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太赫茲真空器件的重要組成部件

DT半導(dǎo)體 ? 來源:DT半導(dǎo)體 ? 2024-01-04 10:03 ? 次閱讀
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太赫茲波處于電磁波譜中電子學(xué)與光子學(xué)之間的空隙區(qū)域,具有不同于低頻微波和高頻光學(xué)的獨特屬性,在無線通信、生物醫(yī)學(xué)、公共安全等軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲技術(shù)重點是對太赫茲波的產(chǎn)生和傳輸進行研究,當前所面臨問題是在不產(chǎn)生額外傳輸損耗下保證高效率傳輸太赫茲信號。太赫茲行波管輸能窗是典型的結(jié)構(gòu)功能一體化器件,主要起著行波管內(nèi)外信號傳遞的作用,同時還要保證器件內(nèi)部的真空度以及對太赫茲波表現(xiàn)出高度“透明”。

本文通過對近年來文獻總結(jié)整理,綜述了國內(nèi)外太赫茲行波管的應(yīng)用和研究進展,揭示了未來發(fā)展大功率、高效率和寬頻帶傳輸是實現(xiàn)太赫茲真空器件實際應(yīng)用的重點,這將對輸能窗材料本身以及超精密加工提出了巨大挑戰(zhàn)??v觀近幾年國內(nèi)外輸能窗材料的發(fā)展歷程,筆者們認為,與傳統(tǒng)輸能窗材料相比,單晶金剛石強度高,導(dǎo)熱好,微波損耗小,沒有晶界,氣密性好,是最理想的太赫茲行波管輸能窗口材料,也是目前研究發(fā)展的主流趨勢。

引 言

太赫茲(Terahertz, THz)的概念最早在 1974 年由 Fleming 提出。太赫茲波在電磁波譜中位于0.1~10THz 區(qū)域內(nèi)(波長為 3~30μm),其位置正好位于電磁譜中宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡區(qū)域(如圖 1 所示),具有對非極性物質(zhì)強穿透性、光子能量低、特征性等特殊的物理屬性,在國防軍工、生物醫(yī)學(xué)、無線通信以及公共安全等方面有廣泛的應(yīng)用,引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。

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圖 1 THz 頻段的特殊位置以及該頻段的應(yīng)用

太赫茲技術(shù)是對太赫茲波的產(chǎn)生、傳輸和控制進行研究,其中包含太赫茲源和太赫茲檢測。太赫茲源是產(chǎn)生太赫茲波的裝置,主要有半導(dǎo)體太赫茲輻射源、光學(xué)太赫茲輻射源、真空電子太赫茲器件等。不同的太赫茲源裝置所產(chǎn)生的太赫茲波方式不同,如半導(dǎo)體太赫茲源通過半導(dǎo)體中量子阱超晶格的電子能級躍遷產(chǎn)生太赫茲波,具有較小尺寸、寬的光譜覆蓋范圍和高輸出功率等特點,但也存在光束質(zhì)量差、寬帶窄以及不能在室溫下工作等缺點;光學(xué)太赫茲輻射源是將光學(xué)信號變頻轉(zhuǎn)換為太赫茲頻段的技術(shù),主要優(yōu)點是通過光纖電纜可實現(xiàn)太赫茲信號的低損耗遠距離傳輸,而轉(zhuǎn)換效率低是目前所面臨的難題;真空電子器件是利用在強磁場中運動的聚束電子發(fā)射太赫茲波,具有高輸出功率以及寬調(diào)諧范圍的優(yōu)點,是國內(nèi)外實驗室中最常用、最重要的太赫茲源,也是未來研究重點。

太赫茲檢測分為太赫茲光譜檢測和直接檢測兩類,前者是對產(chǎn)生的脈沖信號進行檢測,而后者是對輻射能量進行檢測。太赫茲探測器的主要原理:被檢測對象中的電子會吸收電磁波,引起電子分布狀態(tài)的變化,捕獲所產(chǎn)生的電信號,從而達到檢測目的。太赫茲技術(shù)憑借著穿透性強、高輸出功率、低光子能量、寬帶寬、波束窄以及指紋譜峰等特性,能夠在雷達通信、無損檢測、安全檢查、天文物理以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如:太赫茲雷達與傳統(tǒng)紅外和激光雷達相比,具有更高的成像分辨率和時間檢測精度,超寬帶寬也能使隱形戰(zhàn)機“顯形”;同時,強穿透性可以保證在混亂戰(zhàn)場上信息高效、穩(wěn)定的傳達;低光子能量可確保檢測對象不受破壞,適用于無損檢測和安檢領(lǐng)域;利用對極性液體的高敏感度和大多數(shù)生物大分子形成相對應(yīng)的“指紋峰”等優(yōu)勢,可確定不同生物組織的差異,從而進一步分析病理情況。但生物組織以及空氣中的水分都會對太赫茲波傳輸造成很大影響,導(dǎo)致檢測距離變短、成像模糊,對太赫茲技術(shù)應(yīng)用有很大的約束。

