Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được 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.
Bài báo này trình bày thiết kế và kiểm chứng một ống sóng truyền kép xen kẽ công suất cao băng thông rộng 220GHz. Đầu tiên, một cấu trúc sóng chậm kép phẳng, chùm tia kép so le, hai lưỡi được đề xuất. Bằng cách sử dụng sơ đồ hoạt động chế độ kép, hiệu suất truyền dẫn và băng thông gần gấp đôi so với chế độ đơn. Thứ hai, để đáp ứng yêu cầu về công suất đầu ra cao và cải thiện độ ổn định của ống sóng truyền, một hệ thống quang điện tử hình bút chì kép được thiết kế, điện áp điều khiển là 20~21 kV và dòng điện là 2 × 80 mA. Mục tiêu thiết kế: Bằng cách sử dụng phần 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 khoảng 0,18mm và độ ổn định tốt. Hệ thống hội tụ từ tính đồng nhất cũng đã được tối ưu hóa. Khoảng cách truyền ổn định của chùm tia điện tử 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, các 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 tần số 220 GHz, điện áp chùm tia tối ưu là 20,6 kV, dòng điện chùm tia là 2 × 80 mA, độ khuếch đại là 38 dB và băng thông 3 dB vượt quá 35 dB ở khoảng 70 GHz. Cuối cùng, việc chế tạo cấu trúc vi mô độ chính xác cao được thực hiện để kiểm chứng hiệu suất của HFS, và kết quả cho thấy băng thông và đặc tính truyền dẫn phù hợp tốt với kết quả mô phỏng. Do đó, phương án được đề xuất trong bài báo này được kỳ vọng sẽ phát triển các nguồn bức xạ băng tần terahertz công suất cao, siêu băng thông rộng với tiềm năng ứng dụng trong tương lai.
Là một thiết bị điện tử chân không truyền thống, ống sóng truyền (TWT) đóng vai trò không thể thiếu trong nhiều ứng dụng như radar độ phân giải cao, hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh và thám hiểm không gian1,2,3. Tuy nhiên, khi tần số hoạt động bước vào dải terahertz, TWT khoang ghép nối truyền thống và TWT xoắn ốc không thể đáp ứng được nhu cầu của người dùng 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 dải THz đã trở thành một vấn đề được nhiều viện nghiên cứu khoa học quan tâm. Trong những năm gần đây, các cấu trúc sóng chậm (SWS) mới, chẳng hạn như cấu trúc lưỡi kép so le (SDV) và cấu trúc ống dẫn sóng gấp (FW), đã nhận được sự chú ý rộng rãi do cấu trúc phẳng tự nhiên của chúng, đặc biệt là SDV-SWS mới với 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 vi mô-nano như điều khiển số bằng máy tính (CNC) và UV-LIGA, cấu trúc đóng gói hoàn toàn bằng kim loại có thể cung cấp dung lượng nhiệt lớn hơn với đầu ra cao hơn. Công suất và độ khuếch đại, và cấu trúc giống như ống dẫn sóng cũng có thể cung cấp băng thông hoạt động rộng hơn. Hiện tại, UC Davis đã lần đầu tiên chứng minh 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 thiếu sót, không thể đáp ứng các yêu cầu liên quan đến công suất cao và băng thông rộng trong băng tần terahertz. Đối với SDV-TWT băng tần G của UC-Davis, chùm tia điện tử dạng tấm đã được sử dụng. Mặc dù phương án này có thể cải thiện đáng kể khả năng mang dòng điện của chùm tia, nhưng rất khó duy trì khoảng cách truyền dài do sự không ổn định của hệ thống quang học điện tử chùm tia dạng tấm (EOS), và có hiện tượng đường hầm chùm tia quá mức, 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, bài báo này đề xuất một SDV-SWS chùm kép với hoạt động chế độ kép. Cụ thể, 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, sự phân bố phẳng của hai chùm tia bút chì cũng được sử dụng. Các radio 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 điện chùm tia phải được giảm, dẫn đến công suất đầu ra tương đối thấp. Để cải thiện dòng điện chùm tia, EOS đa chùm phân bố phẳng đã xuất hiện, khai thác kích thước ngang của SWS. Do sự xuyên hầm chùm tia độc lập, đa chùm phân bố phẳng có thể đạt được công suất đầu ra cao bằng cách duy trì tổng dòng điện chùm tia cao và dòng điện nhỏ trên mỗi chùm tia, có thể tránh được hiện tượng xuyên hầm chùm tia quá mức so với các thiết bị chùm tia dạng tấm. Do đó, nó có lợi cho việc duy trì sự ổn định của ống sóng truyền. Trên cơ sở các công trình trước đây8,9, bài báo này Đề xuất một hệ thống quang phổ trạng thái (EOS) chùm tia kép tập trung từ trường đồng nhất băng tần G, có thể cải thiện đáng kể khoảng cách truyền ổn định của chùm tia và tăng thêm diện tích tương tác của chùm tia, từ đó cải thiện đáng kể công suất đầu ra.
