折叠波导慢波结构设计Word格式.docx
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基于半导体的来源,如量子级联激光器,Gunn雪崩二极管,或典型的快速波真空电子器件如自由电子激光器,目前不能同时提供高功率、高效率和高带宽。
微真空电子器件,即微所代表一个有前途的解决方案。
作为操作频率的增加太赫兹,传统传统的机械加工是不可行的加工要求。
在微机电系统(MEMS)技术最近的发展使得小型化高频真空电子器件。
螺旋线行波管和耦合腔行波管相比,折叠波导行波管是一种最实用的和有前途的太赫兹源由于其巨大的优势,它具有大功率、带宽适中,稳健的全金属结构,折叠波导可以通过微加工技术制造的,制造容易,和相对较低的成本和高重复性。
此外,该波导可以制作折叠波导电路在一个T时间。
因此,近年来,许多研究都集中在行波管这种慢波结构,许多新的折叠波导电路对增益和带宽的改进。
折叠波导慢波结构是折叠波导行波管系统的重要组成部分。
本文设计了一种用于高速无线通信系统的220GHz折叠波导电路,可以大大提高通信距离。
根据折叠波导慢波结构的物理特性,导出了一种求折叠波导电路主要参数的简便方法。
对折叠波导电路的冷却特性的结构参数优化,如色散特性和耦合阻抗高频结构仿真器(HFSS)分析,T的预测是折叠波导电路CST粒子工作室的大信号性能,UV-LIGA技术也折叠波导电路的讨论
太赫兹辐射通常指的是在0.1thz~10thz电磁波频率、THz频率域位于毫米波和红外辐射之间,是微观量子理论的微观过渡区的经典理论,跨区域、电子和光子,在太赫兹光谱技术、太赫兹成像、太赫兹通信和良好的应用前景。
产生太赫兹辐射的方法有很多种,其中自由电子太赫兹辐射源就是其中之一,包括太赫兹真空器件、电子回旋脉塞和自由电子激光。
真空电子器件,电子可以被加速到速度接近光在真空中的速度,快速的转换功能;
能在高电压、大电流条件下工作,可获得高功率输出;
电子在真空可控速度,当完成的电子相互作用,通过多级降压收集极的模拟回收电子的总能量可以得到高效率。
采用最先进的微处理技术,利用太赫兹折叠波导慢波结构的真空器件成为一种大功率、小型化的太赫兹辐射源,目前在真空电子领域得到广泛关注。
1折叠波导电路设计
图1是折叠波导电路的示意图,它是由矩形波导E面弯曲蜿蜒的矩形波导宽壁梁隧道洞。
A和B是横向的矩形波导的宽度和高度分别为H是直波导的长度。
W是电子束隧道的宽度,Ravg是E面弯曲的平均半径,P是一个螺距的长度(半个周期),与一般的周期性结构,如耦合腔结构和螺旋结构,在折叠波导的电磁波的相速度放慢到轴的电子束速度的周期性。
因为在MEMS工艺的两个维度,它牺牲了束波阻抗与矩形代替圆梁隧道梁隧道一点。
折叠波导电路,结构参数包括A、B、H、P,对色散关系和耦合阻抗的影响很大,很难设计最佳折叠波导电路的规格,如增益、带宽和功率。
在本文中,我们试图获得一个简单的方法,基于物理特性的折叠波导电路的主要参数。
它是假定的TE10模沿波导传播,模式和结构不改变。
半几何周期P的折叠波导电路分析的色散关系:
在ωC截止角频率,βM是M轴上的空间谐波的相位常数,βMP=β0P+2πm,m=0,±
1,±
2…在中心频率ωω=0,的零空间谐波的传播常数应β0比赛中,电子束的慢空间电荷波
βE+βp=β0,
(2)
在βp=ω/ων/νβE=,ω是角,等离子体频率和νisthe电子束速度。
theTHz范围,ωpω,βp是被忽视的,我们得到的βE=β0。
(3)
它避免inputting初始参数suchasthe束电压I0和半径束重新forgettingtheinitial折叠波导电路结构参数。
