapakita ng resultang ito na ang 3-dB bandwidth ay maaaring sumaklaw sa 205 hanggang 275 GHz, na nangangahulugang ang dual-mode operation ay maaaring lubos na magpalawak ng operating bandwidth.
Gayunpaman, ayon sa Fig. 2a, alam natin na mayroong stop band sa pagitan ng odd at even modes, na maaaring humantong sa mga hindi gustong oscillations. Samakatuwid, kailangang pag-aralan ang work stability sa paligid ng mga stop. Ang Figures 24a-c ay ang 20 ns simulation results sa 265.3 GHz, 265.35 GHz, at 265.4 GHz, ayon sa pagkakabanggit. Makikita na bagama't may ilang pagbabago-bago ang mga resulta ng simulation, ang output power ay medyo matatag. Ipinapakita rin sa Figure 24 ang spectrum, at puro ang spectrum. Ipinapahiwatig ng mga resultang ito na walang self-oscillation malapit sa stopband.
Kinakailangan ang paggawa at pagsukat upang mapatunayan ang kawastuhan ng buong HFS. Sa bahaging ito, ang HFS ay ginagawa gamit ang teknolohiyang computer numerical control (CNC) na may diyametro ng kagamitan na 0.1 mm at katumpakan sa pag-machining na 10 μm. Ang materyal para sa high-frequency na istraktura ay ibinibigay ng oxygen-free high-conductivity (OFHC) na tanso. Ipinapakita ng Figure 25a ang ginawang istraktura. Ang buong istraktura ay may haba na 66.00 mm, lapad na 20.00 mm at taas na 8.66 mm. Walong butas ng pin ang nakakalat sa paligid ng istraktura. Ipinapakita ng Figure 25b ang istraktura sa pamamagitan ng scanning electron microscopy (SEM). Ang mga blade ng istrukturang ito ay pantay na ginawa at may mahusay na surface roughness. Pagkatapos ng tumpak na pagsukat, ang pangkalahatang error sa pag-machining ay mas mababa sa 5%, at ang surface roughness ay humigit-kumulang 0.4μm. Ang istruktura ng pag-machining ay nakakatugon sa mga kinakailangan sa disenyo at katumpakan.
Ipinapakita ng Figure 26 ang paghahambing sa pagitan ng mga aktwal na resulta ng pagsubok at mga simulation ng pagganap ng transmisyon. Ang Port 1 at Port 2 sa Figure 26a ay tumutugma sa mga input at output port ng HFS, ayon sa pagkakabanggit, at katumbas ng Port 1 at Port 4 sa Figure 3. Ang mga aktwal na resulta ng pagsukat ng S11 ay bahagyang mas mahusay kaysa sa mga resulta ng simulation. Kasabay nito, ang mga nasukat na resulta ng S21 ay bahagyang mas masahol pa. Ang dahilan ay maaaring dahil ang conductivity ng materyal na itinakda sa simulation ay masyadong mataas at ang surface roughness pagkatapos ng aktwal na machining ay mahina. Sa pangkalahatan, ang mga nasukat na resulta ay naaayon sa mga resulta ng simulation, at ang bandwidth ng transmisyon ay nakakatugon sa kinakailangan na 70 GHz, na nagpapatunay sa pagiging posible at kawastuhan ng iminungkahing dual-mode SDV-TWT. Samakatuwid, kasama ng aktwal na proseso ng paggawa at mga resulta ng pagsubok, ang disenyo ng ultra-broadband dual-beam SDV-TWT na iminungkahi sa papel na ito ay maaaring gamitin para sa mga kasunod na paggawa at mga aplikasyon.
Sa papel na ito, inilalahad ang isang detalyadong disenyo ng isang planar distribution na 220 GHz dual-beam SDV-TWT. Ang kombinasyon ng dual-mode operation at dual-beam excitation ay lalong nagpapataas ng operating bandwidth at output power. Isinagawa rin ang fabrication at cold test upang mapatunayan ang kawastuhan ng buong HFS. Ang aktwal na resulta ng pagsukat ay naaayon sa mga resulta ng simulation. Para sa dinisenyong two-beam EOS, isang mask section at control electrodes ang ginamit nang magkasama upang makagawa ng two-pencil beam. Sa ilalim ng dinisenyong uniform focusing magnetic field, ang electron beam ay maaaring maipadala nang matatag sa malalayong distansya nang may maayos na hugis. Sa hinaharap, isasagawa ang produksyon at pagsubok ng EOS, at isasagawa rin ang thermal test ng buong TWT. Ang SDV-TWT design scheme na iminungkahi sa papel na ito ay ganap na pinagsasama ang kasalukuyang mature na teknolohiya sa pagpoproseso ng plane, at nagpapakita ng malaking potensyal sa mga performance indicator, pagproseso, at pag-assemble. Samakatuwid, naniniwala ang papel na ito na ang planar structure ang malamang na maging trend sa pag-unlad ng mga vacuum electronic device sa terahertz band.
Karamihan sa mga hilaw na datos at mga modelong analitikal sa pag-aaral na ito ay isinama sa papel na ito. Maaaring makakuha ng karagdagang kaugnay na impormasyon mula sa kaukulang may-akda sa makatuwirang kahilingan.
Gamzina, D. et al. Nanoscale CNC machining ng mga sub-terahertz vacuum electronics. IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. at Paoloni, C. UV-LIGA microfabrication ng mga sub-terahertz waveguide gamit ang multilayer SU-8 photoresist.J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 THz technology roadmap.J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR at Luhmann, NC Malakas na pagpigil sa paglaganap ng plasmonic wave sa pamamagitan ng ultra-broadband staggered double-grating waveguides.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Pagganap ng isang Nano CNC Machined 220-GHz Traveling Wave Tube Amplifier. IEEE Trans. electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Pagsisiyasat sa kawalang-tatag ng diocotron ng walang katapusang lapad na sheet electron beams gamit ang macroscopic cold fluid model theory. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV tungkol sa pagkakataong mapataas ang bandwidth sa pamamagitan ng planar layout ng beam sa isang multibeam klystron. Sa ika-12 IEEE International Conference on Vacuum Electronics, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Disenyo ng mga three-beam electron gun na may narrow beam splitting plane distribution sa W-band staggered double-blade traveling wave tube[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 na may makitid na beam separation para sa W-band fundamental mode TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Pananaliksik sa Interleaved Double-Blade Traveling Wave Tube na may Millimeter-Wave Sheet Beams 20-22 (PhD, Beihang University, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Pag-aaral sa katatagan ng interaksyon ng beam-wave ng isang G-band interleaved dual-blade traveling wave tube. 2018 Ika-43 Pandaigdigang Kumperensya sa Infrared Millimeter at Terahertz Waves, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).