隨著太赫茲技術(shù)在各個領(lǐng)域快速發(fā)展,對太赫茲源提出了高功率、高效率傳輸要求。其中太赫茲真空電子器件在眾多太赫茲源中憑借著高功率可調(diào)控優(yōu)勢脫穎而出,并成為目前研究主流。在今后,真空電子太赫茲器件會邁向小型化、高功率、低造價的應(yīng)用,但該類器件會受到尺寸共渡效應(yīng)等影響,在邁向更高頻段過程中材料研制方面有著不小的阻礙。輸能窗作為其中典型的結(jié)構(gòu)功能一體化器件,其結(jié)構(gòu)和尺寸會受到真空電子器件尺寸結(jié)構(gòu)的約束,自身性能也會受到窗口材料和裝配加工工藝等因素的制約。下一部分將對真空電子器件中輸能窗進行詳細介紹。

太赫茲真空器件的重要組成部件——輸能窗

輸能窗的作用及研制要求

太赫茲真空器件是通過真空中的電子束和電磁波的交互作用產(chǎn)生高頻段的太赫茲波,此類器件的輻射功率可以做到毫瓦級到兆瓦級的全面覆蓋。高轉(zhuǎn)換效率和輸出功率等特點,使得太赫茲真空器件在無損檢測、遠距離成像和通信領(lǐng)域有著很好的發(fā)展前景。但當前所面臨的主要問題是如何設(shè)計出合適的太赫茲輻射源以及確保產(chǎn)生的太赫茲波能夠高效率傳輸。如圖 2 所示,行波管主要由電子槍、聚焦系統(tǒng)、輸能裝置、高頻結(jié)構(gòu)以及收集極組成,通過慢波電路使電子與微波場進行能量交換,實現(xiàn)對微波信號的放大。其中輸能窗位于行波管中電磁波輸入和輸出位置,是行波管內(nèi)部高度真空與管外大氣之間的介質(zhì)窗片,同時輸能窗與慢波電路之間應(yīng)具有良好的阻抗匹配,來減少由電磁波反射所引起的振蕩情況。

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圖 2 行波管結(jié)構(gòu)示意圖以及輸能窗所處位置

輸能窗介質(zhì)材料選取會對器件結(jié)構(gòu)、功率容量和整管性能有很大的影響。如圖 3 所示選用金剛石材料作為行波管輸能窗,一方面金剛石介質(zhì)材料具有良好的匹配性,能確保真空器件中振蕩的電磁波低損耗進入慢波結(jié)構(gòu),與電子束相互作用后放大并輸出太赫茲波;另一方面,它具備優(yōu)異的密封性能,保證真空電子器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)可靠性以及內(nèi)部高度真空性。隨著工作頻率達到高頻段的太赫茲頻段,輸出窗的特征尺寸變的很小,對輸出窗材料本身、后續(xù)加工和裝配是一個很大的挑戰(zhàn)。由于輸能窗所處的特殊位置以及在整個器件中的關(guān)鍵作用,為保證輸能窗能更好的發(fā)揮應(yīng)有的功能,所選介質(zhì)材料必須具備有以下幾點要求:

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圖 3 輸能窗在行波管中的作用

1、高機械強度和良好的密封性:為保證太赫茲真空器件的真空度,輸能窗必須具備很好的密封性,同時能夠承擔真空過程中的壓強而不產(chǎn)生裂紋。

2、對太赫茲波段表現(xiàn)出高度“透明”:為提高太赫茲在通過輸能窗的透射率并減少損耗,需要輸能窗材料有低的介電常數(shù),在工作頻段有低的介電損耗,以此提升輸能窗與各結(jié)構(gòu)之間的阻抗匹配度,降低由于匹配不佳引起的電磁波反射所造成的行波管內(nèi)出現(xiàn)的寄生振蕩,保證傳輸過程中信號的高效傳輸。

3、具有高的熱導(dǎo)率:輸能窗要有良好的散熱性,耐高溫,能夠很好的適應(yīng)溫度、沖擊、壓力等一些環(huán)境條件的變化。

典型輸能窗的發(fā)展

隨著太赫茲行波管的迅猛發(fā)展,對輸能窗提出了高要求與迫切需求,首先輸能窗材料選取方面是至關(guān)重要的一點。

目前常用的幾種微波輸能窗片有:

