MPCVD金刚石膜沉积技术及金刚石膜材料在微波电真空器件中的应用

金刚石膜是一种集众多优异性能于一身的新材料,尤其是其热导率高、绝缘性能好以及微波介电损耗低等特点,使金刚石膜在微波电真空器件领域有着重要的应用前景。目前,以微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法制备高品质金刚石膜的技术已趋向成熟。本文将针对微波电真空器件这一应用背景,简要介绍国内外高品质金刚石膜MPCVD沉积技术的发展现状,进而对金刚石膜材料应用于微波电真空器件领域的一些典型实例进行简单的介绍。

近太赫兹频段线性注真空器件的研究

介绍了太赫兹频段真空电子器件的研究和开发进展,包括慢波结构理论、设计、模拟及优化,微加工和微组装技术,整管技术等。这些器件包括行波管、返波管、斜注管、止带振荡器及行波管谐波放大器等,高频结构以折叠波导慢波结构为主,在太赫兹返波管中则利用叶片加载波导慢波结构。器件技术包括微机电系统(MEMS)技术,微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石生长、金属化和封接技术等。最后给出W波段、G波段以及340 GHz部件和器件所达到的性能。

周期结构电磁特性在高频真空器件中的应用

作为行波类真空电子器件的核心组件,慢波结构是一种周期结构,其场可以有无限多个模式,每个模式由无穷多个空间谐波构成.每个空间谐波有相应的色散曲线且曲线各段有不同的特性.提出了周期结构色散特性的全维度开发的概念,并以一种可用微电机系统(MEMS)技术加工的折叠波导(FWG)慢波结构为例,对其色散特性进行了分析,利用这些色散特性开展了行波管(TWT)、返波管(BWO)等传统器件的研究工作,同时提出了过模器件、带边振荡器(BO)和谐波放大器(THAT)等新型器件,这些器件的实验研究则以W波段及其以上频率为主,最后给出了突破的关键技术以及测试得到的器件的主要性能.

太赫兹行波管用小型化电子枪高压绝缘性能研究

本文介绍一种太赫兹行波管用高耐压小型化电子枪绝缘体的设计方法,使用CST软件对电子枪电场分布进行计算,优化绝缘体结构尺寸,使最高场强控制在10 7 V/m以内。实验发现金属-真空-绝缘体的三重交汇处存在的微小隙缝导致电场倍增,引发场致发射,造成绝缘体沿面放电,限制了聚焦极-阳极之间的高压,影响电子枪乃至行波管的正常工作。基于模拟计算进行了验证,优化聚焦极和绝缘体之间焊接工艺,解决了小型化电子枪的高耐压问题。该电子枪已成功用于多种太赫兹行波管中,可满足22 kV高压的稳定可靠工作。

从石墨烯开关看电子在石墨烯中的奇异行为

与固态器件相比,真空电子器件的最大特点是电子在真空中的运动速率远大于在固体中的运动速率。然而,石墨烯的问世使这种现象发生了变化。现已发现,石墨烯中的电子不仅运动速率远高于传统半导体中的电子,而且存在各种奇特行为,使石墨烯的研究和应用备受关注。本文首先对普通晶体管材料和石墨烯中的电子行为进行比较,然后介绍石墨烯p-n结的特性和石墨烯逻辑开关的一些应用研究进展。

太赫兹低损耗金刚石-无氧铜输能窗研究

首次开展太赫兹金刚石-无氧铜盒型输能窗研究,利用低损耗的无氧铜材料代替传统可伐合金材料,显著降低输能窗传输损耗、提高器件输出功率。为降低无氧铜与金刚石热膨胀系数严重不匹配造成的封接应力,提出一种多槽应力释放结构,将金刚石表面封接应力由210 MPa减小至50 MPa,小于金刚石与无氧铜组合抗拉件的平均封接强度116.2 MPa。根据设计结果,开展金刚石-无氧铜输能窗封接试验,氦漏率≤1×10^(-11)(Pa·m^(3))/s,实现了气密封接。测试金刚石-无氧铜输能窗传输损耗为0.7 dB,比采用金刚石-可伐输能窗的传输损耗减小2 dB,即输出功率可以提高60%,为研制大功率太赫兹源奠定了重要关键技术基础。

