微波管器件現狀及技術發展分析

2009-12-10 范永民 北京真空電子技術研究所大功率微波電真空器件技術國防

  綜述了國內外幾種主要的微波真空功率器件技術的發展現狀,特別對微波管CAD技術、短(亞) 毫米波器件、陰極技術等進行了分析,并對整個微波管行業面臨的挑戰和機遇進行了討論。

  微波真空功率器件的發展已經經過了一個世紀,從最早的第二次世界戰爭的三極管開始,在20世紀取得了很大的進步,微波管逐步發展了線性注器件、正交場器件和快波器件,克服了三極管的渡越時間效應,以速調管、行波管、磁控管、正交場放大器、返波管、回旋器件等為代表的功率器件頻率已經覆蓋了1GHz 到100GHz 的頻段,在雷達、電子戰、通訊、工業加熱、醫療設備、高能物理、空間探測、科學研究等方面取得了廣泛的應用。同時,隨著微加工技術的發展,場發射陣列陰極也以其功耗小、啟動快、電流密度大等特點也應用到微波管中,利用強相對論電子注( IREB) 產生超高功率微波毫米波輻射。

  進入21 世紀以來,微波管在頻率、效率和功率上進一步提高,并朝著微/小型化和模塊化發展。計算機硬件和計算電磁學的發展,微波管的計算機輔助設計(CAD) 技術得到了很大的進步,以前需要大量實驗研究才能解決的問題現在通過軟件模擬可以很容易進行方案的驗證和優化。納米材料陰極技術、高磁場強度低溫度系數磁鋼技術、精細陶瓷材料、CAD 金剛石技術、精密金屬零件加工技術、自動測試技術、電源技術等支撐技術的發展,也為微波管技術的發展增添了活力。

1、現狀及分析

  國外從事真空功率器件的研究主要有美國、俄羅斯、法國、英國、德國、印度、日本和韓國等。美國在軍用電真空器件研究、開發和生產方面具有較為完備的體系,有重點大學、國家實驗室和工業部門(以及部分公司) 參與從基礎研究、計算機模擬、產品樣機和批量生產的整個過程,研究和開發的產品類型也最為全面,涉及到從L 波段到W 波段,乃至太赫茲頻率的各種功率器件,其投資以及研發工作處于世界各國的前列。俄羅斯(及烏克蘭等前蘇聯)在軍用微波管領域也有很強的研究和開發力量,在亞毫米波返波振蕩器方面具有很強的實力,在回旋器件、傳統的行波管、速調管、磁控管等方面具有一定的優勢,另外在多注器件、橫向場器件等方面有專門的研究工作。國內主要有四個單位和一個國防科技重點實驗室承擔微波管的研究、開發和生產任務,需要在自主設計能力、加工能力、工藝水平、可靠性技術、支撐和配套技術、高層次人才培養方面做大量的工作。

2、CAD技術

  現代微波管的CAD在研究和開發中的作用越來越大,是改善器件性能、縮短研制周期、降低成本的有效手段,F有的真空功率器件如行波管、速調管和回旋器件,其基本原理都建立在麥克斯韋方程和洛倫茲方程的基礎上,但內部的物理過程卻變化很大,在時間和空間的范圍內完全不同,這給開發精確高效的計算程序提出了很大的挑戰。為了完成這些模型和模擬的挑戰,理想情況應該是完全自洽,從頭到尾(從電子發射到電子收集) 整個過程的計算機模擬。盡管現在的計算機速度很快,再加上并行計算的優勢,現有的計算機資源對整個器件的計算量而言仍顯不足。為了解決這些問題,可以將問題分解為可以求解的子問題,然后開發相應的算法和程序來模擬每一部分的物理現象,再利用接口程序進行各部分之間的通訊,將結果集成在一起。這樣就可以將整個RF 能量的輻射過程分解為:電子注的產生,注的傳輸,注波互作用,電子注的收集,放大器中信號的輸入,射頻能量的輸出以及熱控制等。目前大部分的CAD 程序都是針對各部件的模擬單獨開發的,但總的理念可以描述為“以幾何模型為基礎,自洽現象”的方法。過去的模型經常有一些簡化和近似,而近年來的CAD 都采用二維/ 三維的幾何結構,可以進行更接近實際的場和邊界條件的物理過程模擬,得到更加精確的模擬結果。

