微波谐振腔放电击穿特性与发射光谱分析

针对航天器通信系统中微波部件放电过程中的检测问题,开展对微波部件放电击穿的实验研究,以特殊设计的微波谐振腔为对象,研究从微放电到低气压放电的过渡过程中击穿特性的变化,考虑三种背景气体类型,采用全局检测和光学局部检测相结合的方式进行测试。结果发现,在100~1000 Pa的压强范围内,放电的击穿阈值均呈现先减小后增大的趋势,背景气体为氮气和空气,击穿阈值在400~500 Pa时达到最低水平,放电发生时产生的发射光谱较为相似,较为明显的发射谱线强度出现在氮气的第二正带系337.1 nm处。此外,由于背景环境中含少量的水蒸气,在314 nm处的OH自由基强度也较为明显。分析得出气体压强可改变粒子生成与消耗路径并对等离子体中各粒子的浓度大小产生影响。而氧气环境下的最低击穿阈值在600~700 Pa,同时整体发射光谱强度较低,仅能观测到704.2 nm和777.5 nm处氧原子的跃迁,进一步分析OH对氧气放电过程的影响,经过水浴处理后再次进行氧气的测试过程,结果并没有出现显著变化,表明在一定的压强范围内,水分子的存在对氧气的电离过程产生影响较小。

基于Back-n白光中子实验装置的SRAM翻转截面测量

本文主要研究静态随机存取存储器(static random-access memory,SRAM)的单粒子效应翻转截面的测量方法。基于宽能谱白光中子束流,采用了一种操作更方便的SRAM翻转截面测量方法。在SRAM前面放置聚乙烯中子慢化材料改变入射到SRAM表面上的中子能谱,利用模拟计算得到改变后的中子能谱。利用奇异值分解法求解翻转率的矩阵方程得到SRAM的翻转截面。结果表明在4~15 MeV的能量范围内,使用反角白光中子源测试的SRAM翻转截面信息和参考文献中使用单能中子源测试拟合的SRAM翻转截面信息基本吻合。

电化学沉积法制备ZnO厚膜工艺研究

X射线具有较高的光子能量,这使得其在ZnO材料中具有大的穿透深度,因此为了更有效地探测X射线,需要制备出微米甚至百微米厚度的ZnO膜。本文采用电化学沉积法快速制备14.85μm厚的ZnO膜。实验结果表明,沉积电势和电极材料会显著影响ZnO膜的沉积速率与表面形貌。随着沉积电势的升高,ZnO形貌由六角柱状结构变为片状结构,当电势过大时会有大量氢气生成,导致薄膜孔洞增加而无法成膜。使用金属Pt为阳极电极时,溶液会逐渐酸化,导致ZnO在沉积的同时也会溶解,当二者速率相一致时,ZnO膜厚便不再增加,因此不适合生长ZnO厚膜。而使用金属Zn为阳极电极时,溶液的pH值基本保持不变,更适合生长ZnO厚膜。使用金属Zn作为阳极电极,沉积电势为0.65 V,电解液浓度为0.4 mol/L时,实现了1 h生长14.85μm的ZnO厚膜。在5 V偏压下,基于ZnO厚膜的探测器对加速电压为40 kV的X射线的响应度可达66.8μC·Gy^(-1)·cm^(-2)。

高温SiC器件及其集成电路在空间电子领域应用展望

金星、火星等行星空间探索对航天器电子学系统耐高温、抗辐照、抗腐蚀性等提出了严峻挑战。极低温电子学和高温电子学是近年来深空探索中的强烈需求。文章主要阐述高温SiC集成电路的起源,数字、模拟和功率IC的发展历程和研究现状。重点综述分析了高温SiC集成电路设计方法和流片验证的两条技术途径:首先,基于多层外延制造工艺的BJT器件单元及其双极集成电路;其次,基于离子注入掺杂工艺的互补单元及其CMOS集成电路。在此基础上还进一步介绍了高温SiC传感芯片、BCD功率IC及功率模块的应用可靠性验证。目前国际研究现状展示了SiC BJT和CMOS IC研制中大学学术界和半导体企业界的协同创新格局。最后展望了其在深空探索中的潜在应用及其面临的挑战性。本综述对国内研制空间环境用宽禁带半导体SiC高温集成电路及其电子学系统具有借鉴价值。