220GHz折叠波导行波管慢波结构的损耗研究

在太赫兹频段,折叠波导慢波结构的损耗很大,因此需要在设计220 GHz折叠波导行波管慢波结构时进行深入研究。首先通过软件仿真的方法预测了慢波结构的S参数,然后利用紫外光刻、电镀和微铸模成型(UV-LIGA)工艺制作了慢波结构样品并进行测量。测量结果表明,该样品在220 GHz时衰减系数约为240 d B/m,与仿真结果符合较好。显微照片显示,该样品产生了形变,造成高频段2种结果存在差异。

太赫兹行波管倍频器用金刚石输能窗研究

本文主要研究一种太赫兹行波管倍频器的输能系统,采用双频分路输能窗方案,分别对W波段基波和太赫兹谐波盒型窗进行了设计。利用MPCVD设备研制了RF级金刚石窗片材料,并对窗片的制备、金属化及窗的封接工艺进行了研究。研制出了基波系统金刚石窗,测试结果显示,在28GHz频带内电压驻波比小于1.3,传输损耗小于0.5dB,已在W波段行波管中得到了实际应用;谐波输能窗已完成了设计。

高功率微波源的现状及其发展

本文对常见的高功率微波源的应用前景及研究现状进行了着重的介绍,并对部分微波源的工作原理及关键技术进行了简要的说明和分析,并进一步阐述了高功率微波源所面临的问题以及未来研究的方向。

W波段回旋管谐振腔特性参数测量方法的研究

W波段回旋振荡管是一种重要的高功率毫米波源,它通常采用圆柱开放式谐振腔作为其高频结构。谐振腔所具有的特性参数,如谐振频率和品质因数影响了整管的性能。在W波段,特性参数对于尺寸的变化特别敏感,因此,有必要对加工好的开放式谐振腔的特性参数进行测量。利用直接耦合法实现了对5组开放式谐振腔谐振频率和品质因数的无损检测,实验结果验证了该方法的可行性与有效性。同时,分析了加工误差对谐振腔性能造成的影响,结果表明,当开放式谐振腔渐变角度的加工误差达到7%以上时,谐振频率将偏移0.2GHz。

太赫兹交错栅慢波结构高频特性理论研究

基于本征函数法对G波段交错栅慢波结构的高频特性建立了理论模型,考虑空间谐波级数项收敛后,计算得到了色散曲线和耦合阻抗以及损耗参量并采用仿真软件对计算结果进行了验证。对比发现理论模型计算的高频特性与仿真结果吻合较好,色散误差小于0.1%,耦合阻抗误差小于10%,损耗误差小于10%,可信度较高。研究结果表明,该模型对于拥有任意交错距离和上下栅高度的双栅结构具有普适性,在两种极限情况下可分别化为对齐双排矩形栅和矩形波导栅慢波结构。交错栅高频损耗主要发生在注通道区域,槽区底部损耗最小。

交错子周期折叠波导慢波结构冷特性研究

为实现周期结构电磁特性在真空器件中的全维度开发,提出一种交错子周期折叠波导慢波结构。通过软件仿真的方法研究了该结构的色散、耦合阻抗等冷特性。与一般折叠波导的冷特性进行对比,发现其较于一般折叠波导,在3π模处可产生明显止带和高耦合阻抗。通过模拟结构尺寸变化对冷特性的影响,掌握设置相应尺寸控制止带参数的规律和方法,基于这一特性和方法可以开展新器件的研发。

W波段行波管切断位置性能分析与实验

为分析折叠波导行波管互作用电路切断位置的功率和频谱特性,提出并研制出一只四端口W波段脉冲行波管。对该行波管频带内互作用电路的S参数、切断处功率和对应频谱特性进行测试,分析表明:端口2(输入段的切断)的功率幅值主要取决于饱和状态下行波管的输入功率,与输入段增益不成正比关系分布;端口3(输出段切断)功率主要取决于端口匹配性能,其数值计算功率和测试数据吻合良好。本文研究为毫米波及太赫兹行波管切断设计提供了一种有效方法。

