Cảm ơn bạn đã truy cập Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ hạn chế cho CSS. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Trong bài báo này, một ống sóng di chuyển hai lưỡi dao xen kẽ công suất cao băng thông rộng 220 GHz đã được thiết kế và xác minh. Đầu tiên, một cấu trúc sóng chậm hai lưỡi dao so le chùm tia kép phẳng được đề xuất. Bằng cách sử dụng sơ đồ hoạt động chế độ kép, hiệu suất truyền và băng thông gần gấp đôi so với chế độ đơn. Thứ hai, để đáp ứng các yêu cầu về công suất đầu ra cao và cải thiện độ ổn định của ống sóng di chuyển, một hệ thống quang học điện tử hình bút chì kép được thiết kế, điện áp dẫn động là 20 ~ 21 kV và dòng điện là 2 × 80 mA. Mục tiêu thiết kế. Bằng cách sử dụng bộ phận mặt nạ và điện cực điều khiển trong súng chùm tia kép, hai chùm tia bút chì có thể được hội tụ dọc theo tâm tương ứng của chúng với tỷ lệ nén là 7, khoảng cách hội tụ là khoảng 0,18mm và độ ổn định tốt. Hệ thống hội tụ từ tính đồng đều cũng đã được tối ưu hóa. Khoảng cách truyền ổn định của chùm electron kép phẳng có thể đạt tới 45 mm và từ trường hội tụ là 0,6 T, đủ để bao phủ toàn bộ hệ thống tần số cao (HFS). Sau đó, để kiểm chứng tính khả dụng của hệ thống quang điện tử và hiệu suất của cấu trúc sóng chậm, mô phỏng tế bào hạt (PIC) cũng được thực hiện trên toàn bộ HFS. Kết quả cho thấy hệ thống tương tác chùm tia có thể đạt công suất đầu ra cực đại gần 310 W ở 220 GHz, điện áp chùm tia tối ưu là 20,6 kV, dòng chùm tia là 2 × 80 mA, độ khuếch đại là 38 dB và băng thông 3 dB vượt quá 35 dB khoảng 70 GHz. Cuối cùng, chế tạo cấu trúc vi mô có độ chính xác cao được thực hiện để kiểm chứng hiệu suất của HFS và kết quả cho thấy đặc tính băng thông và truyền dẫn phù hợp tốt với kết quả mô phỏng. Do đó, sơ đồ được đề xuất trong bài báo này kỳ vọng sẽ phát triển các nguồn bức xạ băng tần terahertz siêu rộng, công suất cao có tiềm năng ứng dụng trong tương lai.
Là một thiết bị điện tử chân không truyền thống, ống sóng chạy (TWT) đóng vai trò không thể thay thế trong nhiều ứng dụng như radar độ phân giải cao, hệ thống thông tin vệ tinh và thám hiểm không gian1,2,3. Tuy nhiên, khi tần số hoạt động bước vào băng tần terahertz, TWT khoang ghép truyền thống và TWT xoắn ốc không thể đáp ứng được nhu cầu của mọi người do công suất đầu ra tương đối thấp, băng thông hẹp và quy trình sản xuất khó khăn. Do đó, làm thế nào để cải thiện toàn diện hiệu suất của băng tần THz đã trở thành vấn đề rất đáng quan tâm đối với nhiều viện nghiên cứu khoa học. Trong những năm gần đây, các cấu trúc sóng chậm (SWS) mới, chẳng hạn như cấu trúc cánh kép so le (SDV) và cấu trúc ống dẫn sóng gấp (FW), đã nhận được sự quan tâm rộng rãi do cấu trúc phẳng tự nhiên của chúng, đặc biệt là SDV-SWS mới có tiềm năng đầy hứa hẹn. Cấu trúc này được UC-Davis đề xuất vào năm 20084. Cấu trúc phẳng có thể dễ dàng chế tạo bằng các kỹ thuật xử lý micro-nano như điều khiển số bằng máy tính (CNC) và UV-LIGA, cấu trúc gói hoàn toàn bằng kim loại có thể cung cấp dung lượng nhiệt lớn hơn với công suất đầu ra và độ khuếch đại cao hơn, và cấu trúc giống như ống dẫn sóng cũng có thể cung cấp băng thông làm việc rộng hơn. Hiện tại, UC Davis đã chứng minh lần đầu tiên vào năm 2017 rằng SDV-TWT có thể tạo ra công suất đầu ra cao vượt quá 100 W và tín hiệu băng thông gần 14 GHz trong