Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümü CSS için sınırlı desteğe sahiptir. En iyi deneyim için, güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada, desteğin devamını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Bu makalede, 220 GHz geniş bantlı yüksek güçlü, aralıklı çift bıçaklı seyahat dalga tüpü tasarlanmış ve doğrulanmıştır. İlk olarak, düzlemsel çift ışınlı kademeli çift bıçaklı yavaş dalga yapısı önerilmiştir. Çift modlu çalışma şeması kullanılarak, iletim performansı ve bant genişliği tek modluya göre neredeyse iki katına çıkarılmıştır. İkinci olarak, yüksek çıkış gücü gereksinimlerini karşılamak ve seyahat dalga tüpünün kararlılığını iyileştirmek için, çift kalem şeklinde bir elektronik optik sistem tasarlanmıştır; sürüş voltajı 20~21 kV ve akım 2 × 80 mA'dır. Tasarım hedefleri şunlardır: Çift ışın tabancasında maske parçası ve kontrol elektrodu kullanılarak, iki kalem ışını kendi merkezleri boyunca 7'lik bir sıkıştırma oranıyla odaklanabilir, odaklama mesafesi yaklaşık 0,18 mm'dir ve kararlılık iyidir. Tekdüze manyetik odaklama sistemi de optimize edilmiştir. Düzlemsel çift elektron ışınının kararlı iletim mesafesi 45 mm'ye ulaşabilir ve odaklama manyetik alanı 0,6 T'dir, bu da tüm alanı kapsamak için yeterlidir. Yüksek frekanslı sistem (HFS) için, elektron-optik sistemin kullanılabilirliğini ve yavaş dalga yapısının performansını doğrulamak amacıyla, tüm HFS üzerinde parçacık hücresi (PIC) simülasyonları da gerçekleştirildi. Sonuçlar, ışın etkileşim sisteminin 220 GHz'de yaklaşık 310 W'lık tepe çıkış gücüne ulaşabileceğini, optimize edilmiş ışın voltajının 20,6 kV, ışın akımının 2 × 80 mA, kazancın 38 dB ve 3 dB bant genişliğinin yaklaşık 70 GHz'de 35 dB'yi aştığını göstermektedir. Son olarak, HFS'nin performansını doğrulamak için yüksek hassasiyetli mikro yapı üretimi gerçekleştirildi ve sonuçlar, bant genişliği ve iletim özelliklerinin simülasyon sonuçlarıyla iyi bir uyum içinde olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, bu makalede önerilen şemanın, gelecekteki uygulamalar için potansiyel taşıyan yüksek güçlü, ultra geniş bantlı terahertz bant radyasyon kaynakları geliştirmesi beklenmektedir.
Geleneksel bir vakum elektronik cihazı olarak, seyahat dalga tüpü (TWT), yüksek çözünürlüklü radar, uydu iletişim sistemleri ve uzay araştırmaları gibi birçok uygulamada yeri doldurulamaz bir rol oynamaktadır.1,2,3 Bununla birlikte, çalışma frekansı terahertz bandına girdiğinde, geleneksel birleştirilmiş boşluklu TWT ve helisel TWT, nispeten düşük çıkış gücü, dar bant genişliği ve zor üretim süreçleri nedeniyle insanların ihtiyaçlarını karşılayamamaktadır. Bu nedenle, THz bandının performansını kapsamlı bir şekilde nasıl iyileştirebileceğimiz, birçok bilimsel araştırma kurumu için çok önemli bir konu haline gelmiştir. Son yıllarda, kademeli çift bıçaklı (SDV) yapılar ve katlanmış dalga kılavuzu (FW) yapılar gibi yeni yavaş dalga yapıları (SWS), özellikle umut vadeden potansiyele sahip yeni SDV-SWS'ler, doğal düzlemsel yapıları nedeniyle geniş ilgi görmüştür. Bu yapı, 2008 yılında UC-Davis tarafından önerilmiştir.4 Düzlemsel yapı, bilgisayar sayısal kontrolü (CNC) ve UV-LIGA gibi mikro-nano işleme teknikleri ile kolayca üretilebilir ve tamamen metal bir pakete sahiptir. Bu yapı, daha yüksek çıkış gücü ve kazançla daha büyük termal kapasite sağlayabilir ve dalga kılavuzu benzeri yapı ayrıca daha geniş bir çalışma bant genişliği de sağlayabilir. Şu anda, UC Davis 2017'de ilk kez SDV-TWT'nin G