微带电路无源互调干扰问题综述

无源互调(PIM)干扰是微波射频电路面临的主要可靠性问题之一,随着微波射频电路小型集成化发展,微带电路无源互调效应研究开始受到工业界和学术界广泛关注。研究微带电路无源互调机理、评估和抑制方法,对于制备小型化、高可靠性微波射频电路具有重要价值。与腔体部件相比,微带电路的非线性往往是分布的,且与基材选择、制造工艺和器件结构等方面都有重要关系,因此研究难度更大。近年来虽然关注微带电路互调的研究越来越多,但依然难以直接指导微带电路的实际设计。基于此,本文系统论述了近年来微带电路无源互调领域的研究情况,包括非线性机理、仿真建模以及测试诊断等方面,为未来更深入地研究微带电路无源互调效应提供参考。

电导率调制体声波谐振器FDTD仿真研究

该文基于FDTD数值仿真法研究了电导率对ZnO体声波谐振器谐振频率的影响规律,为体声波声放大器、可调滤波器及探测器的优化设计提供指导。电导率的影响通过连续性方程引入,为了提高仿真精度,连续性方程采用四阶Adams-Bashforth差分格式。仿真结果表明,电导率在1~30 mS/m时,对谐振器谐振频率具有显著的调制效果。

PTFE-SiO_(2)复合涂层电子发射特性及抑制放电

目的调控空间电子器件有机介质聚四氟乙烯(PTFE)表面的二次电子发射系数(SEY)接近1,以降低表面电荷沉积速率,减少静电放电(ESD)的发生。方法通过磁力搅拌将PTFE分散液和SiO_(2)粉末混合均匀,制备不同浓度配比的PTFE-SiO_(2)混合溶液,将混合溶液旋涂在覆铜板表面,在80℃烘箱中加热4h得到复合涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)对涂层表面形貌进行观察,采用局域漏电流法对复合涂层的二次电子发射系数进行测试,通过MATLAB对表面电势进行仿真计算,在SEM中对复合涂层放电特性进行测试。结果从SEM图可以看出,随着SiO_(2)浓度的增大,复合涂层表面SiO_(2)颗粒变得密集。从SEY测试结果可以看出,在SEY>1的能量区间内,复合涂层的SEY随SiO_(2)浓度的增大而逐渐降低,当SiO_(2)质量分数大于15%后,涂层的SEY基本保持不变;在SEY<1的能量区间内,当SiO_(2)浓度为15%时,复合涂层的SEY达到最大值。表面电势仿真计算结果及放电测试结果显示,复合涂层能有效降低表面电荷沉积速率及增大放电阈值。结论当SiO_(2)颗粒质量分数为15%时,复合涂层SEY的调控效果最显著,SEY最大值从2.0变化到1.6,10keV能量下的SEY从0.6变化到0.8。当SiO_(2)颗粒质量分数大于15%时,复合涂层能有效降低真空器件PTFE表面电荷沉积速率,提高放电阈值,减少静电放电的发生。因此,这是一种有效提高航天器电子器件可靠性和工作时间的表面处理方法。