băng tần G5. Tuy nhiên, những kết quả này vẫn còn những khoảng cách không thể đáp ứng các yêu cầu liên quan về công suất cao và băng thông rộng trong băng tần terahertz. Đối với SDV-TWT băng tần G của UC-Davis, các chùm electron tấm đã được sử dụng. Mặc dù sơ đồ này có thể cải thiện đáng kể khả năng dẫn dòng của chùm tia, nhưng rất khó để duy trì khoảng cách truyền dài do hệ thống quang học electron chùm tia tấm (EOS) không ổn định và có một đường hầm chùm tia quá chế độ, điều này cũng có thể khiến chùm tia tự điều chỉnh. – Kích thích và dao động 6,7. Để đáp ứng các yêu cầu về công suất đầu ra cao, băng thông rộng và độ ổn định tốt của THz TWT, một SDV-SWS chùm kép với hoạt động chế độ kép được đề xuất trong bài báo này. Nghĩa là, để tăng băng thông hoạt động, hoạt động chế độ kép được đề xuất và giới thiệu trong cấu trúc này. Và, để tăng công suất đầu ra, một phân phối phẳng của các chùm tia bút chì đôi cũng được sử dụng. Các đài phát thanh chùm tia bút chì đơn tương đối nhỏ do hạn chế về kích thước theo chiều dọc. Nếu mật độ dòng điện quá cao, dòng tia phải được giảm xuống, dẫn đến công suất đầu ra tương đối thấp. Để cải thiện dòng tia, EOS đa chùm phân bố phẳng đã xuất hiện, khai thác kích thước bên của SWS. Do hiệu ứng đường hầm chùm độc lập, đa chùm phân bố phẳng có thể đạt được công suất đầu ra cao bằng cách duy trì tổng dòng tia cao và dòng điện nhỏ trên mỗi chùm, có thể tránh hiệu ứng đường hầm chùm quá mức so với các thiết bị chùm tấm. Do đó, việc duy trì độ ổn định của ống sóng truyền là có lợi. Dựa trên các công trình trước đây8,9, Bài báo này đề xuất một chùm tia bút chì đôi hội tụ từ trường đồng nhất băng tần G EOS, có thể cải thiện đáng kể khoảng cách truyền ổn định của chùm tia và tăng thêm diện tích tương tác của chùm tia, do đó cải thiện đáng kể công suất đầu ra.
Cấu trúc của bài báo này như sau. Đầu tiên, thiết kế ô SWS với các thông số, phân tích đặc tính phân tán và kết quả mô phỏng tần số cao được mô tả. Sau đó, theo cấu trúc của ô đơn vị, một chùm tia bút chì đôi EOS và hệ thống tương tác chùm tia được thiết kế trong bài báo này. Kết quả mô phỏng hạt nội bào cũng được trình bày để xác minh khả năng sử dụng của EOS và hiệu suất của SDV-TWT. Ngoài ra, bài báo trình bày tóm tắt về kết quả chế tạo và thử nghiệm lạnh để xác minh tính chính xác của toàn bộ HFS. Cuối cùng là tóm tắt.
Là một trong những thành phần quan trọng nhất của TWT, các tính chất phân tán của cấu trúc sóng chậm chỉ ra liệu vận tốc electron có khớp với vận tốc pha của SWS hay không và do đó có ảnh hưởng lớn đến tương tác chùm-sóng. Để cải thiện hiệu suất của toàn bộ TWT, một cấu trúc tương tác được cải tiến đã được thiết kế. Cấu trúc của ô đơn vị được thể hiện trong Hình 1. Xem xét sự bất ổn định của chùm tấm và giới hạn công suất của chùm bút đơn, cấu trúc áp dụng chùm bút đôi để cải thiện hơn nữa công suất đầu ra và độ ổn định hoạt động. Trong khi đó, để tăng băng thông làm việc, một chế độ kép đã được đề xuất để SWS hoạt động. Do tính đối xứng của cấu trúc SDV, giải pháp của phương trình phân tán trường điện từ có thể được chia thành các chế độ lẻ và chẵn. Đồng thời, chế độ lẻ cơ bản của băng tần thấp và chế độ chẵn cơ bản của băng tần cao được sử dụng để nhận ra sự đồng bộ hóa băng thông rộng của tương tác chùm, do đó cải thiện hơn nữa băng thông làm việc.
