微波管器件现状及技术发展分析

　　综述了国内外几种主要的微波真空功率器件技术的发展现状,特别对微波管CAD技术、短(亚) 毫米波器件、阴极技术等进行了分析,并对整个微波管行业面临的挑战和机遇进行了讨论。

　　微波真空功率器件的发展已经经过了一个世纪,从最早的第二次世界战争的三极管开始,在20世纪取得了很大的进步,微波管逐步发展了线性注器件、正交场器件和快波器件,克服了三极管的渡越时间效应,以速调管、行波管、磁控管、正交场放大器、返波管、回旋器件等为代表的功率器件频率已经覆盖了1GHz 到100GHz 的频段,在雷达、电子战、通讯、工业加热、医疗设备、高能物理、空间探测、科学研究等方面取得了广泛的应用。同时,随着微加工技术的发展,场发射阵列阴极也以其功耗小、启动快、电流密度大等特点也应用到微波管中,利用强相对论电子注( IREB) 产生超高功率微波毫米波辐射。

　　进入21 世纪以来,微波管在频率、效率和功率上进一步提高,并朝着微/小型化和模块化发展。计算机硬件和计算电磁学的发展,微波管的计算机辅助设计(CAD) 技术得到了很大的进步,以前需要大量实验研究才能解决的问题现在通过软件模拟可以很容易进行方案的验证和优化。纳米材料阴极技术、高磁场强度低温度系数磁钢技术、精细陶瓷材料、CAD 金刚石技术、精密金属零件加工技术、自动测试技术、电源技术等支撑技术的发展,也为微波管技术的发展增添了活力。

1、现状及分析

　　国外从事真空功率器件的研究主要有美国、俄罗斯、法国、英国、德国、印度、日本和韩国等。美国在军用电真空器件研究、开发和生产方面具有较为完备的体系,有重点大学、国家实验室和工业部门(以及部分公司) 参与从基础研究、计算机模拟、产品样机和批量生产的整个过程,研究和开发的产品类型也最为全面,涉及到从L 波段到W 波段,乃至太赫兹频率的各种功率器件,其投资以及研发工作处于世界各国的前列。俄罗斯(及乌克兰等前苏联)在军用微波管领域也有很强的研究和开发力量,在亚毫米波返波振荡器方面具有很强的实力,在回旋器件、传统的行波管、速调管、磁控管等方面具有一定的优势,另外在多注器件、横向场器件等方面有专门的研究工作。国内主要有四个单位和一个国防科技重点实验室承担微波管的研究、开发和生产任务,需要在自主设计能力、加工能力、工艺水平、可靠性技术、支撑和配套技术、高层次人才培养方面做大量的工作。

2、CAD技术

　　现代微波管的CAD在研究和开发中的作用越来越大,是改善器件性能、缩短研制周期、降低成本的有效手段。现有的真空功率器件如行波管、速调管和回旋器件,其基本原理都建立在麦克斯韦方程和洛伦兹方程的基础上,但内部的物理过程却变化很大,在时间和空间的范围内完全不同,这给开发精确高效的计算程序提出了很大的挑战。为了完成这些模型和模拟的挑战,理想情况应该是完全自洽,从头到尾(从电子发射到电子收集) 整个过程的计算机模拟。尽管现在的计算机速度很快,再加上并行计算的优势,现有的计算机资源对整个器件的计算量而言仍显不足。为了解决这些问题,可以将问题分解为可以求解的子问题,然后开发相应的算法和程序来模拟每一部分的物理现象,再利用接口程序进行各部分之间的通讯,将结果集成在一起。这样就可以将整个RF 能量的辐射过程分解为:电子注的产生,注的传输,注波互作用,电子注的收集,放大器中信号的输入,射频能量的输出以及热控制等。目前大部分的CAD 程序都是针对各部件的模拟单独开发的,但总的理念可以描述为“以几何模型为基础,自洽现象”的方法。过去的模型经常有一些简化和近似,而近年来的CAD 都采用二维/ 三维的几何结构,可以进行更接近实际的场和边界条件的物理过程模拟,得到更加精确的模拟结果。