氮化硼复合陶瓷表面二次电子发射抑制

二次电子产额δ是影响霍尔推进器鞘层的关键参数之一。为了降低推进器通道壁面常用材料BN−SiO_(2)复合陶瓷的表面δ,通过激光刻蚀工艺和表面镀层技术对表面δ进行了调控。使用脉冲红外光纤激光器在材料表面构造微阵列结构,使用激光扫描显微镜对表面结构表征,表面δ测试方法采用收集极法。δ测试结果表明:激光功率10 W且扫描周期50时,样品表面形成的周期性微阵列结构δ抑制效果较为理想,两种不同质量配比的复合陶瓷表面δ峰值分别由2.62和2.38降低至1.55和1.46。使用磁控溅射在上述微结构表面沉积一层TiN薄膜,δ得到进一步抑制。使用扫描电子显微镜对薄膜表面表征,表面颗粒呈现三棱锥结构。结果表明:溅射功率100 W且时长90 min时,TiN膜厚约为246 nm,镀覆该厚度TiN薄膜的两组微结构样品δ峰值分别由1.55和1.46降低至0.82和0.76,相比原始表面大幅降低。该研究通过表面刻蚀和薄膜沉积工艺,大幅降低了BN−SiO_(2)复合陶瓷表面的δ,研究工作对于特定工作场景中开展低δ表面处理工艺研究具有工程应用价值。

基于平板电路的无源互调耦合测试方法

无源互调(PIM)是一个吸引众多领域研究人员的课题,包括卫星、天线和智能终端等。本文提出一个非接触式PIM测量的新思路:使用一个经过近场重构的基片集成缝隙波导(SISW)作为互调信号的激励和接收路径,SISW通过对载波信号的远场抑制和近场测试区的优化,实现了一种针对没有射频端口的样品非线性特性的评估解决方案。该测试平台结合了近场天线的有限辐射特性和多敏度测试区在PIM评估中对收发系统和测试样片的适应性。实验结果表明,该测试方法在稳定性和分辨力方面具有相当大的工程应用潜力。

基于缝隙波导工装的金属接触PIM统计行为研究

提出一种基于缝隙波导的可分离且可同时测量接触电阻和无源互调(PIM)的电接触PIM测试方法,并在此基础上研究了金属接触PIM的统计行为。通过接触样品的表面形貌和成分表征,确定了铝合金和镀银铝合金待测件表面存在的氧化膜是产生PIM的主要原因;在几种不同压强下利用四线法多次重复加载后,测量了接触电阻并获得了其统计规律;利用设计的缝隙波导工装测试了铝合金和镀银铝合金金属接触界面接触电阻、PIM和接触压力之间的关系。实验结果表明,在特定压力下的接触电阻具有统计分布特性,其PIM值也随之具有波动性;随着接触压力的增大,接触电阻与PIM值总体上都呈现下降的趋势,且波动范围随之减小。

弹片连接的弱力接触电阻测试与分析

弹片作为一种重要的电连接器,它的可靠性会直接影响设备的电性能。研究弹片电连接的规律和影响因素,对于提升设备性能并节约成本具有重要意义。本文通过软件仿真及实验测量,测试了在弱外加力(<2 N)的条件下,以弹片为代表的电连接部件,接触电阻阻值随着接触金属面材料的电阻率减小而减小,且随着外加力的增大而减小的规律。通过机械接触理论分析及计算,验证了接触电阻会受到材料的电阻率与外加力影响;对弹片的接触电阻产生机理给出了明确解释,能够更准确地判断弹片与不同接触界面产生接触电阻的大小关系。

氧化铝表面二次电子发射抑制及其在微放电抑制中的应用

空间大功率微波器件中的二次电子倍增现象会诱发微放电效应,使得器件性能劣化或失效.针对加载氧化铝的同轴低通滤波器进行建模,并通过微放电阈值仿真验证了降低放电敏感表面的二次电子产额(SEY)可有效提升器件微放电阈值.针对器件中易于发生微放电的氧化铝表面,应用激光刻蚀制备表面微结构,获得孔隙比例为67.24%、平均深宽比例为1.57的微孔结构,氧化铝SEY峰值(δ_(m))由2.46降低至1.10.应用磁控溅射工艺研究氮化钛(TiN)薄膜低SEY特性,当N2与Ar流量比为7.5:15时,TiN薄膜δ_(m)低至1.19.在激光刻蚀微结构氧化铝表面镀覆TiN薄膜,实现表面SEY的剧烈降低,δ_(m)降至0.79.通过仿真电子束辐照氧化铝表面带电特性,分析了表面带电水平对SEY的影响规律,以及低SEY表面抑制微放电的物理机制.选取填充了纯度为99.5%氧化铝片的同轴滤波器进行验证,结果表明:微结构氧化铝表面镀覆TiN薄膜后,器件微放电阈值由125 W增加至650 W.研究对于介质填充微波器件微放电效应抑制机理分析具有重要科学意义,对于提高微波器件微放电阈值具有工程应用价值.