Theo yêu cầu về công suất, toàn bộ ống được thiết kế với điện áp dẫn động là 20 kV và dòng điện chùm đôi là 2 × 80 mA. Để phù hợp điện áp càng gần với băng thông hoạt động của SDV-SWS càng tốt, chúng ta cần tính toán độ dài của chu kỳ p. Mối quan hệ giữa điện áp chùm và chu kỳ được thể hiện trong phương trình (1)10:
Bằng cách đặt độ lệch pha thành 2,5π ở tần số trung tâm là 220 GHz, chu kỳ p có thể được tính là 0,46 mm. Hình 2a cho thấy các đặc tính phân tán của ô đơn vị SWS. Đường chùm tia 20 kV khớp với đường cong bimodal rất tốt. Các dải tần số khớp có thể đạt khoảng 70 GHz trong phạm vi 210–265,3 GHz (chế độ lẻ) và 265,4–280 GHz (chế độ chẵn). Hình 2b cho thấy trở kháng ghép nối trung bình lớn hơn 0,6 Ω từ 210 đến 290 GHz, cho thấy có thể xảy ra tương tác mạnh trong băng thông hoạt động.
(a) Đặc tính phân tán của SDV-SWS chế độ kép với đường chùm tia điện tử 20 kV. (b) Trở kháng tương tác của mạch sóng chậm SDV.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là có một khoảng cách băng tần giữa chế độ lẻ và chế độ chẵn, và chúng ta thường gọi khoảng cách băng tần này là băng tần dừng, như thể hiện trong Hình 2a. Nếu TWT được vận hành gần băng tần này, cường độ ghép chùm tia mạnh có thể xảy ra, dẫn đến dao động không mong muốn. Trong các ứng dụng thực tế, chúng ta thường tránh sử dụng TWT gần băng tần dừng. Tuy nhiên, có thể thấy rằng khoảng cách băng tần của cấu trúc sóng chậm này chỉ là 0,1 GHz. Thật khó để xác định liệu khoảng cách băng tần nhỏ này có gây ra dao động hay không. Do đó, tính ổn định của hoạt động xung quanh băng tần dừng sẽ được nghiên cứu trong phần mô phỏng PIC sau đây để phân tích xem liệu dao động không mong muốn có thể xảy ra hay không.
Mô hình của toàn bộ HFS được thể hiện trong Hình 3. Nó bao gồm hai giai đoạn của SDV-SWS, được kết nối bằng các phản xạ Bragg. Chức năng của phản xạ là cắt đứt sự truyền tín hiệu giữa hai giai đoạn, ngăn chặn sự dao động và phản xạ của các chế độ không hoạt động như các chế độ bậc cao được tạo ra giữa các cánh trên và dưới, do đó cải thiện đáng kể độ ổn định của toàn bộ ống. Để kết nối với môi trường bên ngoài, một bộ ghép nối côn tuyến tính cũng được sử dụng để kết nối SWS với ống dẫn sóng tiêu chuẩn WR-4. Hệ số truyền của cấu trúc hai mức được đo bằng bộ giải miền thời gian trong phần mềm mô phỏng 3D. Xem xét tác động thực tế của dải terahertz lên vật liệu, vật liệu của lớp vỏ chân không ban đầu được đặt thành đồng và độ dẫn điện giảm xuống còn 2,25×107 S/m12.
Hình 4 cho thấy kết quả truyền dẫn cho HFS có và không có bộ ghép tuyến tính thuôn nhọn. Kết quả cho thấy bộ ghép có ít ảnh hưởng đến hiệu suất truyền dẫn của toàn bộ HFS. Suy hao phản hồi (S11 < − 10 dB) và suy hao chèn (S21 > − 5 dB) của toàn bộ hệ thống trong băng thông rộng 207~280 GHz cho thấy HFS có đặc tính truyền dẫn tốt.