Cấu trúc của bài báo này như sau: Đầu tiên, bài báo mô tả thiết kế tế bào SWS với các thông số, phân tích đặc tính tán xạ và kết quả mô phỏng tần số cao. Sau đó, dựa trên cấu trúc của tế bào đơn vị, bài báo thiết kế hệ thống EOS chùm tia kép và hệ thống tương tác chùm tia. Kết quả mô phỏng hạt nội bào cũng được trình bày để xác minh tính khả dụng của EOS và hiệu suất của SDV-TWT. Ngoài ra, bài báo trình bày ngắn gọn kết quả chế tạo và thử nghiệm lạnh để xác minh tính đúng đắn của toàn bộ HFS. Cuối cùng, bài báo tóm tắt lại.
Là một trong những thành phần quan trọng nhất của TWT, đặc tính tán xạ của cấu trúc sóng chậm cho biết liệu vận tốc electron có khớp với vận tốc pha của SWS hay không, và do đó có ảnh hưởng lớn đến tương tác sóng-chùm tia. 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. Xét đến sự không ổn định của chùm tia dạng tấm và giới hạn công suất của chùm tia bút đơn, cấu trúc sử dụng chùm tia bút kép để cải thiện hơn nữa công suất đầu ra và độ ổn định hoạt động. Đồng thời, để tăng băng thông hoạt động, một chế độ kép đã được đề xuất cho hoạt động của SWS. Do tính đối xứng của cấu trúc SDV, nghiệm của phương trình tán xạ trường điện từ có thể được chia thành các chế độ lẻ và chẵn. Đồng thời, chế độ lẻ cơ bản của dải tần số thấp và chế độ chẵn cơ bản của dải tần số cao được sử dụng để thực hiện đồng bộ hóa băng thông rộng của tương tác chùm tia, do đó cải thiện hơn nữa băng thông hoạt động.
Theo yêu cầu về công suất, toàn bộ ống được thiết kế với điện áp dẫn động là 20 kV và dòng điện chùm kép là 2 × 80 mA. Để điện áp phù hợp nhất có thể với băng thông hoạt động của SDV-SWS, chúng ta cần tính toán độ dài của chu kỳ p. Mối quan hệ giữa điện áp chùm tia và chu kỳ được thể hiện trong phương trình (1)10:
Bằng cách đặt độ lệch pha là 2,5π ở tần số trung tâm 220 GHz, chu kỳ p có thể được tính toán là 0,46 mm. Hình 2a cho thấy các đặc tính tán xạ của ô đơn vị SWS. Đường truyền tia 20 kV phù hợp rất tốt với đường cong lưỡng cực. Các dải tần số phù hợp 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 rằng tương tác mạnh có thể xảy ra trong băng thông hoạt động.