The束电流I0canbeby以变得更intoaccounttheefficiencyand规格。
当今的相对论效应,电子的速度是
其中U0(KV)是束电压。
改变色散关系分析
(1)以其他形式
当转换率为零时,色散曲线越平坦,折叠波导行波管的带宽越大,工作频率就接近于这一点。
根据Floquet定理,我们可以得到耦合阻抗的解析公式,给出如下。
在Z0是TE10模的特性阻抗。
鉴别(7)相对于B组表达等于零,我们得到
然后KC有一个最大值。
值F0/FC1.25为就获得一个很好的妥协,带宽和返波振荡(BWO)[15]。
通过上述公式,我们可以得到折叠波导电路的初始结构参数,矩形梁隧道的宽度可以通过权衡带宽和输出功率得到。
然而耦合阻抗的折叠波导电路通过这个方法很小,需要更大的电流来获得所需的增益,虽然折叠波导带宽大,为了权衡带宽和增益,以减少缩短值寒冷的带宽,并在1.47π的中心频率的相移。
表1是初始的折叠波导电路的优化结构参数
2折叠波导电路的模拟
利用HFSS仿真软件,建立了电子束隧道折叠波导的几何模型,如图1所示。
图2显示了一个归一化作为频率的函数的相速度,范围从195到250GHz,HFSS仿真采用折叠波导等效电路模型中的比较。
图2所示,HFSS仿真结果与等效电路模型的结果吻合良好,表明梁隧道和电路弯曲对色散关系的影响较小。
折叠波导结构具有相当的平坦色散在220GHz。
相互作用阻抗是另一个重要的特征参数,它反映了相互作用强度。
梁波之间的耦合阻抗,增益是成正比的。
图3显示了耦合阻抗随频率的变化,模拟结果与理论计算吻合。
如图3所示,耦合阻抗是随着频率的增加,当频率远离截止频率,耦合阻抗保持近常数。
相互作用的阻抗为3.5欧姆220GHz。
非线性大信号数值模拟的折叠波导慢波结构是通过CST粒子工作室分析。
图4显示50个折叠波导的仿真模型,仿真模型是由折叠波导和束流发射。
束电压为20.6kV,束电流为15mA,和梁巷道充填率50%。
光束是由传统的周期永磁聚焦(PPM)和价值0.3T的输入信号与输入功率为10mW单频窦。
考虑微加工表面粗糙度的折叠波导电路,我们假设保守有效壁电导率铜4×
107西门子/米。
为了获得一个瞬时带宽,不同的输入频率进行模拟。
图5显示了大信号增益为使用CST驱动频率的函数,如图5所示,功率增益为13.5dB,在220GHz和3dB带宽为11GHz(213~224GHz)。
3UV-LIGA制作
在实现折叠波导行波管是折叠波导电路制造的一大挑战。
最近,有密集的努力,采用LIGA技术和深反应离子刻蚀(DRIE)制作折叠波导电路。
然而,LIGA技术是昂贵的,它需要更多的时间来制作面具。
DRIE技术是一个过程,硅,硅结构作为模具本身产生的金属结构,或必须是金属。
UV-LIGASU-8是另一种替代技术制造的折叠波导电路,可以获得高的高宽比的结构,垂直的侧壁,它是廉价和省时的完成。
折叠波导电路是一种全铜结构,提供有效的冷却大功率射频电路的需要。
折叠波导的过程如图6所示。
首先,315μμm厚的SU-8在Cu基板纺。
这种光致抗蚀剂层暴露,开发定义电路几何无梁隧道。
Cu是电镀在SU-8模具成型的折叠波导。
然后用CMP抛光表面,第二个SU-8层旋转基板。
经过曝光和显影的SU-8胶,另一层Cu电镀形成梁隧道。
那么平坦化后抛光,SU-8和被淘汰。
通过两个镜像细胞排列的键合,得到折叠波导电路。
在UV-LIGA工艺,需要克服一些挑战。
首先,折叠波导结构所需的垂直的侧壁,这是难以抗拒的负调获得。
有10μ差异的顶部和底部的抵抗过程之间。
其次,附着力弱的SU-8胶与铜基板。