Là nguồn cung cấp điện cho các thiết bị điện tử chân không, súng điện tử xác định trực tiếp xem thiết bị có thể tạo ra đủ công suất đầu ra hay không. Kết hợp với phân tích HFS trong Phần II, cần thiết kế một EOS chùm kép để cung cấp đủ công suất. Trong phần này, dựa trên công trình trước đây trong W-band8,9, một súng điện tử bút chì kép được thiết kế bằng cách sử dụng một phần mặt nạ phẳng và các điện cực điều khiển. Đầu tiên, theo các yêu cầu thiết kế của SWS trong Phần. Như thể hiện trong HÌNH. 2, điện áp dẫn động Ua của chùm tia điện tử ban đầu được đặt thành 20 kV, dòng điện I của hai chùm tia điện tử đều là 80 mA và đường kính chùm tia dw của chùm tia điện tử là 0,13 mm. Đồng thời, để đảm bảo mật độ dòng điện của chùm tia điện tử và cực âm có thể đạt được, tỷ số nén của chùm tia điện tử được đặt thành 7, do đó mật độ dòng điện của chùm tia điện tử là 603 A/cm2 và mật độ dòng điện của cực âm là 86 A/cm2, có thể đạt được bằng cách này bằng cách sử dụng vật liệu cực âm mới. Theo lý thuyết thiết kế 14, 15, 16, 17, có thể xác định duy nhất một súng điện tử Pierce điển hình.
Hình 5 cho thấy sơ đồ nguyên lý nằm ngang và thẳng đứng của súng. Có thể thấy rằng hình dạng của súng điện tử theo hướng x gần giống với hình dạng của súng điện tử dạng tấm thông thường, trong khi theo hướng y, hai chùm tia điện tử được tách biệt một phần bởi mặt nạ. Vị trí của hai catốt lần lượt là x = – 0,155 mm, y = 0 mm và x = 0,155 mm, y = 0 mm. Theo yêu cầu thiết kế về tỷ số nén và kích thước phun electron, kích thước của hai bề mặt catốt được xác định là 0,91 mm × 0,13 mm.
Để làm cho trường điện hội tụ mà mỗi chùm electron nhận được theo hướng x đối xứng quanh tâm của chính nó, bài báo này áp dụng một điện cực điều khiển cho súng electron. Bằng cách đặt điện áp của điện cực hội tụ và điện cực điều khiển thành −20 kV và điện áp của anot thành 0 V, chúng ta có thể thu được phân bố quỹ đạo của súng chùm kép, như thể hiện trong Hình 6. Có thể thấy rằng các electron phát ra có độ nén tốt theo hướng y và mỗi chùm electron hội tụ về hướng x dọc theo tâm đối xứng của riêng nó, điều này chỉ ra rằng điện cực điều khiển cân bằng trường điện không bằng nhau do điện cực hội tụ tạo ra.
Hình 7 cho thấy đường bao chùm tia theo hướng x và y. Kết quả cho thấy khoảng cách chiếu của chùm tia điện tử theo hướng x khác với khoảng cách chiếu theo hướng y. Khoảng cách ném theo hướng x là khoảng 4mm và khoảng cách ném theo hướng y gần bằng 7mm. Do đó, khoảng cách ném thực tế nên được chọn trong khoảng từ 4 đến 7 mm. Hình 8 cho thấy mặt cắt ngang của chùm tia điện tử ở cách bề mặt cực âm 4,6 mm. Chúng ta có thể thấy rằng hình dạng của mặt cắt ngang gần nhất với chùm tia điện tử tròn tiêu chuẩn. Khoảng cách giữa hai chùm tia điện tử gần với 0,31 mm được thiết kế và bán kính khoảng 0,13 mm, đáp ứng được yêu cầu thiết kế. Hình 9 cho thấy kết quả mô phỏng dòng điện của chùm tia. Có thể thấy rằng hai dòng điện của chùm tia là 76mA, phù hợp với 80mA được thiết kế.
Xét đến sự biến động của điện áp dẫn động trong các ứng dụng thực tế, cần phải nghiên cứu độ nhạy điện áp của mô hình này. Trong dải điện áp 19,8 ~ 20,6 kV, các đường bao dòng điện và dòng điện chùm thu được như thể hiện trong Hình 1 và Hình 1.10 và 11. Từ các kết quả, có thể thấy rằng sự thay đổi của điện áp dẫn động không ảnh hưởng đến đường bao chùm chùm electron và dòng điện chùm electron chỉ thay đổi từ 0,74 đến 0,78 A. Do đó, có thể coi rằng súng electron được thiết kế trong bài báo này có độ nhạy tốt với điện áp.
Tác động của biến động điện áp lái lên đường bao chùm tia theo hướng x và y.