　　现代真空电子功率器件CAD 的发展方向: ①器件频率提高后器件尺寸的减小,要求网格划分更加细致,精度要求更高; ②模拟由二维向三维粒子方向发展,来满足栅控器件、多注器件、带状注等非对称结构的电子光学和互作用的模拟; ③多物理场的互作用对器件性能的影响,还要兼顾计算时间、对计算机硬件的要求等。这些多物理场的模拟包括电子动力学、RF 特性、热性能、力学性能、机械形变、环境影响等,同时考虑到可加工性和成本问题; ④软件能够方便地建立器件实体结构模型,适应更复杂的器件结构模型,以及软件之间模型的可传递性、软件的易用性、界面的友好性、过程的可视性、后处理的可操作性要求提高; ⑤扩展现有的材料性能模型,如各向异性材料、微波衰减材料等,可以任意输入不同介电常数、导磁率、导电率、损耗正切等; ⑥考虑多种电子发射模型,如空间电荷限制发射模型、温度限制发射模型、场发射模型、二次电子发射模型、光电发射模型、以及用户定制的固定发射模型等,以满足电子枪中各种不同阴极以及在多级降压收集极模拟中对二次电子的处理; ⑦采用更先进的优化方法,来减小运行时间,降低对计算机硬件的要求; ⑧器件的整体模拟(从阴极到收集极) 要充分发挥并行计算的优势,就要求重新编写计算程序和利用特殊的计算机群。一些软件已经具有并行运行的版本,Mi-chelle ,Analyst 和TESLA-MB。另外,计算机结构在真空电子器件的应用是图形处理单元(GPUs) ,可以用来显示三维模型和结构,在普通计算机上增加图形卡可以实现这些功能。

　　Christine 在美国是一个很重要的软件,专门用于行波管互作用的模拟和优化,目前已经有一维和三维软件,而且其精度已经得到了美国工业部门和研究所的普遍认可。最近又在交流空间电荷模型上进行了改进,使其物理模型更加完善,结果更加可靠。该程序目前已经扩展到Christine-CC ,即耦合腔行波管的大信号计算程序, CPI 利用V TA6430A2 进行验证工作,它在28～30 GHz 范围内可电压调谐, 输出功率500 W , 瞬时带宽500MHz 。CHRISTINE2CC 使用一维圆盘模型,用户可以选择慢波电路的集总参数,可以选择间隙电场的模型。慢波电路模型可以是Curnow 的,也可以是Malykhin , Konnov 和Komarov 的。间隙场的模型可以是抛物线型的,也可以是Kosmahl-Branch型的。空间电荷场和CHRISTINE 螺旋线行波管中的一样,但有所改进。CPI 共进行了3 种条件的模拟,其中一种情况的模拟结果和实际测试结果非常一致。

　　CAD 在现有器件性能的提升和新器件的研制等方面有着独特的优势,可以很方便地开展虚拟实验和优化工作,而不需要等待机械零件加工和工艺装配过程;可以很容易地进行某个结构参数的优化工作,并进行敏感度分析。现有的软件都是在已有的结构尺寸情况下,对其参数进行计算,内部的电磁场进行分析,或互作用分析,也就是假设这个结构的存在然后进行模拟。但这些对设计人员来说,似乎缺乏一种计算机程序,在输入技术指标和相关参数后可以得到一种初始的电参数和结构设计参数,经现有的软件模拟后能基本满足要求,然后再进行改进和优化。所以,软件只能用来对初始设计进行模拟、优化和敏感度分析等,并不能代替设计工作。制管工程师一定要掌握设计过程,了解器件内部的物理过程,才能再进行CAD 的过程中,提高分析能力,更好地利用各种软件,提高设计水平 。