《太赫兹真空电子器件(二)》专栏发刊词

人类从未停止过探索的脚步,太赫兹波是介于光学和微波毫米波之间的电磁频谱,在宇宙科学、材料科学、物理学、通信、感知探测成像等领域具有广阔的应用前景。真空电子器件在太赫兹频段具有大功率、高效率、小型化等优势,是太赫兹系统的核心器件,因此对真空电子器件的深入研究,能从根源上提升系统的性能。随着器件提升到太赫兹频段,面临结构特征尺寸小、互作用效率低、传输损耗大等一系列挑战。

碳化硅真空纳米电子器件技术分析

新兴的真空纳米电子器件兼具固态器件集成电路和传统真空电子器件的优势。但和硅器件同工艺、同片集成的现状,限制了其在恶劣环境的应用。使用宽禁带半导体碳化硅材料制备真空纳米电子器件,可在耐辐射基础上兼具抗高温特性,使该器件具备良好的综合优势。文章分析了硅器件及集成电路发展中面临的问题,回顾了真空纳米电子器件的发展历史,介绍了碳化硅材料的相对优势以及SiC基真空纳米电子器件研究现状,并对该器件发展及应用前景进行了分析。

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.

用于雷达的新型真空电子器件

真空电子器件在雷达的发展历程中发挥了重要作用,是雷达系统的核心器件,两者相辅相成、相互促进。随着设计仿真能力的不断提升,以及新材料新工艺的出现,真空电子器件出现了一些新的发展动向。器件性能不断提升,也出现了一些新型真空电子器件,这都为新型雷达探测技术的发展提供了很好的器件支撑。该文从微波毫米波器件及功率模块、集成真空电子器件、太赫兹、大功率和高功率5个方面介绍了真空电子器件新的发展趋势以及所取得的最新研究成果。

太赫兹真空电子器件用场发射阴极技术分析

本文阐述了太赫兹真空电子器件对阴极电子源的需求条件,分析了在该器件中应用场发射阴极的可能性。介绍了当前两种主要场发射阴极,即金属薄膜场发射阴极和碳纳米管场发射阴极的国内外发展情况,指出了它们各自的优势以及实际应用中存在的障碍,并提出了相应的解决途径。试验和分析结果表明,场发射阴极具有很好的太赫兹真空电子器件应用前景。

用于太赫兹真空器件的大电流密度阴极

主要介绍了太赫兹器件对电子源的需求,并对国际上各类适用于太赫兹器件的电子源进行了分析和对比。作者认为正在研发的热阴极和冷阴极(场发射阵列阴极)是未来太赫兹器件电子源的两个选择。目前,热阴极技术和场发射冷阴极也正在因为器件需求的推动而进一步发展,并已经取得了较好的成果。文章最后就北京真空电子技术研究所近年来的热阴极技术进展和场发射冷阵列阴极技术发展进行了简明介绍;所取得的技术成果表明,热阴极和场发射阵列阴极都具有广泛的太赫兹器件应用前景。

太赫兹真空器件中超深金属慢波结构的微加工技术

太赫兹真空电子器件物理结构尺寸变化随着波长的减小而减小,对微小结构的尺寸精度与表面粗糙度要求也大大增加。随着器件频率进入到太赫兹频段,慢波结构的深度达到几十微米或者百微米量级,加工的难点主要有:材料为金属,结构超深,表面粗糙度要求达到几十纳米量级,微电铸后金属含氧量极小,结构密度大不漏气,经得起后续近千摄氏度的高温处理工艺等。文章介绍了太赫兹频段下器件慢波结构的加工方式,着重讨论利用深反应离子刻蚀(DRIE)技术和紫外−光刻、电铸(UV-LIGA)技术加工超深金属慢波结构的技术和和特点,并介绍了本实验室利用UV-LIGA加工折叠波导的研究进展。