Trường hội tụ từ đồng nhất là hệ thống hội tụ nam châm vĩnh cửu phổ biến. Do sự phân bố trường từ đồng nhất trên toàn bộ kênh chùm tia, nên nó rất phù hợp với chùm tia điện tử trục đối xứng. Trong phần này, một hệ thống hội tụ từ đồng nhất để duy trì truyền dẫn đường dài của chùm tia bút chì đôi được đề xuất. Bằng cách phân tích trường từ và vỏ chùm tia được tạo ra, sơ đồ thiết kế của hệ thống hội tụ được đề xuất và vấn đề độ nhạy được nghiên cứu. Theo lý thuyết truyền dẫn ổn định của chùm tia bút chì đơn18,19, giá trị trường từ Brillouin có thể được tính bằng phương trình (2). Trong bài báo này, chúng tôi cũng sử dụng sự tương đương này để ước tính trường từ của chùm tia bút chì đôi phân bố theo chiều ngang. Kết hợp với súng điện tử được thiết kế trong bài báo này, giá trị trường từ được tính toán là khoảng 4000 Gs. Theo Tài liệu tham khảo 20, trong các thiết kế thực tế, thường chọn 1,5-2 lần giá trị được tính toán.
Hình 12 cho thấy cấu trúc của một hệ thống trường hội tụ từ trường đồng nhất. Phần màu xanh là nam châm vĩnh cửu được từ hóa theo hướng trục. Vật liệu được lựa chọn là NdFeB hoặc FeCoNi. Độ từ dư Br được đặt trong mô hình mô phỏng là 1,3 T và độ từ thẩm là 1,05. Để đảm bảo truyền chùm tia ổn định trong toàn bộ mạch, chiều dài của nam châm ban đầu được đặt thành 70 mm. Ngoài ra, kích thước của nam châm theo hướng x xác định xem từ trường ngang trong kênh chùm tia có đồng nhất hay không, điều này đòi hỏi kích thước theo hướng x không được quá nhỏ. Đồng thời, khi xem xét đến chi phí và trọng lượng của toàn bộ ống, kích thước của nam châm không được quá lớn. Do đó, ban đầu các nam châm được đặt thành 150 mm × 150 mm × 70 mm. Trong khi đó, để đảm bảo có thể đặt toàn bộ mạch sóng chậm trong hệ thống hội tụ, khoảng cách giữa các nam châm được đặt thành 20mm.
Năm 2015, Purna Chandra Panda21 đã đề xuất một mảnh cực có lỗ bậc mới trong hệ thống hội tụ từ tính đồng nhất, có thể làm giảm thêm độ lớn rò rỉ từ thông đến cực âm và từ trường ngang được tạo ra tại lỗ mảnh cực. Trong bài báo này, chúng tôi thêm một cấu trúc bậc vào mảnh cực của hệ thống hội tụ. Độ dày của mảnh cực ban đầu được đặt thành 1,5mm, chiều cao và chiều rộng của ba bậc là 0,5mm và khoảng cách giữa các lỗ mảnh cực là 2mm, như thể hiện trong Hình 13.
Hình 14a cho thấy sự phân bố từ trường dọc theo các đường tâm của hai chùm electron. Có thể thấy rằng các lực từ trường dọc theo hai chùm electron là bằng nhau. Giá trị từ trường khoảng 6000 Gs, gấp 1,5 lần trường Brillouin lý thuyết để tăng hiệu suất truyền và hội tụ. Đồng thời, từ trường tại catốt gần bằng 0, cho thấy rằng miếng cực có tác dụng tốt trong việc ngăn ngừa rò rỉ từ thông. Hình 14b cho thấy sự phân bố từ trường ngang Theo hướng z tại cạnh trên của hai chùm electron. Có thể thấy rằng từ trường ngang chỉ nhỏ hơn 200 Gs tại lỗ miếng cực, trong khi trong mạch sóng chậm, từ trường ngang gần bằng 0, điều này chứng tỏ rằng ảnh hưởng của từ trường ngang lên chùm electron là không đáng kể. Để ngăn ngừa bão hòa từ của các miếng cực, cần phải nghiên cứu cường độ từ trường bên trong các miếng cực. Hình 14c cho thấy giá trị tuyệt đối của sự phân bố từ trường bên trong miếng cực. Nó có thể có thể thấy rằng giá trị tuyệt đối của cường độ từ trường nhỏ hơn 1,2T, chứng tỏ hiện tượng bão hòa từ của cực từ sẽ không xảy ra.
Phân bố cường độ từ trường đối với Br = 1,3 T.(a) Phân bố từ trường dọc trục.(b) Phân bố từ trường bên By theo hướng z.(c) Giá trị tuyệt đối của phân bố từ trường bên trong phần cực.
