微波管器件現狀及技術(shù)發(fā)展分析

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

　　微波真空功率器件的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一個(gè)世紀,從最早的第二次世界戰爭的三極管開(kāi)始,在20世紀取得了很大的進(jìn)步,微波管逐步發(fā)展了線(xiàn)性注器件、正交場(chǎng)器件和快波器件,克服了三極管的渡越時(shí)間效應,以速調管、行波管、磁控管、正交場(chǎng)放大器、返波管、回旋器件等為代表的功率器件頻率已經(jīng)覆蓋了1GHz 到100GHz 的頻段,在雷達、電子戰、通訊、工業(yè)加熱、醫療設備、高能物理、空間探測、科學(xué)研究等方面取得了廣泛的應用。同時(shí),隨著(zhù)微加工技術(shù)的發(fā)展,場(chǎng)發(fā)射陣列陰極也以其功耗小、啟動(dòng)快、電流密度大等特點(diǎn)也應用到微波管中,利用強相對論電子注( IREB) 產(chǎn)生超高功率微波毫米波輻射。

　　進(jìn)入21 世紀以來(lái),微波管在頻率、效率和功率上進(jìn)一步提高,并朝著(zhù)微/小型化和模塊化發(fā)展。計算機硬件和計算電磁學(xué)的發(fā)展,微波管的計算機輔助設計(CAD) 技術(shù)得到了很大的進(jìn)步,以前需要大量實(shí)驗研究才能解決的問(wèn)題現在通過(guò)軟件模擬可以很容易進(jìn)行方案的驗證和優(yōu)化。納米材料陰極技術(shù)、高磁場(chǎng)強度低溫度系數磁鋼技術(shù)、精細陶瓷材料、CAD 金剛石技術(shù)、精密金屬零件加工技術(shù)、自動(dòng)測試技術(shù)、電源技術(shù)等支撐技術(shù)的發(fā)展,也為微波管技術(shù)的發(fā)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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)方面具有較為完備的體系,有重點(diǎn)大學(xué)、國家實(shí)驗室和工業(yè)部門(mén)(以及部分公司) 參與從基礎研究、計算機模擬、產(chǎn)品樣機和批量生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程,研究和開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品類(lèi)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(fā)工作處于世界各國的前列。俄羅斯(及烏克蘭等前蘇聯(lián))在軍用微波管領(lǐng)域也有很強的研究和開(kāi)發(fā)力量,在亞毫米波返波振蕩器方面具有很強的實(shí)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(yōu)勢,另外在多注器件、橫向場(chǎng)器件等方面有專(zhuān)門(mén)的研究工作。國內主要有四個(gè)單位和一個(gè)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室承擔微波管的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)任務(wù),需要在自主設計能力、加工能力、工藝水平、可靠性技術(shù)、支撐和配套技術(shù)、高層次人才培養方面做大量的工作。

2、CAD技術(shù)

　　現代微波管的CAD在研究和開(kāi)發(fā)中的作用越來(lái)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(guò)程卻變化很大,在時(shí)間和空間的范圍內完全不同,這給開(kāi)發(fā)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(fā)射到電子收集) 整個(gè)過(guò)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(yōu)勢,現有的計算機資源對整個(gè)器件的計算量而言仍顯不足。為了解決這些問(wèn)題,可以將問(wèn)題分解為可以求解的子問(wèn)題,然后開(kāi)發(fā)相應的算法和程序來(lái)模擬每一部分的物理現象,再利用接口程序進(jìn)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(gè)RF 能量的輻射過(guò)程分解為:電子注的產(chǎn)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(kāi)發(fā)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(guò)去的模型經(jīng)常有一些簡(jiǎn)化和近似,而近年來(lái)的CAD 都采用二維/ 三維的幾何結構,可以進(jìn)行更接近實(shí)際的場(chǎng)和邊界條件的物理過(guò)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(fā)展方向: ①器件頻率提高后器件尺寸的減小,要求網(wǎng)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(fā)展,來(lái)滿(mǎn)足柵控器件、多注器件、帶狀注等非對稱(chēng)結構的電子光學(xué)和互作用的模擬; ③多物理場(chǎng)的互作用對器件性能的影響,還要兼顧計算時(shí)間、對計算機硬件的要求等。這些多物理場(chǎng)的模擬包括電子動(dòng)力學(xué)、RF 特性、熱性能、力學(xué)性能、機械形變、環(huán)境影響等,同時(shí)考慮到可加工性和成本問(wèn)題; ④軟件能夠方便地建立器件實(shí)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(guò)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(fā)射模型,如空間電荷限制發(fā)射模型、溫度限制發(fā)射模型、場(chǎng)發(fā)射模型、二次電子發(fā)射模型、光電發(fā)射模型、以及用戶(hù)定制的固定發(fā)射模型等,以滿(mǎn)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(jìn)的優(yōu)化方法,來(lái)減小運行時(shí)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(fā)揮并行計算的優(yōu)勢,就要求重新編寫(xiě)計算程序和利用特殊的計算機群。一些軟件已經(jīng)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(lái)顯示三維模型和結構,在普通計算機上增加圖形卡可以實(shí)現這些功能。

　　Christine 在美國是一個(gè)很重要的軟件,專(zhuān)門(mén)用于行波管互作用的模擬和優(yōu)化,目前已經(jīng)有一維和三維軟件,而且其精度已經(jīng)得到了美國工業(yè)部門(mén)和研究所的普遍認可。最近又在交流空間電荷模型上進(jìn)行了改進(jìn),使其物理模型更加完善,結果更加可靠。該程序目前已經(jīng)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(jìn)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(shí)帶寬500MHz 。CHRISTINE2CC 使用一維圓盤(pán)模型,用戶(hù)可以選擇慢波電路的集總參數,可以選擇間隙電場(chǎng)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(chǎng)的模型可以是拋物線(xiàn)型的,也可以是Kosmahl-Branch型的�？臻g電荷場(chǎng)和CHRISTINE 螺旋線(xiàn)行波管中的一樣,但有所改進(jìn)。CPI 共進(jìn)行了3 種條件的模擬,其中一種情況的模擬結果和實(shí)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(zhù)獨特的優(yōu)勢,可以很方便地開(kāi)展虛擬實(shí)驗和優(yōu)化工作,而不需要等待機械零件加工和工藝裝配過(guò)程;可以很容易地進(jìn)行某個(gè)結構參數的優(yōu)化工作,并進(jìn)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(jìn)行計算,內部的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析,或互作用分析,也就是假設這個(gè)結構的存在然后進(jìn)行模擬。但這些對設計人員來(lái)說(shuō),似乎缺乏一種計算機程序,在輸入技術(shù)指標和相關(guān)參數后可以得到一種初始的電參數和結構設計參數,經(jīng)現有的軟件模擬后能基本滿(mǎn)足要求,然后再進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。所以,軟件只能用來(lái)對初始設計進(jìn)行模擬、優(yōu)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(guò)程,了解器件內部的物理過(guò)程,才能再進(jìn)行CAD 的過(guò)程中,提高分析能力,更好地利用各種軟件,提高設計水平 。