0.85 THz可调谐式折叠波导再生反馈真空电子学振荡器的理论及实验研究

提出了一种适用于850 GHz太赫兹波成像系统的可调谐再生反馈振荡器。使用UV-LIGA微加工工艺制作慢波结构,可满足折叠波导在太赫兹频段的尺寸需求。使用CST微波工作室对折叠波导色散特性进行设计,同时针对于行波管和再生反馈振荡器中折叠波导的结构,阐明了影响频率调谐的因素。此外,对带衰减的反馈回路进行仿真模拟,并使用三维粒子模拟验证了整体设计。改变电子注电压可实现振荡频率可调,振荡从单频状态逐渐变为多频状态,整体输出功率均大于200 mW。

《太赫兹科学与电子信息学报》2023年第10期专栏征稿主题:太赫兹真空电子器件

太赫兹真空电子器件是利用自由电子与太赫兹波在真空环境中的互作用产生或放大太赫兹辐射的电子器件,具有高频率、高功率、高效率的显著优点,在高精度成像与感知、远距离高速无线通信、高频率电磁对抗、高能物理科学研究等领域有着广泛应用前景。当前太赫兹真空电子器件的发展主要面临互作用效率低。

高功率真空电子器件在医用加速器方面的应用评述

微波真空电子器件作为高功率微波源在医用加速器领域具有广泛的应用,主要器件类型包括各种结构的磁控管、速调管以及多电子注速调管。为了促进国内医用高功率器件的交流和发展,特组织了本专辑,希望能够为系统应用和器件发展提供一个信息交流平台,促进我国在该领域的快速发展。

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。

微波管电子光学模拟器新进展

电子光学模拟器(Electron Optics Simulator,EOS)是微波管模拟器套装的重要组成部分。EOS是一个用于模拟设计微波管中轴对称电子枪、栅控电子枪、多注电子枪、带状注电子枪和轴对称及非轴对称多级降压收集极的二维和三维有限元模拟软件。本文介绍了EOS的最新进展。为进一步提高计算精度和计算速度,EOS主要作了以下七点改进:①引入了比一次插值函数精度更高的二次插值函数;②增加了瞬态计算模块以模拟瞬态特性;③采用局部对称计算方法,减少了计算资源消耗,提高了计算速度;④增加了二维模块,提高了轴对称电子枪和收集极的计算速度;⑤研发了64位版本EOS,突破了32位版本的内存限制;⑥使用LU分解法求解矩阵,提高了有限元矩阵求解速度;⑦基于OpenMP并行计算技术,提高了计算效率。

短毫米波和太赫兹线性注真空器件研究

对短毫米波和太赫兹真空辐射源的发展现状进行了简要的综述,对高频结构的种类、器件类型、频率等进行了分析。文中重点介绍了W波段行波管、返波管的研究结果,以及利用MEMS技术加工高频结构的结果;还给出了220GHz圆形电子注、带状电子注折叠波导慢波结构的设计和模拟结果;研究了带状电子注情况下耦合阻抗和轴向电场的平坦度,对于开展高频率器件实现高效率互作用打下了基础。

多注集成带状注微波管电子光学传输特性研究

带状注在高频率、高功率、大电流密度等方面具有很好的前景,且其平面形的结构对于多注集成来说极具优势。为此该文选取了相对便于多注集成的均匀磁场、Wiggler磁场和周期会切(PCM)磁场,使用微波管模拟器套装的电子光学模拟器对带状电子注的传输特性进行了研究。结果表明:均匀磁场下带状注可以稳定传输最远;随着带状电子注电流密度的增大,相对不易获取的磁场结构依次是PCM磁场(最难获得)、Wiggler磁场和均匀磁场;Wiggler磁场相对而言,是比较便于工程应用,并保证电流密度较大带状电子注可以稳定传输的最好选择。给出了Wiggler磁场3×3多注集成的模拟结果,其电流密度为110 A/cm2,该Wiggler磁场结构的凹槽可以使带状电子注在传输过程中具有一定的聚束效果,对于约束互作用后的电子注将有良好的效果。

