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        太赫茲行波管質(zhì)量控制要求研究

        2025-08-03 00:00:00張朋張珊邊興旺張琳
        標(biāo)準(zhǔn)科學(xué) 2025年13期
        關(guān)鍵詞:赫茲波導(dǎo)錯(cuò)位

        Research on Quality Control Requirements for THz Traveling Wave Tubes

        ZHANG Peng1 ZHANG Shan1 BIAN Xingwang2 ZHANG Lin2

        (1.China Electronics Standardization Institute; 2.Thel2th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation) Abstract:This paper introduces the similarities and diferences between THz traveling wavetubes andtraditional raveling wavetubes intrmsofkeyprocessesandrawmaterialcontrol,andproposesqualitycontrolrequirementsforTHztraveling wave tubes,withthe main focus oncontrolling theraw materialsand key processs ofTHz traveling wave tubes.

        Keywords: THz; traveling wave tubes; quality control

        0 引言

        太赫茲波和微波都是電磁波譜的一部分,但它們處于不同的頻率區(qū)域。太赫茲波是頻率介于 0.1~10THz 范圍的電磁波,微波是頻率為300MHz~300GHz 之間的電磁波。太赫茲波在大容量高速通信、精密探測(cè)、高分辨率成像雷達(dá)和人員拒止等系統(tǒng)上的應(yīng)用需求廣泛,然而缺少大功率輻射源是限制太赫茲技術(shù)發(fā)展的瓶頸。太赫茲行波管是一類(lèi)電真空放大器,作為太赫茲輻射源,能夠把微弱的太赫茲信號(hào)放大,具備大功率、寬帶寬、高效率等顯著特點(diǎn),是太赫茲新體制系統(tǒng)核心器件。

        在太赫茲頻率低端,220GHz和340GHz是兩個(gè)典型的大氣窗口,具有極高的應(yīng)用價(jià)值。本文結(jié)合 220GHz 和340GHz行波管的研制生產(chǎn)情況,對(duì)太赫茲行波管與傳統(tǒng)行波管在關(guān)鍵工藝和原材料上存在的差異進(jìn)行分析,針對(duì)太赫茲行波管特點(diǎn)提出了其質(zhì)量控制特殊要求。

        1太赫茲行波管與傳統(tǒng)行波管的差異

        1.1行波管關(guān)鍵工藝和原材料

        行波管的結(jié)構(gòu)主要包括電子槍、慢波結(jié)構(gòu)、磁聚焦系統(tǒng)、收集極、輸能裝置等,所采用的關(guān)鍵原材料主要有鎢、錸、無(wú)氧銅、純鐵、鐵鈷鎳合金、鎳銅合金、釹鐵硼、鉍鈷、不銹鋼、鈦合金、可伐合金、氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁和金剛石等。

        行波管的制造工藝非常復(fù)雜,包括100多道工藝,將其概括提煉,最主要的制造工藝過(guò)程見(jiàn)圖1。

        1.2太赫茲行波管與傳統(tǒng)行波管的差異

        太赫茲行波管的結(jié)構(gòu)和工藝與傳統(tǒng)行波管大致相同,但由于其工作頻率更高,在以下幾方面與傳統(tǒng)行波管存在較大差異。

        (1)結(jié)構(gòu)尺度與制造精度

        傳統(tǒng)行波管核心部件特征尺寸一般為毫米級(jí),通常使用傳統(tǒng)精密機(jī)械加工技術(shù)(如:數(shù)控銑削),對(duì)表面粗糙度的要求相對(duì)較低。

        太赫茲行波管核心部件特征尺寸為亞毫米級(jí),需采用深反應(yīng)離子刻蝕、光刻等微納加工技術(shù),確保結(jié)構(gòu)精度達(dá)亞微米級(jí)。

        (2)慢波結(jié)構(gòu)與聚焦系統(tǒng)