bandında 100 W'ın üzerinde yüksek güç çıkışları ve yaklaşık 14 GHz bant genişliğine sahip sinyaller üretebildiğini göstermiştir.5 Ancak, bu sonuçlar hala terahertz bandında yüksek güç ve geniş bant genişliği ile ilgili gereksinimleri karşılayamayan boşluklara sahiptir. UC-Davis'in G bandı SDV-TWT'si için, tabaka elektron ışınları kullanılmıştır. Bu yöntem, ışının akım taşıma kapasitesini önemli ölçüde artırabilse de, tabaka ışın elektron optik sisteminin (EOS) kararsızlığı nedeniyle uzun bir iletim mesafesini korumak zordur ve ayrıca ışının kendi kendini düzenlemesine neden olabilecek bir aşırı mod ışın tüneli de vardır. – Uyarı ve salınım 6,7. THz TWT'nin yüksek çıkış gücü, geniş bant genişliği ve iyi kararlılık gereksinimlerini karşılamak için, bu makalede çift modlu çalışma özelliğine sahip çift ışınlı SDV-SWS önerilmiştir. Yani, çalışma bant genişliğini artırmak için bu yapıda çift modlu çalışma önerilmiş ve tanıtılmıştır. Ayrıca, çıkış gücünü artırmak için çift kalem ışınlarının düzlemsel dağılımı da kullanılmıştır. Tek kalem ışınlı radyolar, dikey boyut kısıtlamaları nedeniyle nispeten küçüktür. Akım yoğunluğu çok yüksekse, ışın akımı azaltılmalıdır, bu da nispeten düşük çıkış gücüne neden olur. Işın akımını iyileştirmek için, SWS'nin yanal boyutunu kullanan düzlemsel dağıtılmış çoklu ışın EOS ortaya çıkmıştır. Bağımsız ışın tünellemesi nedeniyle, düzlemsel dağıtılmış çoklu ışın, yüksek toplam ışın akımı ve ışın başına küçük akım sağlayarak yüksek çıkış gücü elde edebilir; bu da levha ışınlı cihazlara kıyasla aşırı mod ışın tünellemesini önleyebilir. Bu nedenle, seyahat dalga tüpünün kararlılığını korumak faydalıdır. Önceki çalışmalara8,9 dayanarak, bu makale, ışının kararlı iletim mesafesini büyük ölçüde iyileştirebilen ve ışın etkileşim alanını daha da artırarak çıkış gücünü büyük ölçüde iyileştirebilen, G bandında düzgün manyetik alan odaklamalı çift kalem ışınlı EOS'u önermektedir.
Bu makalenin yapısı şu şekildedir: İlk olarak, parametrelerle birlikte SWS hücre tasarımı, dağılım karakteristikleri analizi ve yüksek frekans simülasyon sonuçları açıklanmıştır. Daha sonra, birim hücrenin yapısına göre, bu makalede çift kalem ışınlı EOS ve ışın etkileşim sistemi tasarlanmıştır. EOS'un kullanılabilirliğini ve SDV-TWT'nin performansını doğrulamak için hücre içi parçacık simülasyon sonuçları da sunulmuştur. Ayrıca, makale, tüm HFS'nin doğruluğunu doğrulamak için imalat ve soğuk test sonuçlarını kısaca sunmaktadır. Son olarak bir özet yapılmıştır.
TWT'nin en önemli bileşenlerinden biri olarak, yavaş dalga yapısının dağılım özellikleri, elektron hızının SWS'nin faz hızıyla eşleşip eşleşmediğini gösterir ve bu nedenle ışın-dalga etkileşimini büyük ölçüde etkiler. Tüm TWT'nin performansını iyileştirmek için, geliştirilmiş bir etkileşim yapısı tasarlanmıştır. Birim hücrenin yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Levha ışınının kararsızlığı ve tek kalem ışınının güç sınırlaması göz önüne alındığında, yapı, çıkış gücünü ve çalışma kararlılığını daha da iyileştirmek için çift kalem ışını benimser. Bu arada, çalışma bant genişliğini artırmak için, SWS'nin çalışması için çift mod önerilmiştir. SDV yapısının simetrisi nedeniyle, elektromanyetik alan dağılım denkleminin çözümü tek ve çift modlara ayrılabilir. Aynı zamanda, düşük frekans bandının temel tek modu ve yüksek frekans bandının temel çift modu, ışın etkileşiminin geniş bant senkronizasyonunu gerçekleştirmek için kullanılır ve böylece çalışma bant genişliği daha da iyileştirilir.
