收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

紧凑型高效率毫米波扩展互作用器件的关键技术研究

毕亮杰  
【摘要】:毫米波为30GHz到300GHz范围内的电磁波,真空电子器件在毫米波段对民用和国防军事领域具有重要应用价值,尤其是高工作频率、高效率、高功率、高可靠性、低电压、小型化的毫米波真空电子器件,已成为近年来这类器件的研究热点。扩展互作用器件结合了速调管和行波管技术的特点,具有体积小、重量轻、工作电压低、带宽宽、功率高等优点,是一种紧凑型真空电子器件,在毫米波段具有很大的发展潜力,已成为当前高频率毫米波源的研究重点。但当扩展互作用器件在毫米波段频率升高时,尺寸共渡效应使器件尺寸减小(到亚毫米量级),带来一系列技术难题,如:传统圆形电子注通道非常小(远小于毫米波波长),允许通过的电流降低;互作用间隙尺寸减小,易引起射频击穿;电路高频损耗大。这些难题导致器件电子效率和功率降低,甚至无功率输出。为了解决毫米波段频率升高带来的器件效率降低问题,本论文提出采用高阶模工作机制使单注器件在同等频率下具有比基模机制更大的尺寸,使器件在频率升高后仍有一定的功率输出;提出功率合成的思路提升器件功率并验证了其可行性;对基模和高阶模毫米波器件开展了提升效率的注-波互作用机理研究。论文主要工作及创新点如下:1.本文首先对基模工作毫米波扩展互作用振荡器开展了基础理论、仿真模拟与实验研究,提出可避免模式竞争的模式分布优化技术并研究了基模工作机理。对基模器件开展了冷测和热测实验研究,冷测采用探针激励和波导馈入两种方法得到基模2π模频率均为35.8GHz;热测实验结果表明器件可在2π模稳定工作,且测试频率与冷测一致,验证了设计的正确性,为后续效率和功率的提升奠定了基础。2.针对频率提升带来器件功率降低问题,提出采用功率合成的方法将多个小尺寸器件角向级联形成扩展互作用功率合成电路;提出了一种有利于功率合成的输出电路。这种合成方法具有以下三个特点:(1)级联后多个单腔电路分布在同一个圆周上,形成分布式空心电子注,可共用同一个磁聚焦系统;(2)引入多电子注,提高了电子枪的总导流系数;(3)可增大横向圆周直径,在角向级联更多带状注单腔形成更大规模功率合成,进一步提升功率。分布式空心注与合成电路均匀分布的场发生互作用,使器件在注电压27kV、电流4.2A条件下产生功率10kW,对应频率103GHz,这种电路的提出为毫米波扩展互作用器件功率的提升提供了一种有效的方法。3.针对频率提升后器件由于功率容量减小、高频损耗增大等导致无法正常工作的问题,提出适用于此类器件的高阶模工作机制,旨在使器件在频率升高后仍有一定的功率输出。基于对基模工作机理的分析开展了基模与高阶模模式场横向分布转化研究,并据此设计了Ka波段TM_(31)模扩展互作用振荡器。研究表明TM_(31)模机制在与基模工作同等频率下可支撑横向尺寸两倍于工作波长的扩展互作用电路,增大功率容量。粒子模拟结果表明TM_(31)模振荡器可在注电压61kV、电流3A条件下产生26.3kW功率,效率14.4%。当频率进一步升高到W波段时,利用横向驻波半波长场分布特点提出一种使扩展互作用电路在TM_(31)模机制稳定工作的设计方法,使其工作避免模式竞争,设计的W波段器件在注电压20.5kV、电流8A的条件下实现了10kW以上的功率输出,效率6.5%。4.当频率进一步升高到毫米波段上限300GHz时,圆形电子注由于器件尺寸进一步减小不足以支撑功率提升要求的电流大小,因此提出高阶模机制与带状注技术相结合提升器件在高频率要求下的效率和功率。设计了300GHz高阶模带状注扩展互作用电路,提出一种与带状注器件临界截止工作条件相匹配的高阶模设计方法,通过分析电路的三维电磁特性验证了设计方法的有效性。在具有同等水平的加工技术和同等材料的条件下,这种高阶模带状注电路与同频率基模带状注电路相比,其表面电流分布在一定储能条件下使其高频损耗减小,有利于器件效率的提升。5.基于空间电荷波理论开展了提升效率的注-波互作用机理研究,主要研究了电子注电流密度和填充比与电子相干性和去群聚效应之间的平衡关系。对第1、2点中设计的Ka波段基模和高阶模振荡器开展了粒子模拟研究,模拟结果显示当基模振荡器的注直径从λ/8减小到λ/40时(λ为工作波长),效率提升了10.5%,继续减小到λ/80,效率开始降低。