基于静态随机存取存储器单粒子效应的中子能谱测量方法

通过对静态随机存取存储器(static random-access memory,SRAM)单粒子翻转截面的研究,提出了一种更有效、成本更低、可测量一到几十兆电子伏能量范围内中子能谱的新方法。利用已发表单粒子翻转截面信息的SRAM,采用奇异值分解(singular value decomposition,SVD)方法进行解谱,可测试低能中子源的中子能谱。在进一步的研究中,利用信息熵理论研究了SRAM的数量与能谱测试准确性的关系。研究结果表明,解谱结果的精度在很大程度上取决于SRAM翻转截面的敏感区宽度和参与解谱的不同SRAM的数量。

微带线无源互调的传输矩阵理论方法

均匀微带线是微带电路的基本结构,建立微带线PIM解析模型具有重要意义。本文基于受控源等效,在微带线的集总电路等效模型中,将微带线中的分布式寄生非线性PIM源建模为二次受控电流源或电压源,从而得到微带线PIM电压和电流关系的传输矩阵表达式,建立了寄生非线性机制的微带线PIM解析计算模型;并通过对比不同长度的镀镍微带线与不同浓度掺磷工艺镀镍微带线的传输互调与反射互调规律,验证本文提出的PIM传输矩阵方法的合理性。通过该模型提取了镍镀层在0.71 GHz时的三阶相对磁导率非线性系数为1×10^(-10)m^(2)/A^(2)。本文方法为进一步建立其他复杂结构微带电路PIM模型提供了新思路。

氩气辅助激发大气压微波冷等离子体射流的研究

微波同轴谐振器已被广泛用作大气压等离子体射流的发生装置,其产生的等离子体射流已用于生物医学、材料表面处理等众多领域,大气压条件下微波放电等离子体源的功率阈值是影响其能否广泛应用的关键问题。文中设计的微波等离子体射流源工作频率2.6 GHz,回波损耗13.99 dB,工作气体为Ar气,大气压条件下产生紫色的丝状射流,击穿功率41.1 dBm(12.9 W),维持功率仅20 dBm(0.1 W)。结合实验观察和ANSYS Fluent流体力学仿真方法探究了等离子体射流长度与气体体积流量、输入功率的关系,发现层流状态下射流长度随气体体积流量增大而伸长,湍流状态下则反之,但不同气体体积流量下射流长度均随着输入功率单调增大。同时,实验发现关断Ar气后等离子体并未熄灭,而是诱发了同轴尖端附近位置的空气等离子体维持状态。在此基础上提出以Ar气或He气为先导气体,将其电离击穿后辅助激发难电离气体产生冷等离子体射流,在不需要提供高微波功率条件下实现了CO_(2)、N_(2)、O_(2)等冷等离子体射流。

TEM模式同轴谐振腔低气压放电蒙特卡罗仿真和实验研究

随着无线通信系统高频小型化的发展趋势,对微波滤波器设计提出更为严苛的要求。其中功率容量作为衡量滤波器性能的重要指标,在滤波器尺寸不断缩小的情形下面临严峻的挑战。谐振器作为滤波器基本组成单元,对单一谐振器的功率容量准确预测十分重要。本文针对工作频率在2.6 GHz的TEM模式同轴谐振器,将电容加载的耦合结构近似为平行平板结构,利用单粒子蒙特卡罗方法仿真获得同轴谐振器临界击穿电场,实现了对该结构同轴谐振腔的低气压放电功率阈值仿真预测。对所设计同轴谐振腔开展低气压放电实验研究,获得了100~1000 Pa气压范围内击穿功率阈值随气压的变化关系实验曲线,并验证了单粒子蒙特卡罗仿真预测方法的准确性。