Güç gereksinimlerine göre, tüm tüp 20 kV'luk bir sürüş voltajı ve 2 × 80 mA'lık çift ışın akımı ile tasarlanmıştır. Voltajı SDV-SWS'nin çalışma bant genişliğine mümkün olduğunca yakın eşleştirmek için, periyot uzunluğu p'yi hesaplamamız gerekir. Işın voltajı ve periyot arasındaki ilişki denklem (1)10'da gösterilmiştir:
220 GHz merkez frekansında faz kaymasını 2,5π olarak ayarlayarak, periyot p'nin 0,46 mm olduğu hesaplanabilir. Şekil 2a, SWS birim hücresinin dağılım özelliklerini göstermektedir. 20 kV ışın hattı, bimodal eğriyle çok iyi uyum sağlamaktadır. Eşleşen frekans bantları, 210–265,3 GHz (tek mod) ve 265,4–280 GHz (çift mod) aralıklarında yaklaşık 70 GHz'e ulaşabilir. Şekil 2b, 210 ila 290 GHz arasında 0,6 Ω'dan büyük olan ortalama kuplaj empedansını göstermektedir; bu da çalışma bant genişliğinde güçlü etkileşimlerin meydana gelebileceğini göstermektedir.
(a) 20 kV elektron ışın hattına sahip çift modlu SDV-SWS'nin dağılım özellikleri. (b) SDV yavaş dalga devresinin etkileşim empedansı.
Ancak, tek ve çift modlar arasında bir bant aralığı olduğunu ve bu bant aralığına genellikle Şekil 2a'da gösterildiği gibi durdurma bandı adını verdiğimizi belirtmek önemlidir. TWT bu frekans bandına yakın çalıştırılırsa, güçlü ışın birleştirme kuvveti oluşabilir ve bu da istenmeyen salınımlara yol açabilir. Pratik uygulamalarda, genellikle TWT'yi durdurma bandına yakın kullanmaktan kaçınırız. Bununla birlikte, bu yavaş dalga yapısının bant aralığının sadece 0,1 GHz olduğu görülebilir. Bu küçük bant aralığının salınımlara neden olup olmadığını belirlemek zordur. Bu nedenle, istenmeyen salınımların oluşup oluşmadığını analiz etmek için durdurma bandı etrafındaki çalışma kararlılığı aşağıdaki PIC simülasyon bölümünde incelenecektir.
Tüm HFS modelinin şeması Şekil 3'te gösterilmiştir. Bu şema, Bragg reflektörleri ile birbirine bağlanan iki kademeli SDV-SWS'den oluşmaktadır. Reflektörün işlevi, iki kademe arasındaki sinyal iletimini kesmek, üst ve alt bıçaklar arasında oluşan yüksek dereceli modlar gibi çalışmayan modların salınımını ve yansımasını bastırmak ve böylece tüm tüpün kararlılığını büyük ölçüde iyileştirmektir. Dış ortama bağlantı için, SWS'yi WR-4 standart dalga kılavuzuna bağlamak üzere doğrusal konik bir kuplör de kullanılmaktadır. İki kademeli yapının iletim katsayısı, 3D simülasyon yazılımındaki zaman alanı çözücüsü ile ölçülmektedir. Terahertz bandının malzeme üzerindeki gerçek etkisini göz önünde bulundurarak, vakum zarfının malzemesi başlangıçta bakır olarak ayarlanmış ve iletkenlik 2,25×10⁷ S/m¹²'ye düşürülmüştür.
Şekil 4, doğrusal konik kuplörlü ve kuplörsüz HFS için iletim sonuçlarını göstermektedir. Sonuçlar, kuplörün tüm HFS'nin iletim performansı üzerinde çok az etkisi olduğunu göstermektedir. 207~280 GHz geniş bant aralığında tüm sistemin geri dönüş kaybı (S11 < − 10 dB) ve ekleme kaybı (S21 > − 5 dB), HFS'nin iyi iletim özelliklerine sahip olduğunu göstermektedir.
Vakum elektronik cihazlarının güç kaynağı olarak elektron tabancası, cihazın yeterli çıkış gücü üretip üretemeyeceğini doğrudan belirler. Bölüm II'deki HFS analiziyle birlikte, yeterli güç sağlamak için çift ışınlı bir EOS tasarlanması gerekmektedir. Bu bölümde, W bandındaki önceki çalışmalara8,9 dayanarak, düzlemsel bir maske parçası ve kontrol elektrotları kullanılarak çift kalemli bir elektron tabancası tasarlanmıştır. İlk olarak, Bölüm II'deki SWS tasarım gereksinimlerine göre, Şekil'de gösterildiği gibi, 2. Elektron ışınlarının sürüş gerilimi Ua başlangıçta 20 kV olarak ayarlanmıştır, iki elektron ışınının akımları I her ikisi de 80 mA'dir ve elektron ışınlarının ışın çapı dw 0,13 mm'dir. Aynı zamanda, elektron ışını ve katotun akım yoğunluğunun elde edilebilmesini sağlamak için, elektron ışınının sıkıştırma oranı 7 olarak ayarlanmıştır, böylece elektron ışınının akım yoğunluğu 603 A/cm2 ve katotun akım yoğunluğu 86 A/cm2 olur; bu, yeni katot malzemeleri kullanılarak elde edilir. Tasarım teorisi 14, 15, 16, 17'ye göre, tipik bir Pierce elektron tabancası benzersiz bir şekilde tanımlanabilir.