(a) Đặc tính tán xạ của hệ thống SDV-SWS chế độ kép với đường truyền 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 trống băng tần giữa các chế độ lẻ và chẵn, và chúng ta thường gọi khoảng trống băng tần này là băng chặn, như thể hiện trong Hình 2a. Nếu TWT hoạt động gần dải 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 chặn. Tuy nhiên, có thể thấy rằng khoảng trống băng tần của cấu trúc sóng chậm này chỉ là 0,1 GHz. Rất khó để xác định liệu khoảng trống băng tần nhỏ này có gây ra dao động hay không. Do đó, tính ổn định hoạt động xung quanh băng chặn sẽ được nghiên cứu trong phần mô phỏng PIC tiếp theo để phân tích xem liệu có thể xảy ra dao động không mong muốn hay không.
Mô hình tổng thể của HFS được thể hiện trong Hình 3. Nó bao gồm hai tầng SDV-SWS, được kết nối bằng các gương phản xạ Bragg. Chức năng của gương phản xạ là cắt đứt sự truyền tín hiệu giữa hai tầng, triệt tiêu 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 hình nón 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 cấp được đo bằng bộ giải miền thời gian trong phần mềm mô phỏng 3D. Xét đến ảnh hưởng thực tế của dải tần terahertz lên vật liệu, vật liệu của lớp vỏ chân không ban đầu được đặt là đồng, và độ dẫn điện được giảm xuống còn 2,25×107 S/m12.
Hình 4 thể hiện kết quả truyền dẫn của HFS có và không có bộ ghép nối tuyến tính hình nón. Kết quả cho thấy bộ ghép nối có ảnh hưởng rất nhỏ đến hiệu suất truyền dẫn của toàn bộ HFS. Suy hao phản xạ (S11 < − 10 dB) và suy hao chèn (S21 > − 5 dB) của toàn hệ thống trong dải tần rộng 207~280 GHz cho thấy HFS có đặc tính truyền dẫn tốt.
Là nguồn cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử chân không, súng bắn electron quyết định trực tiếp liệu 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 tia kép để cung cấp đủ năng lượng. Trong phần này, dựa trên công trình nghiên cứu trước đây trong W-band8,9, một súng bắn electron dạng 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 ở mức 20 kV, dòng điện I của cả 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 đạt được mật độ dòng điện của chùm tia điện tử và catốt, tỷ lệ nén của chùm tia điện tử được đặt là 7, do đó mật độ dòng điện của chùm tia điện tử là 603 A/cm2, và mật độ dòng điện của catốt là 86 A/cm2, điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng vật liệu catốt mới. Theo lý thuyết thiết kế 14, 15, 16, 17, một súng bắn điện tử Pierce điển hình có thể được xác định duy nhất.
Hình 5 thể hiện sơ đồ bố trí theo phương ngang và phương dọc của súng bắn electron. Có thể thấy rằng hình dạng của súng bắn electron theo phương x gần như giống hệt với súng bắn electron dạng tấm điển hình, trong khi theo phương y, hai chùm electron được tách biệt một phần bởi mặt nạ. Vị trí của hai cực âm 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 lệ nén và kích thước phun electron, kích thước của hai bề mặt cực âm được xác định là 0,91 mm × 0,13 mm.
Để làm cho điện trường 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 bắn electron. Bằng cách đặt điện áp của điện cực hội tụ và điện cực điều khiển ở mức -20 kV, và điện áp của cực dương ở mức 0 V, ta có thể thu được sự phân bố quỹ đạo của súng bắn hai chùm tia, như thể hiện trong Hình 6. Có thể thấy rằng các electron phát ra có khả năng nén tốt theo hướng y, và mỗi chùm electron hội tụ về hướng x dọc theo tâm đối xứng của chính nó, điều này cho thấy điện cực điều khiển cân bằng điện trường không đều do điện cực hội tụ tạo ra.