高阶模振荡器注填充比从100%减小到0.36%时,效率提升了6.8%,继续减小时,效率降低。由此结果得到以下结论:在注电流一定的条件下,减小注填充比(即电流密度增大)使电子相干性增强且去群聚效应较弱时器件效率提升;继续减小注填充比,去群聚效应增强,相干性变差,效率降低。此外,分析了注-波互作用后电子的群聚特性,采用相速再同步技术改善了交出能量后电子的群聚质量,根据注-波互作用后电子能量分布和多腔速调管理念设计了非均匀周期结构,使基模器件的效率额外提升了2%。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前19条
1 邢俊毅;冯进军;;毫米波扩展互作用器件[J];真空电子技术;2010年02期
2 谢永桂;;超高速化合物半导体器件(4)[J];电子元器件应用;2002年12期
3 江兴;;2010年手机MEMS器件市场将达10亿美元[J];半导体信息;2006年05期
4 陈晖,黄香馥,朱君范;毫米波HEMT器件的电路模型研究[J];红外与毫米波学报;1994年04期
5 張富鑫 ,林崇文;准光学技术与器件的产生及其特点[J];成都电讯工程学院学报;1984年01期
6 Fred Zlotnick,Jess Diaz,彭京湘;在设计中重新考虑采用单门器件[J];电子产品世界;2001年05期
7 Jack.R.East;子民;;多普勒系统中应用的势越器件的设计、制造和评价[J];半导体情报;1977年05期
8 裴淳;;一种国产器件替代验证项目的确定方法[J];环境技术;2020年01期
9 吴朱华;;虚拟器件——虚拟化技术的新利刃[J];程序员;2010年04期
10 ;“MEMS器件与技术”专辑出版预告暨征稿启事[J];微纳电子技术;2010年04期
11 ;“MEMS器件与技术”专辑出版预告[J];微纳电子技术;2010年07期
12 ;“MEMS器件与技术”专辑出版预告[J];微纳电子技术;2010年09期
13 孙再吉;;2012年RF GaN器件市场达2.14亿美元[J];半导体信息;2009年02期
14 孙再吉;;印度MEMS器件的开发[J];半导体信息;2008年04期
15 孙再吉;;2010年GaAs器件市场超过42亿美元[J];半导体信息;2007年05期
16 ;SOC器件[J];电子元器件应用;2006年01期
17 ;Altera推出新款MAX II CPLD器件系列[J];电信科学;2004年04期
18 张宝春;隔离器件在工业现场的应用[J];计算机测量与控制;2003年03期
19 孙再吉;;MEMS器件市场探讨[J];半导体信息;2003年01期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 喻胜;;太赫兹电子回旋脉塞技术研究[A];第十届全国光电技术学术交流会论文集[C];2012年
2 黄华;许州;孟凡宝;金晓;马弘舸;余川;刘振帮;;高功率微波器件研究与发展概述[A];2013年全国微波毫米波会议论文集[C];2013年
3 邢俊毅;冯进军;;毫米波扩展互作用器件[A];真空电子技术—毫米波器件技术专题[C];2010年
4 顾杨;王学文;李铁;吴永进;罗袆;李连辉;张珽;;超薄柔性仿生器件用于声音检测[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第四十一分会:纳米材料与器件[C];2016年
5 王淑萌;丁军桥;王利祥;;溶液加工型高分子发光材料与器件[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十一分会:π-共轭材料[C];2016年
6 王宁娟;刘忠立;李宁;刘芳;李国花;;两种改进边缘效应的全耗尽MOSFET器件的制备及对辐射的影响[A];第十届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集[C];2009年
7 苏利;;数字电路实验中CMOS器件的应用探讨[A];教育部中南地区高等学校电子电气基础课教学研究会第二十届学术年会会议论文集(上册)[C];2010年