Şekil 5, sırasıyla tabancanın yatay ve dikey şematik diyagramlarını göstermektedir. Elektron tabancasının x yönündeki profilinin tipik bir levha şeklindeki elektron tabancasının profiline neredeyse özdeş olduğu, y yönünde ise iki elektron ışınının maske tarafından kısmen ayrıldığı görülebilir. İki katotun konumları sırasıyla x = – 0,155 mm, y = 0 mm ve x = 0,155 mm, y = 0 mm'dir. Sıkıştırma oranı ve elektron enjeksiyon boyutu tasarım gereksinimlerine göre, iki katot yüzeyinin boyutları 0,91 mm × 0,13 mm olarak belirlenmiştir.
Bu çalışmada, her bir elektron ışınının x yönünde aldığı odaklanmış elektrik alanının kendi merkezine göre simetrik olması için elektron tabancasına bir kontrol elektrodu uygulanmıştır. Odaklama elektrodunun ve kontrol elektrodunun voltajı -20 kV'a, anot voltajı ise 0 V'a ayarlanarak, Şekil 6'da gösterildiği gibi çift ışınlı tabancanın yörünge dağılımı elde edilebilir. Yayılan elektronların y yönünde iyi bir sıkıştırılabilirliğe sahip olduğu ve her bir elektron ışınının kendi simetri merkezi boyunca x yönüne doğru yakınsadığı görülmektedir; bu da kontrol elektrodunun odaklama elektrodu tarafından üretilen eşitsiz elektrik alanını dengelediğini göstermektedir.
Şekil 7, x ve y yönlerindeki ışın zarfını göstermektedir. Sonuçlar, elektron ışınının x yönündeki izdüşüm mesafesinin y yönündekinden farklı olduğunu göstermektedir. X yönündeki atış mesafesi yaklaşık 4 mm, y yönündeki atış mesafesi ise 7 mm'ye yakındır. Bu nedenle, gerçek atış mesafesi 4 ile 7 mm arasında seçilmelidir. Şekil 8, katot yüzeyinden 4,6 mm uzaklıktaki elektron ışınının kesitini göstermektedir. Kesit şeklinin standart dairesel bir elektron ışınına en yakın olduğunu görebiliriz. İki elektron ışını arasındaki mesafe, tasarlanan 0,31 mm'ye yakındır ve yarıçap yaklaşık 0,13 mm'dir, bu da tasarım gereksinimlerini karşılamaktadır. Şekil 9, ışın akımının simülasyon sonuçlarını göstermektedir. İki ışın akımının 76 mA olduğu ve tasarlanan 80 mA ile iyi bir uyum içinde olduğu görülebilir.
Pratik uygulamalarda sürüş voltajındaki dalgalanmalar göz önüne alındığında, bu modelin voltaj duyarlılığının incelenmesi gereklidir. 19,8 ~ 20,6 kV voltaj aralığında, Şekil 1 ve Şekil 1.10 ve 11'de gösterildiği gibi akım ve ışın akımı zarfları elde edilmiştir. Sonuçlardan, sürüş voltajındaki değişimin elektron ışını zarfı üzerinde hiçbir etkisi olmadığı ve elektron ışını akımının sadece 0,74 ile 0,78 A arasında değiştiği görülmektedir. Bu nedenle, bu çalışmada tasarlanan elektron tabancasının voltaja karşı iyi bir duyarlılığa sahip olduğu düşünülebilir.
Sürüş gerilimindeki dalgalanmaların x ve y yönündeki ışın zarfları üzerindeki etkisi.