Dựa trên mô-đun CST PS, vị trí tương đối theo trục của súng chùm tia kép và hệ thống hội tụ được tối ưu hóa. Theo Tài liệu tham khảo 9 và các mô phỏng, vị trí tối ưu là nơi mảnh anode chồng lên mảnh cực cách xa nam châm. Tuy nhiên, người ta thấy rằng nếu độ từ dư được đặt thành 1,3T, độ truyền qua của chùm electron không thể đạt tới 99%. Bằng cách tăng độ từ dư lên 1,4 T, từ trường hội tụ sẽ tăng lên 6500 Gs. Quỹ đạo chùm tia trên các mặt phẳng xoz và yoz được thể hiện trong Hình 15. Có thể thấy rằng chùm tia có độ truyền tốt, dao động nhỏ và khoảng cách truyền lớn hơn 45mm.
Quỹ đạo của chùm tia bút chì đôi dưới hệ thống từ tính đồng nhất với Br = 1,4 T.(a) xoz máy bay.(b) yoz máy bay.
Hình 16 cho thấy mặt cắt ngang của chùm tia ở các vị trí khác nhau tính từ catốt. Có thể thấy rằng hình dạng của phần chùm tia trong hệ thống hội tụ được duy trì tốt và đường kính phần không thay đổi nhiều. Hình 17 cho thấy các bao chùm tia theo hướng x và y tương ứng. Có thể thấy rằng sự dao động của chùm tia theo cả hai hướng là rất nhỏ. Hình 18 cho thấy kết quả mô phỏng dòng điện của chùm tia. Kết quả cho thấy dòng điện là khoảng 2 × 80 mA, phù hợp với giá trị tính toán trong thiết kế súng điện tử.
Tiết diện chùm electron (có hệ thống hội tụ) ở các vị trí khác nhau tính từ catốt.
Xét đến một loạt các vấn đề như lỗi lắp ráp, dao động điện áp và thay đổi cường độ từ trường trong các ứng dụng xử lý thực tế, cần phải phân tích độ nhạy của hệ thống hội tụ. Vì có một khe hở giữa mảnh anot và mảnh cực trong quá trình xử lý thực tế, nên khe hở này cần được thiết lập trong mô phỏng. Giá trị khe hở được đặt thành 0,2 mm và Hình 19a cho thấy đường bao chùm tia và dòng điện chùm tia theo hướng y. Kết quả này cho thấy sự thay đổi trong đường bao chùm tia không đáng kể và dòng điện chùm tia hầu như không thay đổi. Do đó, hệ thống không nhạy cảm với các lỗi lắp ráp. Đối với sự dao động của điện áp dẫn động, phạm vi lỗi được đặt thành ±0,5 kV. Hình 19b cho thấy kết quả so sánh. Có thể thấy rằng sự thay đổi điện áp có ít tác động đến đường bao chùm tia. Phạm vi lỗi được đặt từ -0,02 đến +0,03 T đối với những thay đổi về cường độ từ trường. Kết quả so sánh được thể hiện trong Hình 20. Có thể thấy rằng đường bao chùm tia hầu như không thay đổi, điều này có nghĩa là toàn bộ EOS không nhạy cảm với những thay đổi về cường độ từ trường.
Vỏ chùm tia và dòng điện tạo ra dưới hệ thống hội tụ từ tính đồng nhất. (a) Dung sai lắp ráp là 0,2 mm. (b) Biến động điện áp dẫn động là ±0,5 kV.
Vỏ chùm tia dưới hệ thống hội tụ từ tính đồng nhất với cường độ từ trường dọc trục dao động từ 0,63 đến 0,68 T.
Để đảm bảo hệ thống hội tụ được thiết kế trong bài báo này có thể phù hợp với HFS, cần phải kết hợp hệ thống hội tụ và HFS để nghiên cứu. Hình 21 cho thấy sự so sánh giữa các vỏ chùm tia có và không có HFS được tải. Kết quả cho thấy vỏ chùm tia không thay đổi nhiều khi toàn bộ HFS được tải. Do đó, hệ thống hội tụ phù hợp với HFS ống sóng lan truyền của thiết kế trên.