Hình 7 thể hiện 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 chiếu theo hướng x khoảng 4mm, và khoảng cách chiếu theo hướng y gần 7mm. Do đó, khoảng cách chiếu thực tế nên được chọn trong khoảng từ 4 đến 7mm. Hình 8 thể hiện mặt cắt ngang của chùm tia điện tử ở vị trí cách bề mặt catốt 4,6 mm. Ta có thể thấy rằng hình dạng của mặt cắt ngang gần giống nhất với chùm tia điện tử tròn tiêu chuẩn. Khoảng cách giữa hai chùm tia điện tử gần với giá trị thiết kế 0,31 mm, và bán kính khoảng 0,13 mm, đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Hình 9 thể hiện kết quả mô phỏng dòng điện của chùm tia. Có thể thấy rằng dòng điện của hai chùm tia là 76mA, phù hợp tốt với giá trị thiết kế 80mA.
Xét đến sự biến động của điện áp điều khiển trong các ứng dụng thực tế, việc nghiên cứu độ nhạy điện áp của mô hình này là cần thiết. Trong dải điện áp từ 19,8 đến 20,6 kV, ta thu được đường bao dòng điện và dòng điện chùm tia, như thể hiện trong Hình 1 và Hình 1.10 và 11. Từ kết quả, có thể thấy rằng sự thay đổi điện áp điều khiển không ảnh hưởng đến đường bao dòng điện chùm tia điện tử, và dòng điện chùm tia điện tử chỉ thay đổi từ 0,74 đến 0,78 A. Do đó, có thể coi súng điện tử được thiết kế trong bài báo này có độ nhạy điện áp tốt.
Ảnh hưởng của sự dao động điện áp điều khiển đến biên độ chùm tia theo hướng x và y.
Hệ thống hội tụ từ trường đồng nhất là một hệ thống hội tụ nam châm vĩnh cửu phổ biến. Do sự phân bố từ trường đồng nhất trong toàn bộ kênh chùm tia, nó rất phù hợp với các chùm tia điện tử đối xứng trục. Trong phần này, một hệ thống hội tụ từ trường đồng nhất để duy trì sự truyền dẫn đường dài của các chùm tia bút chì kép được đề xuất. Bằng cách phân tích từ trường được tạo ra và bao chùm tia, phương án 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 một chùm tia bút chì đơn18,19, giá trị từ trường 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 từ trường của một chùm tia bút chì kép phân bố theo chiều ngang. Kết hợp với súng điện tử được thiết kế trong bài báo này, giá trị từ trường được tính toán là khoảng 4000 Gs. Theo tài liệu tham khảo 20, giá trị gấp 1,5-2 lần giá trị được tính toán thường được chọn trong các thiết kế thực tế.
Hình 12 thể hiện cấu trúc của hệ thống trường hội tụ từ trường đồng nhất. Phần màu xanh lam là nam châm vĩnh cửu được từ hóa theo hướng trục. Vật liệu được chọn là NdFeB hoặc FeCoNi. Độ từ dư Br được thiết lập trong mô hình mô phỏng là 1,3 T và độ thẩm thấu là 1,05. Để đảm bảo sự truyền dẫn ổn định của chùm tia trong toàn bộ mạch, chiều dài của nam châm ban đầu được đặt là 70 mm. Ngoài ra, kích thước của nam châm theo hướng x quyết 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, xét đến chi phí và trọng lượng của toàn bộ ống, kích thước của nam châm không nên quá lớn. Do đó, nam châm ban đầu được đặt là 150 mm × 150 mm × 70 mm. Trong khi đó, để đảm bảo toàn bộ mạch sóng chậm có thể được đặt trong hệ thống hội tụ, khoảng cách giữa các nam châm được đặt là 20 mm.
Năm 2015, Purna Chandra Panda21 đã đề xuất một cực từ có lỗ bậc thang mới trong hệ thống hội tụ từ tính đồng nhất, có thể giảm hơn nữa cường độ rò rỉ từ thông đến cực âm và từ trường ngang được tạo ra tại lỗ cực từ. Trong bài báo này, chúng tôi bổ sung cấu trúc bậc thang vào cực từ của hệ thống hội tụ. Độ dày của cực từ ban đầu được đặt là 1,5mm, chiều cao và chiều rộng của ba bậc là 0,5mm, và khoảng cách giữa các lỗ cực từ là 2mm, như thể hiện trong Hình 13.
