微波管器件现状及技术发展分析(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所大功率微波电真空器件技术国防 作者:范永民

3、阴极技术

  目前对具有低功函数和低工作温度的大电流密度钪系阴极的工作机理和微观结构仍没有完全的理解 。场发射体阴极没有完全进入显示器件领域,目前还在研究的唯一的场发射显示技术是佳能公司的表面传导电子发射体显示器SED ,也面临被别的技术替代的危险。在线性注微波管中,还在进行Spindt 型场阵列阴极的应用工作,以利用它的大电流密度能力。微波管热阴极,目前正在收获过去20年的努力结果, 在美国这些研究主要由三军和NASA 资助的,但在欧洲和亚洲也做了很多工作,并取得了突破进展。人们普遍采用Miram 曲线作为技术平台来进行交流,比较阴极的发射性能。从Miram 曲线可以得到很多阴极的信息,如实际功函数分布等,而且阴极的质量和性能以一种被广泛接受和理解的方式进行精确的量化。

  多年以来,由Zalm 和van St rat um 在20 世纪60 年代发明的M型覆锇阴极一直是微波管工业的支柱。对这种阴极的基本形式已经在发射机理方面有了很好的理解,并且有了很多改进的类型。沉积技术的发展已经可以实现对阴极的组分、微观结构、晶体取向和阴极涂层的扩散特性进行高度的可控。这已经直接反应在阴极性能和寿命的改进上。目前Virian 已经可以生产性能很好的储备式阴极,重复性也很好,例如CloudSat 实验雷达卫星上的EIK, 使用的是94GHz 最低点雷达进行云层和大气水汽的成像。EIK中的阴极工作电流密度为1112 A/ cm2 ,要求在空间中有两年的工作寿命。颗粒大小可控的钨粉制成储备式阴极,能够提供长寿命的10~20 A/ cm2 电流密度,虽然寿命较短,但还是可以使用的。例如IS-TO K返波管中的阴极工作电流密度为连续波100A/cm2 ,寿命为几十到几百小时。钪酸盐阴极已经取得了很大的进展和很好的性能,但是氧化钪降低表面功函数和增强钪酸盐阴极发射性能的发射机理还没有得到很好的解释。中国研究人员利用溶胶技术获得钪钨均匀混合体来制造高性能的钪酸盐阴极,并在SLAC 的类似行波管的测试台上提供的Pierce 电子枪和电子注通道进行了测试,得到了很低的功函数和大电流密度下很好的发射寿命。

4、100 GHz 及以上频率的器件技术

  DARPA 已经启动了一个名为高频集成真空电子学( HiFIVE) 的计划来挑战这个领域,欲展示这些微加工技术可以用来获得空前性能和集成度的大功率放大器,其中功率带宽积在220 GHz 时达到500 W·GHz。N G公司和Teledyne 公司联合开展DARPA 资助的太赫兹成像共焦平面阵列技术( TIF T) 中的小型化高效率的真空辐射源目前已经达到01605~01675 THz 在3 %工作比下RF 功率达到52 mW。采用反馈振荡折叠波导慢波结构,电路阴极采用M 型411 阴极和集成聚焦电极,10 kg的钕铁硼磁钢,慢波电路采用深反应离子刻蚀技术加工,并采用单级降压收集极。为了提高效率和功率,开展了关键技术研究:电子枪静电设计、电子光学磁聚焦系统、折叠波导慢波电路及其输出电路设计、收集极设计等。最近的样管在10 kV 电压418mA 电流下流通率达到78 %。利用CHRISTINE3D 计算优化后采用POCO 石墨透镜的考虑二次电子发射的收集极效率达到9214 %。预计器件总效率达到1 %。

  在技术上,Wisconsin 正在开发硅基毫米波和太赫兹的真空电子器件,开发相关的微加工挑战的解决方案。为了使电磁场和电子注之间的互作用最强,需要在硅脊曲折线的上面涂覆金属化层,而曲折线的侧壁和沟道底部均不需要金属化。传统的平面或保形的蒸发和溅射镀膜都无法实现选择性的金属化。所以就开发了一种工艺,采用光刻胶掩膜和在种子层上电镀的方法,在慢波结构的顶部实现选择性的金属化。

5、空间通讯行波管

  行波管的高效率和轻质量,大量使用在卫星的下链接。卫星上链接地面站也大量使用行波管,EIK,CCTWT 和速调管。地面转发器使用速调管和行波管提供卫星无法到达的数字无线信号,感应输出管(速调四极管) 提供U HF 高清晰度内容的电视广播。对流层散射系统使用速调管和行波管为可运输应用提供点对点的高数据传输率链接。卫星为地面传输大量的信息流,包括视频、音频或数据。大多数传输是数字编码的,所以在卫星管线中都采用同样的方式。ITU 配置的常用频带是C 波段(5185~711 GHz) , Ku 波段(12175~1415 GHz) 和DBS(1713~1814 GHz) ,也有新出现的Ka 波段(2715~30 GHz)  。对于空间通讯卫星下链接放大器工作在恶劣环境,要求高性能和超高可靠性(超过20年) 。20 世纪90 年代中期以后, 行波管放大器( TWTA) 已经明显恢复了卫星下链接放大器的市场份额,近期TWTA 的市场份额将超过90 %。

  从波音公司的上亿小时的空间数据积累结果分析,可以看出空间行波管的可靠性高于固态功率器件,所以未来在宽带无线互联网方面,高效率高可靠长寿命的毫米波空间行波管将发挥重要作用。

6、结束语

  国外微波真空功率器件已经在种类、水平上达到了较高的水平,也比较成熟,国内在整体上和国外先进水平还有一定的差距,正处于一个关键时期。微波真空器件将继续在未来的几十年内继续发挥大功率,高效率,低成本的优势,在系统中得到应用。虽然固态功率器件发展迅速,在材料、工艺和性能上都有了长足进步,但在高频率,特别是30 GHz 以上,真空功率器件仍然在功率和成本方面占有明显的优势。随着大电流密度阴极,CAD 技术、微加工技术的发展,返波振荡管、扩展互作用器件、光子晶体器件等亚毫米波真空电子器件将会得到迅速发展,并将在宽带通讯、深空探测、医疗成像等方面得到广泛应用。

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