8 朱锋;张巍;陈思井;尤立星;黄翊东;王镇;;器件无关的经典/量子鉴熵实验[A];第十七届全国量子光学学术会议报告摘要集[C];2016年
9 许坤远;王钢;宋爱民;;平面纳米自开关器件灵敏度的研究[A];第十五届全国化合物半导体材料,微波器件和光电器件学术会议论文集[C];2008年
10 陈光军;胡昌华;任章;周志杰;;小波包分解在惯性器件故障诊断中应用研究[A];2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集(下册)[C];2004年
11 成永东;李明光;;管壁内闭空间气源对器件真空性能的影响[A];第九届真空技术应用学术年会论文集[C];2006年
12 刘宁;;以金属器件为例谈我国公共体育健身设施发展水平指标体系研究[A];2017年博鳌医药论坛论文集[C];2017年
13 倪经;周俊;杨陆;黄豹;;自旋电子学及其器件[A];真空电子技术—自旋电子学及器件发展专题[C];2013年
14 敖玉贵;;高频窄沟浅结器件用低温烧结技术研究[A];中国电子学会生产技术学分会电子封装专业委员会一九九七年度学术年会论文集[C];1997年
15 邵嘉平;;半导体照明器件发展现状及最新应用案例[A];2013年中国照明论坛——LED照明产品设计、应用与创新论坛论文集[C];2013年
16 田尔文;;微波固体器件与现代通信[A];1985年全国微波会议论文集[C];1985年
17 邓剑;王艳;马於光;;有机夹心器件室温下产生太赫兹[A];2012年两岸三地高分子液晶态与超分子有序结构学术研讨会(暨第十二届全国高分子液晶态与超分子有序结构学术论文报告)会议论文集[C];2012年
18 李辉;赵忠;;基于单轴转台的惯性器件标定方法[A];惯性技术发展动态发展方向研讨会文集——新世纪惯性技术在国民经济中的应用[C];2012年
19 卫宁;于伦正;郭红霞;党军;;二次包封CMOS器件电子辐照实验研究[A];第四届电子产品防护技术研讨会论文集(续)[C];2004年
20 朱起悦;;FPGA器件的可靠性预计[A];中国电子学会可靠性分会第十三届学术年会论文选[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前20条
1 毕亮杰;紧凑型高效率毫米波扩展互作用器件的关键技术研究[D];电子科技大学;2020年
2 宋萌萌;智能器件的垂直可控运动及在能量转换方面的研究[D];北京化工大学;2017年
3 杨传森;氧化钼基阻变器件类神经突触特性的研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年
4 王秀如;多色OLED器件及设备研究[D];上海大学;2006年
5 章文通;超结功率器件等效衬底模型与非全耗尽工作模式研究[D];电子科技大学;2016年
6 魏琳琳;过渡族金属氧化物基阻变器件电阻转变特性及其机理研究[D];武汉理工大学;2013年
7 郭鹏;有机电双稳材料与器件的研究[D];复旦大学;2007年
8 赵建辉;用于视觉系统的忆阻器特性研究[D];河北大学;2020年
9 殷乔楠;氧化钛阻变器件开关特性对尺寸和环境湿度依赖性的研究[D];南京大学;2016年
10 彭其明;有机电致发光器件的磁致亮度变化及其在器件物理中的应用研究[D];吉林大学;2015年
11 马晓华;90nm CMOS器件强场可靠性研究[D];西安电子科技大学;2006年
12 陶翔;应用于健康医疗的新型声表面波传感器及微流器件的研究[D];浙江大学;2020年
13 于浩;基于双层结构InGaZnO/InGaZnO:N薄膜晶体管及忆阻器件的研究[D];东北师范大学;2015年
14 欧谷平;有机电致发光材料及器件的研究[D];兰州大学;2006年
15 林靖杰;新型高K功率器件中高K的研究[D];电子科技大学;2020年
16 张文智;掺杂型热致延迟荧光器件及其电致发光机制的研究[D];华中科技大学;2017年
17 周雷;仿生蛾眼结构有机光电器件的光调控研究[D];苏州大学;2015年
18 汪洋;深亚微米静电防护器件原理与性能研究[D];湘潭大学;2015年
19 宋瑞良;共振隧穿器件的研制及模拟研究[D];天津大学;2009年