同轴谐振器低气压放电击穿瞬态电学行为研究

气体微波电离引起的低气压放电效应是限制微波部件功率容量的可靠性问题之一,而击穿瞬态电学行为的研究有助于诊断系统响应。目前大功率微波部件的击穿诊断与电路系统联系不够紧密,而探究放电所产生的等离子体对系统的影响能够改善这一现状。以TEM模式下谐振频率为2.6 GHz的同轴谐振器为研究对象开展低气压放电实验,获得了100~1000 Pa气压范围内谐振器的击穿功率阈值随气压的变化关系实验曲线,并通过正反向调零模块中功率计记录气体电离击穿前后的S 11值。结合谐振器内部放电后的烧蚀痕迹将气体电离击穿后所产生的等离子体等效为圆柱型介质块,进行建模仿真获取放电发生后S 11与谐振频率随气压变化的关系曲线,分析并发现局部阻抗的负载状态随着气压的升高是逐渐由容性向感性转变。最后基于测试系统的调零模块计算得到电离击穿前后谐振器局部阻抗的变化量与气压的实验关系曲线,验证了建模仿真结果。

高效无源互调建模仿真中的统计方法

在现代大功率通信干扰问题中,无源器件的非线性杂散干扰机理最为复杂,在现代大功率高密度的通信系统中越来越受到重视。面对无源器件的典型非线性效应之无源互调(PIM)问题,本文从PIM产生机理、建模角度梳理了近年来国内外普遍的PIM建模方法及关键步骤。针对几种典型微观界面等效、PIM数值转换方法以及面向工况条件的微波部件建模问题,总结了现有的可行方法。进一步提出了基于统计方法分析动态PIM区间预测分析方法的思路,该方法同样基于微观统计方法,对接触界面的不可具体量化的界面问题进行建模,最终获得工况条件下接触PIM的统计分布区间及其产物概率,为实际工况条件下微波部件PIM预测提供了一种大样本分析方法,为进一步提高实际微波部件的PIM稳定性提供了参考。

ZnO薄膜的制备和结构性能分析

ZnO作为一种宽带隙半导体材料 ,近几年来已经成为国际上紫外半导体光电子材料和器件领域的研究热点。激光分子束外延 (L MBE)系统是获得器件级ZnO外延薄膜的先进技术之一。高质量精密ZnO陶瓷靶材对于该工艺的实施是十分关键的 ,本文中采用高纯原料 ,在洁净条件下制备了大面积、薄片型、尺寸可控的符合理想化学配比的高纯ZnO陶瓷靶材。采用所制备的靶材 ,利用L MBE技术在 (0 0 0 1)蓝宝石基片上进行了ZnO薄膜的外延生长 ,在 2 80℃～ 30 0℃低温条件下所生长的薄膜样品具有 (0 0 0 1)取向的纤锌矿晶体结构 ,薄膜光学性能良好 ,论文中对ZnO薄膜的低温L MBE生长机理进行了探讨。

基于液体金属的接触PIM抑制方法和实验验证

接触非线性是射频设备和电路中产生无源互调(passive intermodulation,PIM)信号的重要原因之一。基于对接触结点射频等效电路的分析,提出了一种基于共晶镓铟合金(eutectic gallium-indium,EGaIn)的PIM抑制方法。EGaIn不同于传统的焊锡,它可以在室温下实现接触结位置上的稳定、可重构连接。首先分析了射频(radio frequency,RF)下的金属接触结的电路模型。其次设计并实现了两个包含不同金属接触结构且工作在2.6GHz的平面倒F天线(planar inverted F antenna,PIFA)。最后比较了EGaIn焊接前后PIFA的互调水平,其中对PIM指标的最大抑制程度为35dB。验证了EGaIn可以在室温下对PIFA的接触结点进行可重构焊接,这为电连接中的非线性抑制提供了一种参考方法。