Hình 14a thể hiện sự phân bố từ trường dọc theo trục của hai chùm electron. Có thể thấy rằng lực từ trường dọc theo hai chùm electron là bằng nhau. Giá trị từ trường khoảng 6000 Gs, gấp 1,5 lần từ trường Brillouin lý thuyết, giúp tăng hiệu suất truyền dẫn và hội tụ. Đồng thời, từ trường tại cực âm gần như bằng 0, cho thấy cực từ có tác dụng tốt trong việc ngăn chặn rò rỉ từ thông. Hình 14b thể hiện 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 cực từ, trong khi ở mạch sóng chậm, từ trường ngang gần như bằng 0, chứng tỏ ảnh hưởng của từ trường ngang lên chùm electron là không đáng kể. Để ngăn ngừa hiện tượng bão hòa từ của cực từ, cần nghiên cứu cường độ từ trường bên trong cực từ. Hình 14c thể hiện giá trị tuyệt đối của sự phân bố từ trường bên trong cực từ. Có thể thấy rằng Giá trị tuyệt đối của cường độ từ trường nhỏ hơn 1,2T, cho thấy hiện tượng bão hòa từ tính của cực từ sẽ không xảy ra.
Phân bố cường độ từ trường cho Br = 1,3 T.(a) Phân bố từ trường theo trục.(b) Phân bố từ trường theo phương ngang By theo hướng z.(c) Giá trị tuyệt đối của phân bố từ trường bên trong cực từ.
Dựa trên mô-đun CST PS, vị trí tương đối theo trục của súng bắn chùm kép và hệ thống hội tụ được tối ưu hóa. Theo tài liệu tham khảo số 9 và các mô phỏng, vị trí tối ưu là nơi mà mảnh anode chồng lên mảnh cực cách xa nam châm. Tuy nhiên, người ta nhận thấy rằng nếu từ dư được đặt ở mức 1,3T, độ truyền của chùm electron không thể đạt 99%. Bằng cách tăng từ dư lên 1,4 T, từ trường hội tụ sẽ tăng lên 6500 Gs. Quỹ đạo chùm tia trên 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 kép dưới hệ từ trường đồng nhất với Br = 1,4 T. (a) Mặt phẳng xoz. (b) Máy bay yoz.
Hình 16 thể hiện mặt cắt ngang của chùm tia tại các vị trí khác nhau cách xa cực âm. Có thể thấy rằng hình dạng của mặt cắt chùm tia trong hệ thống hội tụ được duy trì tốt, và đường kính mặt cắt không thay đổi nhiều. Hình 17 thể hiện đường bao của chùm tia theo hướng x và y. Có thể thấy rằng sự dao động của chùm tia theo cả hai hướng đều rất nhỏ. Hình 18 thể hiện kết quả mô phỏng dòng điện của chùm tia. Kết quả cho thấy dòng điện khoảng 2 × 80 mA, phù hợp với giá trị tính toán trong thiết kế súng điện tử.
Tiết diện chùm electron (với hệ thống hội tụ) tại các vị trí khác nhau cách xa cực âm.
Xét đến một loạt các vấn đề như sai sót lắp ráp, dao động điện áp và thay đổi cường độ từ trường trong các ứng dụng gia công thực tế, việc phân tích độ nhạy của hệ thống hội tụ là cần thiết. Do có khe hở giữa cực dương và cực từ trong quá trình gia công thực tế, khe hở này cần được thiết lập trong mô phỏng. Giá trị khe hở được đặt là 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 sai sót lắp ráp. Đối với dao động của điện áp điều khiển, phạm vi sai số được đặt là ±0,5 kV. Hình 19b cho thấy kết quả so sánh. Có thể thấy rằng sự thay đổi điện áp có ít ảnh hưởng đến đường bao chùm tia. Phạm vi sai số được đặt từ -0,02 đến +0,03 T cho sự thay đổi 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 sự thay đổi cường độ từ trường.