Tekdüze manyetik odaklama alanı, yaygın bir kalıcı mıknatıs odaklama sistemidir. Işın kanalı boyunca manyetik alanın düzgün dağılımı nedeniyle, eksenel simetrik elektron ışınları için çok uygundur. Bu bölümde, çift kalem ışınlarının uzun mesafeli iletimini sağlamak için tekdüze bir manyetik odaklama sistemi önerilmiştir. Oluşturulan manyetik alan ve ışın zarfı analiz edilerek, odaklama sisteminin tasarım şeması önerilmiş ve hassasiyet problemi incelenmiştir. Tek kalem ışınının kararlı iletim teorisine göre18,19, Brillouin manyetik alan değeri denklem (2) ile hesaplanabilir. Bu makalede, yanal olarak dağıtılmış çift kalem ışınının manyetik alanını tahmin etmek için de bu eşdeğerliği kullanıyoruz. Bu makalede tasarlanan elektron tabancasıyla birlikte, hesaplanan manyetik alan değeri yaklaşık 4000 Gs'dir. Ref. 20'ye göre, pratik tasarımlarda genellikle hesaplanan değerin 1,5-2 katı seçilir.
Şekil 12, düzgün manyetik alan odaklama sistemi yapısını göstermektedir. Mavi kısım, eksenel yönde mıknatıslanmış kalıcı mıknatıstır. Malzeme seçimi NdFeB veya FeCoNi'dir. Simülasyon modelinde ayarlanan kalıcı mıknatıslanma Br 1,3 T ve geçirgenlik 1,05'tir. Tüm devrede ışının kararlı iletimini sağlamak için, mıknatısın uzunluğu başlangıçta 70 mm olarak ayarlanmıştır. Ayrıca, x yönündeki mıknatısın boyutu, ışın kanalındaki enine manyetik alanın düzgün olup olmadığını belirler; bu da x yönündeki boyutun çok küçük olmamasını gerektirir. Aynı zamanda, tüm tüpün maliyeti ve ağırlığı göz önünde bulundurularak, mıknatısın boyutu çok büyük olmamalıdır. Bu nedenle, mıknatıslar başlangıçta 150 mm × 150 mm × 70 mm olarak ayarlanmıştır. Bu arada, tüm yavaş dalga devresinin odaklama sistemine yerleştirilebilmesini sağlamak için, mıknatıslar arasındaki mesafe 20 mm olarak ayarlanmıştır.
2015 yılında Purna Chandra Panda21, düzgün manyetik odaklama sisteminde yeni bir kademeli deliğe sahip bir kutup parçası önerdi; bu, katoda akı kaçağının büyüklüğünü ve kutup parçası deliğinde oluşan enine manyetik alanı daha da azaltabilir. Bu makalede, odaklama sisteminin kutup parçasına kademeli bir yapı ekliyoruz. Kutup parçasının kalınlığı başlangıçta 1,5 mm olarak ayarlanmıştır, üç kademenin yüksekliği ve genişliği 0,5 mm'dir ve kutup parçası delikleri arasındaki mesafe 2 mm'dir, Şekil 13'te gösterildiği gibi.
Şekil 14a, iki elektron demetinin merkez çizgileri boyunca eksenel manyetik alan dağılımını göstermektedir. İki elektron demeti boyunca manyetik alan kuvvetlerinin eşit olduğu görülebilir. Manyetik alan değeri yaklaşık 6000 Gs olup, bu da iletim ve odaklama performansını artırmak için teorik Brillouin alanının 1,5 katıdır. Aynı zamanda, katottaki manyetik alan neredeyse 0'dır, bu da kutup parçasının manyetik akı sızıntısını önlemede iyi bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Şekil 14b, iki elektron demetinin üst kenarında z yönündeki enine manyetik alan dağılımını göstermektedir. Enine manyetik alanın sadece kutup parçası deliğinde 200 Gs'den az olduğu, yavaş dalga devresinde ise enine manyetik alanın neredeyse sıfır olduğu görülebilir; bu da enine manyetik alanın elektron demeti üzerindeki etkisinin ihmal edilebilir olduğunu kanıtlamaktadır. Kutup parçalarının manyetik doygunluğunu önlemek için, kutup parçalarının içindeki manyetik alan şiddetinin incelenmesi gereklidir. Şekil 14c, kutup parçalarının içindeki manyetik alan dağılımının mutlak değerini göstermektedir. Kutup parçasına bakıldığında, manyetik alan şiddetinin mutlak değerinin 1,2 T'den az olduğu görülmektedir; bu da kutup parçasının manyetik doygunluğa ulaşmayacağını göstermektedir.
Br = 1,3 T için manyetik alan şiddeti dağılımı. (a) Eksenel alan dağılımı. (b) Z yönündeki yanal alan dağılımı By. (c) Kutup parçası içindeki alan dağılımının mutlak değeri.