另一方面,由于内部应力积累在曝光后烘烤,这导致粘连故障期间或后二发展。
为了避免它,铜基板在200℃氧化。
第三、SU-8胶是很难去除的。
我们采用熔盐槽完成删除在上海交通大学MEMS实验室的SU-8光刻胶。
图7是一个折叠波导SU-8模具SEM,SU-8折叠波导大约是300μ米厚。
这显示负的一个电路的图像。
我们可以得到折叠波导行波管电路使用SU-8模具。
折叠波导电路与波导微的uvliga过程第一个例子图8所示。
折叠波导电路具有矩形梁隧道的UV-LIGA技术处理以达到所需的尺寸公差优化是进步。
4电子光学系统
电真空器件在太赫兹波段的工作频率、高压缩比、细腰电子光学系统、长距离等特点,这个过程是很难实现的,利用W波段行波管三维仿真黑手党设计的电子光学系统,电子轨迹图。
在目前的排放水平的带状电子束,通过电子束宽度的增加可以提高发射电流,与带状电子束的平面结构可以发生束波互作用,提高交互的效率,得到在太赫兹波段高功率输出。
在摇摆的电子轨迹方程的半无限宽的带状电子束的解决和PCM领域venl,表明两种结构可以用来稳定传输带状电子束,但PCM结构稳定的区域大于摇摆,更适合O放大装置。
同时,电子束在一个详细的计算实际器件的椭圆截面的空间电荷力,聚焦电子束形成磁场近轴条件和所需的磁场强度和电子束电流和电压之间的关系。
5微细加工技术
太赫兹真空电子器件的成功研制将在很大程度上取决于精密加工和加工技术的成功发展。
微细加工技术已在太赫兹真空电子器件的制造中得到应用,目前尚处于研究阶段,需要进行大量的实验研究工作。
该折叠波导与MEMS技术兼容,适合于太赫兹真空电子器件,满足小尺寸、精密加工精度和严格的表面粗糙度要求。
在太赫兹频率范围与频率的增加,从毫米级到微米级的慢波结构尺寸减小的关键,如折叠波导尺寸一般在1.9mm~300m,粒径范围为~40m,10m0.2mm~折叠波导慢波结构的电子注入通道半径尺寸一般有大纵横比,如W波段折叠波导,电子束通道,纵横比大于200到1,因此,通过深加工技术主要。
目前,主要的微细加工技术,LIGA技术、准LIGA技术(光刻、紫外曝光技术),硬X射线光刻(深X射线光刻)、深反应离子刻蚀(DRIE)技术和电加工技术。
(1)LIGA和准LIGA技术。
西甲是“光刻、电镀的意思,微成型模具”,根据不同的光源,可分为X射线源[正型光致抗蚀剂对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和紫外(UV光刻胶作为负型SU8,也称为西甲)。
SU8负性光刻胶可以获得垂直侧壁的形状和高纵横比的厚膜。
它还具有良好的力学性能、耐化学性和热稳定性,能形成复杂的结构。
SU8光刻胶沉积有很大的困难,暴露前干燥。
最常见的问题是光致抗蚀剂的内应力。
这些应力引起的裂缝及光致抗蚀剂模式。
此外,光刻胶去除后SU8光刻胶的发展是困难的,通常很难去除。
然而,近年来,该等可以实现类似SU8厚掩模光刻胶,已经部分地克服这些缺点的SU8,预计将提供更方便的准LIGA技术手段。
电火花加工技术是一种精密的金属去除工艺,通过精确控制电火花的热能来切割或腐蚀导电衬底材料。
主要的参数有细线的特征,线的应力,工件材料,电弧的能量,电弧放电的频率,介质流体的压力,以及线的馈送速度等。
在真空电子器件中,可以采用EDM加工电子注通道,以及频率到700GHz的慢波电路。
其不足之处在于只能单件加工。
深反应离子刻蚀(DRIE)技术是一种各向异性的反应离子刻蚀过程,用于微细加工高深宽比的硅结构。
这些硅结构可用来生产金属模具,作为产生金属结构的模具。
利用DRIE可以得到2~几百微米范围的硅的结构。
刻蚀过程的变量包括刻蚀循环时间、钝化循环时间、气体流量以及RF功率等。