藍寶石(單晶Al2O3)窗片:機械強度大,加工后表面結(jié)構(gòu)均勻致密,不易產(chǎn)生熔融擊穿效應(yīng),熔5/19點高工作溫度高;制備成本較低,工藝較為成熟。Nayek 等在 2008 年采用藍寶石作為 S波段微波窗口介質(zhì)材料,平均功率達到 25 kW,同時藍寶石的無缺陷表能夠保證其具有高的抗彎強度。在 2020年,徐望炬等研究發(fā)現(xiàn),當工作頻率達到 94 GHz 時,藍寶石輸出窗性能最好。同年,沈景軒等提出了一種基于超硬材料的 W 波段行波管窗口,是以藍寶石作為電介質(zhì),兩邊由兩片結(jié)構(gòu)銅板組成的盒型窗,其工作頻段能達到 94.95 GHz,測試得到駐波比(VSWR)為 1.0029,以及 3 GHz 的帶寬。之后在 2021 年提出一種在 Ka 波段下應(yīng)用于行波管的低駐波比,寬帶寬的超材料盒型窗。進行冷測發(fā)現(xiàn),在 VSWR<1.2 下帶寬達到 31.5 GHz,在 VSWR<1.1 下帶寬達到了 18 GHz。

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圖 4 BeO 與Al2O3材料的熱導(dǎo)率在不同溫度下的變化

氧化鈹窗片:在室溫下 BeO 陶瓷窗片具有較低的介電常數(shù)和介電損耗,在工作波段為X 波段時,BeO 陶瓷與 Al2O3 相比有更高的輸出功率。美國海軍實驗室在 2013 年使用BeO 陶瓷作為 220GHz 行波管的輸能窗片,冷測實驗的結(jié)果為,在 200GHz~225GHz 共25GHz 的帶寬上,回波損耗優(yōu)于 20dB,符合行波管的使用需求,而目前在國內(nèi)沒有關(guān)于 BeO窗口在太赫茲頻段下應(yīng)用的報道。如圖4是BeO與 Al2O3材料的熱導(dǎo)率在不同溫度下的關(guān)系。表示的是 BeO 與 Al2O3 的熱導(dǎo)率在不同溫度下的變化趨勢。左圖可以看出 BeO 陶瓷是低溫高導(dǎo)熱材料(100℃以下),而 Al2O3 材料的熱導(dǎo)率較低。但隨著溫度的升高,兩者的熱導(dǎo)率都呈現(xiàn)出下降趨勢,而 Al2O3材料更加穩(wěn)定,這對在選材時非常重要。右圖表示兩者在高于 200℃之后的熱導(dǎo)率變化趨勢,雖然 BeO 陶瓷在高溫下的熱導(dǎo)率與Al2O3材料相比始終較高,但 BeO 陶瓷的下降趨勢劇烈,不適宜用于太赫茲頻段下輸能窗材料。此外,BeO陶瓷在生產(chǎn)過程中也會對操作人員和環(huán)境造成很大的危害和污染,目前已經(jīng)被許多國家限制使用。

多晶金剛石(PCD)窗片:金剛石薄膜具有眾多優(yōu)異性能,如:極高硬度、低介電常數(shù)、極低介電損耗、寬光學(xué)透明性和高熱導(dǎo)率,這使得在光學(xué)窗口和行波管的輸能窗方面有著優(yōu)越的應(yīng)用前景。在近十年,中電十二所丁明清等對多晶金剛石以及復(fù)合多層金剛石薄膜制備太赫茲行波管輸能窗方面進行研究,通過采用超納米晶金剛石(UNCD)與傳統(tǒng) PCD、微晶金剛石(MCD)進行復(fù)合生長出多層復(fù)合金剛石薄膜,對復(fù)合薄膜的機械強度和密封性進行改性和機理分析。使的復(fù)合薄膜擁有更高的機械強度滿足在太赫茲波段下的使用。表 1是 對傳統(tǒng)藍寶石、氧化鈹和金剛石輸能窗材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、介電性能以及6 / 197 / 19光學(xué)性能進行對比。對比發(fā)現(xiàn),金剛石材料具有更高的抗彎強度和熱導(dǎo)率,同時具有低的介電常數(shù)和介電損耗值,也具有極寬的光譜透過范圍,能夠適用于太赫茲輸能窗的應(yīng)用。而藍寶石和 BeO 材料的機械強度小,后續(xù)加工過程中易產(chǎn)生破損現(xiàn)象。在金剛石材料中,多晶金剛石與單晶金剛石相比具有大量的晶界,在輸能窗的應(yīng)用時不易保證真空器件的密封性,也會導(dǎo)致材料的介電損耗大大增加。因此,單晶金剛石材料是“太赫茲輸能窗最理想的材料”。

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審核編輯:湯梓紅

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原文標題:金剛石應(yīng)用--太赫茲行波管用金剛石輸能窗

文章出處:【微信號:DT-Semiconductor,微信公眾號:DT半導(dǎo)體】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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