CST PS modülüne dayanarak, çift ışın tabancasının ve odaklama sisteminin eksenel göreceli konumu optimize edilmiştir. 9 numaralı referansa ve simülasyonlara göre, en uygun konum, anot parçasının mıknatıstan uzakta kutup parçasıyla örtüştüğü yerdir. Bununla birlikte, kalıcı manyetik alanın 1,3 T'ye ayarlanması durumunda elektron ışınının geçirgenliğinin %99'a ulaşamadığı bulunmuştur. Kalıcı manyetik alanın 1,4 T'ye çıkarılmasıyla, odaklama manyetik alanı 6500 Gs'ye çıkarılacaktır. xoz ve yoz düzlemlerindeki ışın yörüngeleri Şekil 15'te gösterilmiştir. Işının iyi bir geçirgenliğe, küçük bir dalgalanmaya ve 45 mm'den daha büyük bir iletim mesafesine sahip olduğu görülebilir.
Br = 1,4 T olan homojen bir manyetik sistem altında çift kalem ışınlarının yörüngeleri.(a) xoz düzlemi.(b) yoz uçağı.
Şekil 16, katottan farklı konumlardaki ışının kesitini göstermektedir. Odaklama sistemindeki ışın kesitinin şeklinin iyi korunduğu ve kesit çapının fazla değişmediği görülebilir. Şekil 17, sırasıyla x ve y yönlerindeki ışın zarflarını göstermektedir. Her iki yöndeki ışın dalgalanmasının çok küçük olduğu görülebilir. Şekil 18, ışın akımının simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Sonuçlar, akımın yaklaşık 2 × 80 mA olduğunu göstermektedir ki bu, elektron tabancası tasarımında hesaplanan değerle tutarlıdır.
Katottan farklı mesafelerde elektron demetinin kesit görünümü (odaklama sistemi ile birlikte).
Pratik işleme uygulamalarında montaj hataları, voltaj dalgalanmaları ve manyetik alan şiddetindeki değişiklikler gibi bir dizi sorun göz önüne alındığında, odaklama sisteminin hassasiyetinin analiz edilmesi gereklidir. Gerçek işlemede anot parçası ile kutup parçası arasında bir boşluk olduğundan, bu boşluğun simülasyonda ayarlanması gerekir. Boşluk değeri 0,2 mm olarak ayarlanmıştır ve Şekil 19a, y yönündeki ışın zarfını ve ışın akımını göstermektedir. Bu sonuç, ışın zarfındaki değişimin önemli olmadığını ve ışın akımının neredeyse hiç değişmediğini göstermektedir. Bu nedenle, sistem montaj hatalarına karşı duyarsızdır. Sürüş voltajındaki dalgalanma için hata aralığı ±0,5 kV olarak ayarlanmıştır. Şekil 19b karşılaştırma sonuçlarını göstermektedir. Voltaj değişiminin ışın zarfı üzerinde çok az etkisi olduğu görülebilir. Manyetik alan şiddetindeki değişiklikler için hata aralığı -0,02 ile +0,03 T arasında ayarlanmıştır. Karşılaştırma sonuçları Şekil 20'de gösterilmektedir. Işın zarfının neredeyse hiç değişmediği görülebilir, bu da tüm EOS'un manyetik alan şiddetindeki değişikliklere karşı duyarsız olduğu anlamına gelir. Alan gücü.
Tekdüze manyetik odaklama sistemi altında ışın zarfı ve akım sonuçları.(a) Montaj toleransı 0,2 mm'dir.(b) Sürüş voltajı dalgalanması ±0,5 kV'dir.
Eksenel manyetik alan şiddeti dalgalanmaları 0,63 ile 0,68 T arasında değişen, düzgün bir manyetik odaklama sistemi altındaki ışın zarfı.
Bu çalışmada tasarlanan odaklama sisteminin HFS ile uyumlu olmasını sağlamak için, odaklama sistemi ve HFS'nin birlikte araştırılması gerekmektedir. Şekil 21, HFS yüklü ve yüklü olmayan durumdaki ışın zarflarının karşılaştırmasını göstermektedir. Sonuçlar, tüm HFS yüklendiğinde ışın zarfının çok fazla değişmediğini göstermektedir. Bu nedenle, odaklama sistemi yukarıdaki tasarıma sahip seyahat dalga tüplü HFS için uygundur.