毫米波及太赫兹行波管的功率提高方法评述

短毫米波及太赫兹行波管具有宽频宽、大功率、高效率等优点,在高分辨成像、高速通信、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。分析和评述了国内外研究单位的研制水平,以及作者近年来研发的行波管,频率覆盖E波段、W波段、G波段和Y波段等多个频段。为进一步提升毫米波及太赫兹行波管输出功率,在新型折叠波导慢波结构、相速再同步技术、周期聚焦磁场(PCM)聚焦带状电子注、多注集成等方向开展了分析与实验研究,为器件的性能提升和应用推进提供技术支持。

大功率V波段螺旋线行波管慢波结构设计模拟

针对大功率V波段螺旋线行波管进行了慢波结构的设计,并通过三维电磁模拟软件和三维大信号注波互作用模拟软件对慢波结构的冷特性和注波互作用特性进行了模拟,模拟结果显示,在频带52~62GHz范围内,输出功率大于200 W,增益大于43dB,电子效率大于19%。

低增益kW级mm波螺旋线行波管高频结构设计

根据固态器件的发展和返波振荡抑制的特点，针对kW级mm波螺旋线行波管设计了低增益高频结构，通过切断、螺距渐变和添加衰减器的方式对返波振荡进行了抑制。通过微波仿真软件对其色散特性、耦合阻抗特性进行了模拟计算；通过三维大信号注波互作用计算软件进行了注波互作用计算与优化，并使用粒子模拟（PIC）软件进行了计算。结果显示，在频带29～31GHz范围内，输出功率达到1002W，增益大于21dB，电子效率大于16．8％，返波振荡得到抑制。

基于行波法对螺旋波纹波导色散特性的仿真

为研究螺旋波纹波导的色散曲线特性,利用阻抗微扰法对螺旋波纹波导色散方程进行求解,并分析了波导尺寸的变化对色散特性的影响。针对目前采用谐振法仿真色散曲线时存在模式分割以及谐振点的选取问题,利用行波法(不属于波纹波导理论体系下的新方法)对不同频率下的色散值进行仿真求解。研究结果表明,基于行波法仿真得到的色散曲线与由Matlab计算得到的理论色散曲线吻合度好,计算过程不涉及波纹波导理论体系下谐振点的选取问题,相比传统的谐振法,整个仿真计算过程更简洁。

397GHz斜注管互作用系统的设计模拟

斜注管是返波振荡器的一种,通过电子注的倾斜,电子距离慢波结构更近,高频场更强,耦合阻抗和互作用效率更高,显著增加输出功率。对带状注斜注管的互作用系统进行了设计,并首次将双排齿慢波结构应用于斜注管。利用电磁模拟软件和3D粒子模拟软件对设计的斜注管的色散曲线和场分布进行了分析,并对其注-波互作用进行了模拟,可以得到大于100 mW的输出功率以及50 GHz的调谐带宽。输出功率在370.5 GHz频点处处达到峰值2.3 W,电子注电压7.0 kV,注电流120 mA,聚焦磁场1.0 T。

W波段回旋行波管高频结构设计和仿真

对W波段回旋行波管的高频结构的设计参数进行了分析计算与软件仿真,通过色散关系确定了磁场取值,通过对返波振荡的分析确定了高频结构——周期衰减材料加载,通过对绝对不稳定性振荡的分析确定了工作电流和横纵速度比的取值范围,最终得到了W波段回旋行波管的工作参数。采用粒子模拟软件进行模拟计算,可以得到155k W的峰值功率输出和5.5GHz的带宽,并给出了输出功率与回旋行波管各工作参数之间的关系曲线,进一步证明了对返波振荡和绝对不稳定性振荡的分析与参数选取的合理性。实际加工的回旋行波管在测试中峰值功率大于100k W,增益大于40d B,效率大于12%,3d B带宽为4.1GHz。

Ka波段500W螺旋线行波管返波振荡抑制的设计和计算

本文针对Ka波段500 W螺旋线行波管的高频结构,通过软件计算色散和返波耦合阻抗,求出了返波振荡的起振电流与高频长度的关系,利用粒子模拟软件仿真证明固定螺距的高频结构存在返波振荡,不能满足设计要求。在此基础上,设计了一种螺距渐变的高频结构,通过粒子模拟证明其可以有效抑制返波振荡,为行波管的研制提供了设计指导。