20 雷颜铭;毫米波扩展互作用器件理论研究[D];电子科技大学;2016年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 王文清;多层膜结构的忆阻器材料及器件的设计和制备[D];桂林理工大学;2020年
2 夹丹丹;嵌套型双向可控硅静电防护器件的性能研究[D];湘潭大学;2020年
3 贾旺旺;忆阻器件及其应用[D];电子科技大学;2016年
4 董华;基于忆阻器件的模数转换器的设计[D];电子科技大学;2014年
5 包晗;FPGA器件的应用研究[D];大连海事大学;2006年
6 王江南;顶发射OLED器件的研制及优化[D];陕西科技大学;2020年
7 雷国伟;超二维有机材料的器件优化及界面研究[D];华中科技大学;2015年
8 程祖华;场发射阴极OLED器件的结构及性能研究[D];郑州大学;2014年
9 赵俊;器件的热阻和温度的分析[D];西安电子科技大学;2012年
10 曹蕾;碳化硅功率MOSFET器件短路特性研究[D];浙江大学;2020年
11 杨坤隆;有机半导体器件的磁效应研究[D];复旦大学;2014年
12 顾野;忆阻器件的特性与电路应用研究[D];电子科技大学;2015年
13 张欣;低压高效OLED器件的制备与性能的研究[D];天津理工大学;2015年
14 宋林;酞菁铜有机薄膜晶体管器件的研究[D];北京交通大学;2007年
15 陈伟;OLED器件的性能测试与分析及其光谱优化[D];电子科技大学;2006年
16 郑博元;基于光加工技术制备蛋白质微纳结构与器件的研究[D];吉林大学;2017年
17 王明晖;有机电致发光器件功能层修饰及其对器件光电性能的影响[D];合肥工业大学;2014年
18 李天勇;长虹器件公司营销管理的研究[D];电子科技大学;2011年
19 张丽燕;Strained-SOI MOS器件的设计与优化[D];电子科技大学;2006年
20 贺丹丹;柔性显示器件的驱动电压和结构优化研究[D];山东大学;2018年
中国重要报纸全文数据库 前20条
1 见习记者 封帆 通讯员 王中强;神经突触仿生器件研制成功[N];中国科学报;2012年
2 洪恒飞 柯溢能 记者 江耘;“万能抓手”不粘附 快速组装微观器件[N];科技日报;2020年
3 ;Agere 推出 3D 光交换器件[N];中国计算机报;2001年
4 ;Cypress透露MRAM器件细节[N];计算机世界;2004年
5 本报记者 李惠钰;可降解植入电子医疗器件有望告别“二次手术”[N];中国科学报;2019年
6 陈曦 通讯员 焦德芳 焦全颖;“超级涂层”诞生 可克服植入器件的免疫排异[N];科技日报;2019年
7 记者 李大庆 吴长锋;我科学家实现与器件无关的量子随机数[N];科技日报;2018年
8 证券时报记者 方元;小器件做出大业绩 多家连接器公司预增[N];证券时报;2011年
9 记者 陈炳欣 北京;IDT推PCI Express交换器件[N];电子资讯时报;2006年
10 本版编辑赵艳秋 Danny Biran Ivo Bolsens John East;FPGA:65nm器件上量 低功耗市场兴起[N];中国电子报;2007年
11 本报记者 陈炳欣;系统成本具优势 SiC器件市场瓶颈待突破[N];中国电子报;2012年
12 赵艳秋;国产中高端LED器件成出口热点[N];中国电子报;2005年
13 ;RFS推出新型网络器件管理软件[N];通信产业报;2005年
14 安岚坡;科锐公司推出多项LED突破性新器件[N];消费日报;2010年
15 王适春 杨春生;北京电控打造新器件发展平台[N];中国工业报;2010年
16 山东 李宗友;无线供电器件的使用方法[N];电子报;2008年
17 万林;加快我国SiC功率器件研发与商用步伐[N];中国电子报;2012年
18 江苏 崔恩仲;颇富魅力的UCS005A LED平面发光组合器件[N];电子报;2006年
19 所宣;203所协力铸造一流器件[N];中国航天报;2005年
20 ;面向亚太高增长市场40nm器件大量发售[N];中国电子报;2009年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978