Để xác minh tính đúng đắn của EOS được đề xuất trong Phần III và nghiên cứu hiệu suất của SDV-TWT 220 GHz, một mô phỏng 3D-PIC về tương tác chùm-sóng đã được thực hiện. Do hạn chế của phần mềm mô phỏng, chúng tôi không thể thêm toàn bộ EOS vào HFS. Do đó, súng điện tử đã được thay thế bằng một bề mặt phát xạ tương đương có đường kính 0,13mm và khoảng cách giữa hai bề mặt là 0,31mm, các thông số giống như súng điện tử được thiết kế ở trên. Do EOS không nhạy và có độ ổn định tốt, điện áp dẫn động có thể được tối ưu hóa hợp lý để đạt được công suất đầu ra tốt nhất trong mô phỏng PIC. Kết quả mô phỏng cho thấy công suất đầu ra bão hòa và độ khuếch đại có thể đạt được ở điện áp dẫn động là 20,6 kV, dòng chùm là 2 × 80 mA (603 A/cm2) và công suất đầu vào là 0,05 W.
Để có được tín hiệu đầu ra tốt nhất, số chu kỳ cũng cần được tối ưu hóa. Công suất đầu ra tốt nhất thu được khi số lượng hai giai đoạn là 42 + 48 chu kỳ, như thể hiện trong Hình 22a. Tín hiệu đầu vào 0,05 W được khuếch đại thành 314 W với độ khuếch đại 38 dB. Phổ công suất đầu ra thu được bằng Biến đổi Fourier nhanh (FFT) là thuần túy, đạt đỉnh ở 220 GHz. Hình 22b cho thấy sự phân bố vị trí trục của năng lượng electron trong SWS, với hầu hết các electron bị mất năng lượng. Kết quả này chỉ ra rằng SDV-SWS có thể chuyển đổi động năng của electron thành tín hiệu RF, do đó thực hiện khuếch đại tín hiệu.
Tín hiệu đầu ra SDV-SWS ở 220 GHz. (a) Công suất đầu ra với phổ bao gồm. (b) Phân bố năng lượng của các electron với chùm electron ở cuối phần chèn SWS.
Hình 23 cho thấy băng thông công suất đầu ra và độ khuếch đại của SDV-TWT chùm kép chế độ kép. Hiệu suất đầu ra có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách quét tần số từ 200 đến 275 GHz và tối ưu hóa điện áp truyền động. Kết quả này cho thấy băng thông 3 dB có thể phủ sóng 205 đến 275 GHz, điều này có nghĩa là hoạt động ở chế độ kép có thể mở rộng đáng kể băng thông hoạt động.
Tuy nhiên, theo Hình 2a, chúng ta biết rằng có một dải dừng giữa chế độ lẻ và chế độ chẵn, có thể dẫn đến dao động không mong muốn. Do đó, cần nghiên cứu độ ổn định công việc xung quanh các điểm dừng. Hình 24a-c lần lượt là kết quả mô phỏng 20 ns ở 265,3 GHz, 265,35 GHz và 265,4 GHz. Có thể thấy rằng mặc dù kết quả mô phỏng có một số biến động, nhưng công suất đầu ra tương đối ổn định. Phổ cũng được hiển thị trong Hình 24 tương ứng, phổ là thuần túy. Những kết quả này chỉ ra rằng không có dao động tự thân gần dải dừng.
Chế tạo và đo lường là cần thiết để xác minh tính chính xác của toàn bộ HFS. Trong phần này, HFS được chế tạo bằng công nghệ điều khiển số bằng máy tính (CNC) với đường kính dụng cụ là 0,1 mm và độ chính xác gia công là 10 μm. Vật liệu cho cấu trúc tần số cao được cung cấp bởi đồng dẫn điện cao không có oxy (OFHC). Hình 25a cho thấy cấu trúc được chế tạo. Toàn bộ cấu trúc có chiều dài 66,00 mm, chiều rộng 20,00 mm và chiều cao 8,66 mm. Tám lỗ chốt được phân bổ xung quanh cấu trúc. Hình 25b cho thấy cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các lưỡi của cấu trúc này được sản xuất đồng đều và có độ nhám bề mặt tốt. Sau khi đo chính xác, sai số gia công tổng thể nhỏ hơn 5% và độ nhám bề mặt khoảng 0,4μm. Cấu trúc gia công đáp ứng các yêu cầu về thiết kế và độ chính xác.