利用DRIE技术,既可以通过刻蚀弯曲沟道然后涂覆金属薄膜,也可以通过刻蚀的硅结构作为电铸模具,来加工出高深宽比结构的折叠波导慢波电路。
而且,通过工艺优化,可以大大降低侧壁的波纹起伏程度,实现光学级的光滑侧壁(可用于反射镜面),从而满足亚毫米波和THz频段波导对波导腔壁粗糙度的要求。
DRIE的明显优势是加工周期比较短。
全部采用X射线LIGA技术需要1~3个星期准备掩模,2~4个星期完成第一次电铸。
全UV曝光SU28/KMPR胶似乎是最快的加工方法,只需要一到两天准备掩模,2~7天完成第一次电铸过程,而且图形转换和光刻胶的附着都很好。
所以全UV曝光SU28/KMPR胶和DRIE方法被认为是最有前途的技术来加工太赫兹折叠波导慢波电路。
电火花加工是一种精密的金属切削加工。
通过精确控制电火花的热量,可以对导电基材进行切割或腐蚀。
主要参数是细线的特性、线的应力、工件的材料、电弧的能量、电弧放电的频率、介质流体的压力和焊丝的进给速度。
真空电子器件,电火花加工可用于处理电子束通道和慢波电路的频率700ghz。
缺点是只能用一块加工。
深反应离子刻蚀(DRIE)是各向异性的反应离子刻蚀工艺对高宽比硅微细结构加工。
这些硅结构可以用来生产金属模具作为模具生产金属结构。
从2到几百微米的硅结构可采用DRIE获得。
蚀刻过程的变量包括蚀刻循环时间、钝化循环时间、气体流量和rf功率。
采用DRIE技术,折叠波导慢波电路具有高纵横比的结构可以被蚀刻的弯道制作,然后涂金属膜,或通过蚀刻硅结构电铸模具。
此外,通过工艺优化,可以大大降低侧壁波纹起伏度,实现光学级(镜面)的平滑侧壁,从而满足波导管壁亚毫米波和太赫兹波段波导粗糙度的要求。
动力最明显的优点是加工周期短。
所有的X射线LIGA技术都需要1~3周的时间才能制备掩模,2~4周完成第一次电铸。
全紫外曝光su28/该胶似乎是处理速度最快的方法,只有一到两天准备面膜,2~7天完成第一电铸工艺,和图形转换和光致抗蚀剂附着力很好。
因此,充分的紫外线照射,su28/该胶和DRIE方法被认为是处理太赫兹折叠波导慢波电路的最有前途的技术。
6结语
太赫兹真空器件具有高功率的优点,频率范围宽,笔者进行了研究工作的太赫兹辐射源的进一步发展奠定了基础,需要在真空,包括深紫外微处理技术、准LIGA技术,深反应离子刻蚀技术,进行了电火花加工技术方面的研究工作比的结构和加工工艺,而且在强流电子束精密光学系统、高真空管维修技术、精密装配技术、太赫兹传输的理论和实验研究工作体系,高电流密度阴极。
为进一步促进太赫兹真空辐射源的发展和应用。
一个基于物理特性得到了折叠波导电路的主要参数的简单方法。
随着工作频率和光束电压的知识,我们可以得到FWTWT初始结构参数的优化结构。
220GHz折叠波导慢波结构是为了权衡带宽和增益设计。
冷特性的折叠波导电路包括色散关系和交互使用HFSS计算阻抗,模拟值与理论值吻合良好。
通过PIC代码预测的大信号性能的非线性仿真结果表明,增益为13.5分贝在220GHz和3dB带宽为11GHz(213~224GHz),折叠波导电路的微机械加工工艺进行了研究,采用UV-LIGA是折叠波导电路的第一个例子。
的uvliga处理达到预期的尺寸公差的优化进行了讨论。
为了消除再生振荡,一个折叠波导行波管衰减器在太赫兹行波管,是很重要的。
传统制备BeO衰减器并不是因为它的大小。
DRIEmachinedSi衰减器有望下降太赫兹行波管组件,硅衰减器DRIE工艺设计中。
参考文献:
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- 折叠 波导 结构设计