Bölüm III'te önerilen EOS'un doğruluğunu doğrulamak ve 220 GHz SDV-TWT'nin performansını incelemek için, ışın-dalga etkileşiminin 3 boyutlu PIC simülasyonu gerçekleştirildi. Simülasyon yazılımı sınırlamaları nedeniyle, EOS'un tamamını HFS'ye ekleyemedik. Bu nedenle, elektron tabancası, yukarıda tasarlanan elektron tabancasıyla aynı parametrelere sahip, 0,13 mm çapında ve iki yüzey arasındaki mesafe 0,31 mm olan eşdeğer bir yayıcı yüzeyle değiştirildi. EOS'un duyarsızlığı ve iyi kararlılığı nedeniyle, PIC simülasyonunda en iyi çıkış gücünü elde etmek için sürüş voltajı uygun şekilde optimize edilebilir. Simülasyon sonuçları, 20,6 kV'luk bir sürüş voltajında, 2 × 80 mA (603 A/cm2) ışın akımında ve 0,05 W giriş gücünde doygun çıkış gücü ve kazancın elde edilebileceğini göstermektedir.
En iyi çıkış sinyalini elde etmek için, döngü sayısının da optimize edilmesi gerekir. Şekil 22a'da gösterildiği gibi, iki aşamanın sayısı 42 + 48 döngü olduğunda en iyi çıkış gücü elde edilir. 0,05 W'lık bir giriş sinyali, 38 dB'lik bir kazançla 314 W'a yükseltilir. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) ile elde edilen çıkış gücü spektrumu saftır ve 220 GHz'de tepe noktasına ulaşır. Şekil 22b, SWS'deki elektron enerjisinin eksenel konum dağılımını göstermektedir; elektronların çoğu enerji kaybeder. Bu sonuç, SDV-SWS'nin elektronların kinetik enerjisini RF sinyallerine dönüştürebildiğini ve böylece sinyal yükseltmeyi gerçekleştirebildiğini göstermektedir.
220 GHz'de SDV-SWS çıkış sinyali.(a) Dahil edilen spektrumla birlikte çıkış gücü.(b) SWS ekinde elektron demetinin sonunda elektronların enerji dağılımı.
Şekil 23, çift modlu çift ışınlı SDV-TWT'nin çıkış gücü bant genişliğini ve kazancını göstermektedir. Çıkış performansı, frekansları 200 ila 275 GHz arasında tarayarak ve sürücü voltajını optimize ederek daha da iyileştirilebilir. Bu sonuç, 3 dB bant genişliğinin 205 ila 275 GHz'i kapsayabileceğini göstermektedir; bu da çift modlu çalışmanın çalışma bant genişliğini büyük ölçüde genişletebileceği anlamına gelir.
Ancak, Şekil 2a'ya göre, tek ve çift modlar arasında istenmeyen salınımlara yol açabilecek bir durdurma bandı olduğunu biliyoruz. Bu nedenle, durdurma bantları etrafındaki çalışma kararlılığının incelenmesi gerekmektedir. Şekil 24a-c, sırasıyla 265,3 GHz, 265,35 GHz ve 265,4 GHz'deki 20 ns'lik simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Simülasyon sonuçlarında bazı dalgalanmalar olmasına rağmen, çıkış gücünün nispeten kararlı olduğu görülebilir. Spektrum da sırasıyla Şekil 24'te gösterilmiştir ve spektrum saftır. Bu sonuçlar, durdurma bandı yakınında kendiliğinden salınım olmadığını göstermektedir.
Yüksek frekanslı yapının (HFS) tamamının doğruluğunu doğrulamak için imalat ve ölçüm gereklidir. Bu bölümde, HFS, 0,1 mm takım çapı ve 10 μm işleme hassasiyeti ile bilgisayar kontrollü (CNC) teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Yüksek frekanslı yapı için malzeme, oksijensiz yüksek iletkenliğe sahip (OFHC) bakırdır. Şekil 25a, üretilen yapıyı göstermektedir. Yapının tamamı 66,00 mm uzunluğa, 20,00 mm genişliğe ve 8,66 mm yüksekliğe sahiptir. Yapının etrafına sekiz adet pim deliği dağıtılmıştır. Şekil 25b, yapıyı taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile göstermektedir. Bu yapının bıçakları düzgün bir şekilde üretilmiş ve iyi bir yüzey pürüzlülüğüne sahiptir. Hassas ölçümden sonra, genel işleme hatası %5'ten azdır ve yüzey pürüzlülüğü yaklaşık 0,4 μm'dir. İşlenmiş yapı, tasarım ve hassasiyet gereksinimlerini karşılamaktadır.