Hình dạng chùm tia và kết quả dòng điện dưới hệ thống hội tụ từ trường đồng nhất. (a) Dung sai lắp ráp là 0,2 mm. (b) Biến động điện áp điều khiển là ±0,5 kV.
Hình dạng chùm tia dưới hệ thống hội tụ từ trường đồng nhất với sự biến thiên cường độ từ trường dọc trục từ 0,63 đến 0,68 T.
Để đảm bảo hệ thống hội tụ được thiết kế trong bài báo này có thể tương thích với HFS, cần phải kết hợp hệ thống hội tụ và HFS để nghiên cứu. Hình 21 cho thấy sự so sánh đường bao chùm tia có và không có HFS được tải. Kết quả cho thấy đường bao chùm tia không thay đổi nhiều khi toàn bộ HFS được tải. Do đó, hệ thống hội tụ phù hợp với HFS dạng ống sóng truyền tải được thiết kế ở trên.
Để kiểm chứng 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 sóng chùm tia 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 bắn electron được thay thế bằng một bề mặt phát xạ tương đương có đường kính 0,13 mm và khoảng cách giữa hai bề mặt là 0,31 mm, các thông số giống như súng bắn electron được thiết kế ở trên. Do tính không nhạy và độ ổn định tốt của EOS, điện áp điều khiển có thể được tối ưu hóa một cách thích hợp 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 điều khiển 20,6 kV, dòng điện chùm tia 2 × 80 mA (603 A/cm2) và công suất đầu vào 0,05 W.
Để thu được tín hiệu đầu ra tốt nhất, số chu kỳ cũng cần được tối ưu hóa. Công suất đầu ra tốt nhất đạt được khi số chu kỳ của hai giai đoạn là 42 + 48, như thể hiện trong Hình 22a. Tín hiệu đầu vào 0,05 W được khuếch đại lên 314 W với độ lợi 38 dB. Phổ công suất đầu ra thu được bằng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) là thuần khiết, 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 cho thấy SDV-SWS có thể chuyển đổi động năng của electron thành tín hiệu RF, từ đó thực hiện khuếch đại tín hiệu.
Tín hiệu đầu ra SDV-SWS ở tần số 220 GHz. (a) Công suất đầu ra kèm theo phổ. (b) Phân bố năng lượng của các electron với chùm electron ở cuối phần chèn SWS.
Hình 23 thể hiện băng thông công suất đầu ra và độ lợi của ăng-ten sóng cắt hai chế độ, hai chùm tia SDV-TWT. 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 điều khiển. Kết quả này cho thấy băng thông 3-dB có thể bao phủ từ 205 đến 275 GHz, điều đó 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 các chế độ lẻ và chẵn, điều này có thể dẫn đến dao động không mong muốn. Do đó, cần nghiên cứu tính ổn định hoạt động xung quanh các dải dừng. Hình 24a-c là kết quả mô phỏng 20 ns ở các tần số 265,3 GHz, 265,35 GHz và 265,4 GHz tương ứng. Có thể thấy rằng mặc dù kết quả mô phỏng có một số dao động, nhưng công suất đầu ra tương đối ổn định. Phổ cũng được hiển thị trong Hình 24 tương ứng, phổ này thuần khiết. Những kết quả này cho thấy không có hiện tượng tự dao động gần dải dừng.
Việc chế tạo và đo đạc là cần thiết để xác minh tính chính xác của toàn bộ cấu trúc tần số cao (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 chứa oxy (OFHC). Hình 25a cho thấy cấu trúc đã 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 bố xung quanh cấu trúc. Hình 25b cho thấy cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các cánh 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 0,4 μm. Cấu trúc gia công đáp ứng các yêu cầu về thiết kế và độ chính xác.