微波管用氧化铝陶瓷真空耐压性能及测试方法研究

本文根据微波管用氧化铝陶瓷的使用条件,对氧化铝陶瓷绝缘子真空耐压性能的测试方法进行了研究,同时还研究了测试系统真空度对陶瓷耐压性能的影响。此外,利用本文确定的测试方法,对不同工艺制备的氧化铝陶瓷真空耐压性能进行了测试,结果发现采用不同工艺制备的氧化铝陶瓷真空耐压性能存在显著差异。

太赫兹真空器件中的微加工技术和微封装技术

当工作频率升高至太赫兹频段时,真空器件的结构尺寸缩小至毫米级甚至微米级。传统的精密加工方法已经不能满足要求,这就要求采用新的加工技术即微细加工技术以保证很高的尺寸精度和表面光洁度。本文介绍了三种主要的微细加工技术,LIGA、UV(紫外)LIGA和深反应离子刻蚀,阐述了这三种加工技术的工艺流程、特点以及其应用情况,并举例说明各加工技术在太赫兹真空器件中的一些应用。

第十六届国际真空电子学会议在北京召开

2015年4月27-29日,由北京真空电子技术研究所、电子科技大学、IEEE北京分会和微波电真空器件国家重点实验室联合主办的第十六届国际真空电子学会议(IEEE International Vacuum Electronics Conference,IVEC2015)在北京国际会议中心召开,大会主席为北京真空电子技术研究所所长、微波电真空器件国家重点实验室主任闫铁昌,技术程序委员会主席为北京真空电子技术研究所副总工程师、IEEE Beijing Section主席、微波电真空器件国家重点实验室副主任冯进军。本次会议有来自美、英、法、俄、日、德。

一维阵列电子注平面聚焦系统磁场分布特性

针对平面集成行波管对一维阵列电子注聚焦的应用需求,设计了4通道电子注平面磁聚焦系统。将各通道磁场轴向和横向分量沿轴分布特征计算结果与测试结果进行对比,确认了Opera软件计算磁场分布特征的准确性。为与轴对称周期永磁(PPM)聚焦系统电子注通道内磁场分布特性进行对比,建立了轴对称PPM聚焦系统模型,测试结果与计算结果一致性较好。通过平面聚焦系统与轴对称PPM聚焦系统电子注通道内的磁场纵向和横向分布特性对比表明,两种聚焦系统电子注通道内纵向和横向磁场具有相同的分布特征,在离轴相同位置的圆周上横向磁场分量与轴向分量的比值均为Bx/Bz≈0.11,该平面聚焦系统可实现一维阵列圆形电子注的良好聚焦。

微/纳真空器件封装技术

极度微型化的微/纳真空器件要求专门的封装技术。论文综述了适用于微/纳真空器件封装的真空键合和电极互连技术,同时系统分析了一些相关技术,包括实现真空获得与维持的微型、可集成真空泵技术和非蒸散、薄膜吸气剂技术,监测器件工作环境的真空度测量技术,以及检测器件封装的真空检漏技术等。分析结果对微/纳真空器件的设计与工艺实现提供了有益参考。

W波段行波管低电压小型化技术研究

有源相控阵雷达、无人机载侦察雷达的高频率发展,对小型化W波段行波管提出了明确应用需求。文中主要开展W波段行波管小型化研究,设计上采用低电压、大电流方案提高增益参量,使用高耦合阻抗慢波结构搭配相速跳变技术提升电子效率;同时开展零部件结构设计,实现整管小型化。基于上述方法开展了低电压百瓦级W波段行波管设计并进行了制管验证。实测结果显示工作电压12.8 kV,89 GHz~100 GHz频带内输出功率大于100 W;使用四极降压收集极提升总效率,90 GHz~99 GHz内总效率大于30%,整管带外包装件尺寸为252×50×42 mm^(3)。