Hình 26 cho thấy sự so sánh giữa kết quả thử nghiệm thực tế và mô phỏng hiệu suất truyền. Cổng 1 và Cổng 2 trong Hình 26a tương ứng với các cổng đầu vào và đầu ra của HFS và tương đương với Cổng 1 và Cổng 4 trong Hình 3. Kết quả đo thực tế của S11 tốt hơn một chút so với kết quả mô phỏng. Đồng thời, kết quả đo được của S21 kém hơn một chút. Nguyên nhân có thể là do độ dẫn điện của vật liệu được đặt trong mô phỏng quá cao và độ nhám bề mặt sau khi gia công thực tế kém. Nhìn chung, các kết quả đo được phù hợp tốt với kết quả mô phỏng và băng thông truyền đạt yêu cầu 70 GHz, điều này xác minh tính khả thi và tính chính xác của SDV-TWT chế độ kép được đề xuất. Do đó, kết hợp với quy trình chế tạo thực tế và kết quả thử nghiệm, thiết kế SDV-TWT chùm kép băng thông cực rộng được đề xuất trong bài báo này có thể được sử dụng cho các ứng dụng và chế tạo tiếp theo.
Trong bài báo này, một thiết kế chi tiết của một SDV-TWT chùm kép 220 GHz phân phối phẳng được trình bày. Sự kết hợp của hoạt động chế độ kép và kích thích chùm kép làm tăng thêm băng thông hoạt động và công suất đầu ra. Quá trình chế tạo và thử nghiệm lạnh cũng được thực hiện để xác minh tính chính xác của toàn bộ HFS. Các kết quả đo thực tế phù hợp tốt với kết quả mô phỏng. Đối với EOS hai chùm được thiết kế, một phần mặt nạ và các điện cực điều khiển đã được sử dụng cùng nhau để tạo ra chùm hai bút chì. Dưới từ trường hội tụ đồng đều được thiết kế, chùm electron có thể được truyền ổn định trên những khoảng cách xa với hình dạng tốt. Trong tương lai, việc sản xuất và thử nghiệm EOS sẽ được thực hiện và thử nghiệm nhiệt của toàn bộ TWT cũng sẽ được thực hiện. Sơ đồ thiết kế SDV-TWT được đề xuất trong bài báo này kết hợp đầy đủ công nghệ xử lý mặt phẳng trưởng thành hiện tại và cho thấy tiềm năng lớn về chỉ số hiệu suất cũng như xử lý và lắp ráp. Do đó, bài báo này tin rằng cấu trúc phẳng rất có thể sẽ trở thành xu hướng phát triển của các thiết bị điện tử chân không trong băng tần terahertz.
Hầu hết dữ liệu thô và mô hình phân tích trong nghiên cứu này đã được đưa vào bài báo này. Có thể lấy thêm thông tin có liên quan từ tác giả liên hệ theo yêu cầu hợp lý.
Gamzina, D. et al.Gia công CNC ở quy mô nano của thiết bị điện tử chân không dưới terahertz.Thiết bị điện tử IEEE Trans.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. và Paoloni, C. Chế tạo vi mô UV-LIGA của các ống dẫn sóng dưới terahertz bằng cách sử dụng chất cản quang SU-8 nhiều lớp.J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 Lộ trình công nghệ THz.J. Vật lý.D để áp dụng.vật lý.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Sự hạn chế mạnh mẽ của sự lan truyền sóng plasmon thông qua các ống dẫn sóng lưới đôi so le băng thông cực rộng.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al.Hiệu suất của bộ khuếch đại ống sóng di chuyển 220 GHz được gia công bằng máy CNC Nano.Thiết bị điện tử IEEE Trans.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Nghiên cứu sự bất ổn định diocotron của chùm electron tấm vô hạn rộng bằng cách sử dụng lý thuyết mô hình chất lỏng lạnh vĩ mô. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV về cơ hội tăng băng thông bằng cách bố trí chùm tia theo mặt phẳng trong klystron đa chùm tia. Trong Hội nghị quốc tế IEEE lần thứ 12 về điện tử chân không, Bangalore, Ấn Độ, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Thiết kế súng điện tử ba chùm tia với phân bố mặt phẳng tách chùm hẹp trong ống sóng di chuyển hai cánh so le băng tần W[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 Hệ thống quang học điện tử ba chùm phân tán phẳng với độ tách chùm hẹp cho chế độ cơ bản băng tần W TWT.IEEE Trans.thiết bị điện tử.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Nghiên cứu về ống sóng di chuyển hai cánh xen kẽ với dầm tấm sóng milimet 20-22 (Tiến sĩ, Đại học Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Nghiên cứu về độ ổn định tương tác chùm sóng của ống sóng di chuyển hai cánh xen kẽ băng tần G. Hội nghị quốc tế lần thứ 43 về sóng hồng ngoại milimét và Terahertz năm 2018, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).