Hình 26 thể hiện sự so sánh giữa kết quả thử nghiệm thực tế và mô phỏng hiệu suất truyền dẫn. Cổng 1 và Cổng 2 trong Hình 26a tương ứng với 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 của S21 lại kém hơn một chút. Nguyên nhân có thể là do độ dẫn điện của vật liệu được thiết lập trong mô phỏng quá cao và độ nhám bề mặt sau khi gia công thực tế kém. Nhìn chung, kết quả đo phù hợp tốt với kết quả mô phỏng, và băng thông truyền dẫn đáp ứng yêu cầu 70 GHz, điều này xác minh tính khả thi và 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 tia kép băng thông siêu rộng được đề xuất trong bài báo này có thể được sử dụng cho việc chế tạo và ứng dụng tiếp theo.
Bài báo này trình bày thiết kế chi tiết của một ống nano carbon chân không phân tán (SDV-TWT) hai chùm tia 220 GHz dạng phẳng. Sự kết hợp giữa hoạt động hai chế độ và kích thích hai chùm tia giúp tăng thêm băng thông hoạt động và công suất đầu ra. Quá trình chế tạo và thử nghiệm ở nhiệt độ thấp cũng được thực hiện để xác minh tính chính xác của toàn bộ hệ thống HFS. Kết quả đo thực tế phù hợp tốt với kết quả mô phỏng. Đối với hệ thống EOS hai chùm tia được thiết kế, một phần mặt nạ và các điện cực điều khiển đã được sử dụng cùng nhau để tạo ra hai chùm tia hình bút chì. Dưới từ trường hội tụ đồng nhất được thiết kế, chùm tia điện tử có thể được truyền ổn định trên khoảng cách xa với hình dạng tốt. Trong tương lai, việc sản xuất và thử nghiệm EOS sẽ được tiến hành, và thử nghiệm nhiệt của toàn bộ TWT cũng sẽ được thực hiện. Phương án thiết kế SDV-TWT được đề xuất trong bài báo này kết hợp đầy đủ công nghệ xử lý mặt phẳng hiện đang phát triển, và cho thấy tiềm năng lớn về các chỉ số hiệu suất cũng như quá trình 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 dải tần terahertz.
Hầu hết các dữ liệu thô và mô hình phân tích trong nghiên cứu này đã được trình bày trong bài báo này. Thông tin liên quan khác có thể được cung cấp bởi tác giả tương ứng khi có yêu cầu hợp lý.
Gamzina, D. và cộng sự. Gia công CNC quy mô nano các thiết bị điện tử chân không dưới terahertz. IEEE Trans.electronic devices. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. và Paoloni, C. Chế tạo vi mạch UV-LIGA của các ống dẫn sóng dưới terahertz sử dụng chất cản quang SU-8 nhiều lớp. Tạp chí Cơ học vi mô. Điện tử vi mô. 26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS và cộng sự. Lộ trình công nghệ THz năm 2017. Tạp chí Vật lý ứng dụng. 50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC. Giới hạn mạnh mẽ sự lan truyền sóng plasmonic thông qua các ống dẫn sóng lưới kép so le siêu băng thông rộng. application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. và cộng sự. Hiệu suất của bộ khuếch đại ống sóng truyền 220 GHz được gia công CNC nano. IEEE Trans. Thiết bị điện tử. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ. Nghiên cứu sự bất ổn định diocotron của chùm electron dạng tấm rộng vô hạn bằng 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 phẳng chùm tia trong klystron đa chùm. 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 tia hẹp trong ống sóng di chuyển hai lưỡi 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 tia phân bố phẳng với khoảng cách chùm tia hẹp cho TWT chế độ cơ bản băng tần W. IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Nghiên cứu về ống sóng di chuyển hai lưỡi xen kẽ với chùm tia sóng milimét 20-22 (Luận án Tiến sĩ, Đại học Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Nghiên cứu về tính ổn định tương tác sóng chùm của ống sóng di chuyển hai lưỡi xen kẽ băng tần G. Hội nghị quốc tế lần thứ 43 về sóng hồng ngoại, milimét và terahertz, Nagoya. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).