Şekil 26, iletim performansının gerçek test sonuçları ve simülasyonları arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir. Şekil 26a'daki Port 1 ve Port 2, sırasıyla HFS'nin giriş ve çıkış portlarına karşılık gelir ve Şekil 3'teki Port 1 ve Port 4'e eşdeğerdir. S11'in gerçek ölçüm sonuçları, simülasyon sonuçlarından biraz daha iyidir. Aynı zamanda, S21'in ölçüm sonuçları biraz daha kötüdür. Bunun nedeni, simülasyonda ayarlanan malzeme iletkenliğinin çok yüksek olması ve gerçek işleme sonrası yüzey pürüzlülüğünün düşük olması olabilir. Genel olarak, ölçüm sonuçları simülasyon sonuçlarıyla iyi bir uyum içindedir ve iletim bant genişliği 70 GHz gereksinimini karşılamaktadır; bu da önerilen çift modlu SDV-TWT'nin uygulanabilirliğini ve doğruluğunu doğrulamaktadır. Bu nedenle, gerçek üretim süreci ve test sonuçlarıyla birlikte, bu makalede önerilen ultra geniş bantlı çift ışınlı SDV-TWT tasarımı, sonraki üretim ve uygulamalar için kullanılabilir.
Bu makalede, düzlemsel dağılımlı 220 GHz çift ışınlı SDV-TWT'nin detaylı tasarımı sunulmaktadır. Çift modlu çalışma ve çift ışınlı uyarımın birleşimi, çalışma bant genişliğini ve çıkış gücünü daha da artırmaktadır. Tüm HFS'nin doğruluğunu doğrulamak için üretim ve soğuk test de gerçekleştirilmiştir. Gerçek ölçüm sonuçları, simülasyon sonuçlarıyla iyi bir uyum göstermektedir. Tasarlanan iki ışınlı EOS için, iki kalem ışını üretmek üzere bir maske bölümü ve kontrol elektrotları birlikte kullanılmıştır. Tasarlanan düzgün odaklama manyetik alanı altında, elektron ışını uzun mesafeler boyunca iyi bir şekil ile kararlı bir şekilde iletilebilir. Gelecekte, EOS'un üretimi ve test edilmesi ve tüm TWT'nin termal testi de gerçekleştirilecektir. Bu makalede önerilen SDV-TWT tasarım şeması, mevcut olgun düzlemsel işleme teknolojisini tamamen birleştirir ve performans göstergeleri ile işleme ve montajda büyük bir potansiyel göstermektedir. Bu nedenle, bu makale, düzlemsel yapının terahertz bandındaki vakum elektronik cihazlarının gelişim trendi olma olasılığının en yüksek olduğunu düşünmektedir.
Bu çalışmada kullanılan ham verilerin ve analitik modellerin çoğu bu makaleye dahil edilmiştir. Daha fazla ilgili bilgi, makul bir talep üzerine ilgili yazardan edinilebilir.
Gamzina, D. ve diğerleri. Sub-terahertz vakum elektroniğinin nano ölçekli CNC işlenmesi. IEEE Trans. elektronik cihazlar. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. ve Paoloni, C. Çok katmanlı SU-8 fotorezist kullanılarak alt-terahertz dalga kılavuzlarının UV-LIGA mikrofabrikasyonu. J. Mikromekanik. Mikroelektronik. 26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS ve diğerleri. 2017 THz teknolojisi yol haritası. J. Physics. D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Ultra geniş bantlı kademeli çift ızgaralı dalga kılavuzları aracılığıyla plazmonik dalga yayılımının güçlü bir şekilde sınırlandırılması.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. ve diğerleri. Nano CNC ile işlenmiş 220 GHz'lik bir seyahat dalga tüpü amplifikatörünün performansı. IEEE Trans. elektronik cihazlar. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ. Makroskopik soğuk akışkan model teorisini kullanarak sonsuz genişlikteki levha elektron ışınlarının diokotron kararsızlığını araştırma. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV, çoklu ışınlı klystronda ışının düzlemsel yerleşimiyle bant genişliğini artırma fırsatı üzerine. 12. IEEE Uluslararası Vakum Elektroniği Konferansı, Bangalore, Hindistan, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ ve diğerleri. W-band kademeli çift bıçaklı seyahat dalga tüpünde dar ışın bölme düzlemi dağılımına sahip üç ışınlı elektron tabancalarının tasarımı[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 W-band temel mod TWT için dar ışın ayrımına sahip düzlemsel dağıtılmış üç ışınlı elektron optik sistemi. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Milimetre Dalga Boylu Levha Işınlarına Sahip İç İçe Geçmiş Çift Bıçaklı Seyahat Dalga Tüpü Üzerine Araştırma 20-22 (Doktora Tezi, Beihang Üniversitesi, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. G-band aralıklı çift bıçaklı seyahat dalga tüpünün ışın-dalga etkileşim kararlılığı üzerine çalışma. 2018 43. Uluslararası Kızılötesi Milimetre ve Terahertz Dalgaları Konferansı, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).