  現代真空電子功率器件CAD 的發展方向: ①器件頻率提高后器件尺寸的減小,要求網格劃分更加細致,精度要求更高; ②模擬由二維向三維粒子方向發展,來滿足柵控器件、多注器件、帶狀注等非對稱結構的電子光學和互作用的模擬; ③多物理場的互作用對器件性能的影響,還要兼顧計算時間、對計算機硬件的要求等。這些多物理場的模擬包括電子動力學、RF 特性、熱性能、力學性能、機械形變、環境影響等,同時考慮到可加工性和成本問題; ④軟件能夠方便地建立器件實體結構模型,適應更復雜的器件結構模型,以及軟件之間模型的可傳遞性、軟件的易用性、界面的友好性、過程的可視性、后處理的可操作性要求提高; ⑤擴展現有的材料性能模型,如各向異性材料、微波衰減材料等,可以任意輸入不同介電常數、導磁率、導電率、損耗正切等; ⑥考慮多種電子發射模型,如空間電荷限制發射模型、溫度限制發射模型、場發射模型、二次電子發射模型、光電發射模型、以及用戶定制的固定發射模型等,以滿足電子槍中各種不同陰極以及在多級降壓收集極模擬中對二次電子的處理; ⑦采用更先進的優化方法,來減小運行時間,降低對計算機硬件的要求; ⑧器件的整體模擬(從陰極到收集極) 要充分發揮并行計算的優勢,就要求重新編寫計算程序和利用特殊的計算機群。一些軟件已經具有并行運行的版本,Mi-chelle ,Analyst 和TESLA-MB。另外,計算機結構在真空電子器件的應用是圖形處理單元(GPUs) ,可以用來顯示三維模型和結構,在普通計算機上增加圖形卡可以實現這些功能。

  Christine 在美國是一個很重要的軟件,專門用于行波管互作用的模擬和優化,目前已經有一維和三維軟件,而且其精度已經得到了美國工業部門和研究所的普遍認可。最近又在交流空間電荷模型上進行了改進,使其物理模型更加完善,結果更加可靠。該程序目前已經擴展到Christine-CC ,即耦合腔行波管的大信號計算程序, CPI 利用V TA6430A2 進行驗證工作,它在28~30 GHz 范圍內可電壓調諧, 輸出功率500 W , 瞬時帶寬500MHz 。CHRISTINE2CC 使用一維圓盤模型,用戶可以選擇慢波電路的集總參數,可以選擇間隙電場的模型。慢波電路模型可以是Curnow 的,也可以是Malykhin , Konnov 和Komarov 的。間隙場的模型可以是拋物線型的,也可以是Kosmahl-Branch型的?臻g電荷場和CHRISTINE 螺旋線行波管中的一樣,但有所改進。CPI 共進行了3 種條件的模擬,其中一種情況的模擬結果和實際測試結果非常一致。

  CAD 在現有器件性能的提升和新器件的研制等方面有著獨特的優勢,可以很方便地開展虛擬實驗和優化工作,而不需要等待機械零件加工和工藝裝配過程;可以很容易地進行某個結構參數的優化工作,并進行敏感度分析,F有的軟件都是在已有的結構尺寸情況下,對其參數進行計算,內部的電磁場進行分析,或互作用分析,也就是假設這個結構的存在然后進行模擬。但這些對設計人員來說,似乎缺乏一種計算機程序,在輸入技術指標和相關參數后可以得到一種初始的電參數和結構設計參數,經現有的軟件模擬后能基本滿足要求,然后再進行改進和優化。所以,軟件只能用來對初始設計進行模擬、優化和敏感度分析等,并不能代替設計工作。制管工程師一定要掌握設計過程,了解器件內部的物理過程,才能再進行CAD 的過程中,提高分析能力,更好地利用各種軟件,提高設計水平 。