        傳統(tǒng)行波管一般為螺旋線(xiàn)或耦合腔慢波結(jié)構(gòu),多采用周期永磁聚焦系統(tǒng)(PPM),磁場(chǎng)分布均勻,靜態(tài)聚焦即可滿(mǎn)足需求。

        太赫茲行波管常采用折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu),通過(guò)周期性彎曲波導(dǎo)延長(zhǎng)電磁波傳輸路徑達(dá)到降低電磁波相速作用。由于高頻場(chǎng)對(duì)電子注擾動(dòng)劇烈,需設(shè)計(jì)跳變聚焦磁場(chǎng)(如:梯度磁場(chǎng)或分階段增強(qiáng)磁場(chǎng)),以解決動(dòng)態(tài)散焦問(wèn)題。

        (3)熱管理與散熱技術(shù)

        傳統(tǒng)行波管通常采用常規(guī)散熱片或風(fēng)冷即可 滿(mǎn)足需求。

        太赫茲行波管可能需采用高熱導(dǎo)率材料或微流道散熱技術(shù)。

        圖1行波管主要制造工藝過(guò)程圖

        2 太赫茲行波管關(guān)鍵工藝控制要求

        太赫茲行波管的制造工藝與傳統(tǒng)行波管基本相同,在電子槍裝架、冷測(cè)、排氣和熱測(cè)等關(guān)鍵工藝可執(zhí)行傳統(tǒng)微波行波管控制要求。太赫茲行波管在高頻慢波結(jié)構(gòu)精密加工、精細(xì)電子束的產(chǎn)生與調(diào)控等關(guān)鍵工藝有其特殊控制要求,具體內(nèi)容如下。

        2.1高頻慢波結(jié)構(gòu)精密加工

        慢波結(jié)構(gòu)作為行波管器件的核心部件,其電磁特性決定了行波管整管的性能上限。現(xiàn)階段,太赫茲行波管采用折疊波導(dǎo)慢波系統(tǒng)作為電子注與微波進(jìn)行能量交換的場(chǎng)所。折疊波導(dǎo)可采用以下工藝進(jìn)行加工。

        (1)高精度數(shù)控銑削機(jī)加工,可用于工作頻率在340GHz以下的行波管。

        (2)LIGA/UV-LIGA技術(shù)是制作行波管折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要技術(shù),它能夠滿(mǎn)足行波管對(duì)于慢波結(jié)構(gòu)小尺寸、高精度和低表面粗糙度的加工要求。LIGA(光刻、電鑄、注塑)利用同步輻射光刻制造高深寬比微結(jié)構(gòu),適用于太赫茲行波管的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)(如慢波結(jié)構(gòu)的周期性柵格);UV-LIGA采用紫外光刻替代同步輻射光源,成本更低,但深寬比和精度略遜于傳統(tǒng)LIGA,適用于中等精度需求的結(jié)構(gòu)。一般用于工作瀕率在340GHz 以上的行波管。

        (3)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)通過(guò)高深寬比的刻蝕技術(shù)加工硅基或金屬基的慢波結(jié)構(gòu),例如折疊波導(dǎo)的周期性槽形結(jié)構(gòu),刻蝕深度可達(dá)數(shù)百微米,精度控制在亞微米級(jí)。一般用于工作頻率在670GHz以上的行波管。

        在太赫茲頻段,折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的電子注通道截面一般為圓形。電子注通道形貌的不同,在一定程度上會(huì)改變波導(dǎo)中電場(chǎng)的分布,使得軸向運(yùn)動(dòng)的電子注上有不同的空間電荷效應(yīng),從而引起折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特性的不同。對(duì)于折疊波導(dǎo)的微加工,其表面粗糙度是不可避免的。特別在太赫茲頻段,當(dāng)表面粗糙度與導(dǎo)體的趨膚深度在相同量級(jí)時(shí),損耗將隨著表面粗糙度增大而增大,因此必須考慮表面粗糙度的影響[2]。通過(guò)對(duì) 220GHz 和340GHz行波管進(jìn)行的研究表明,折疊波導(dǎo)加工精度需達(dá)到以下要求。

        (1)加工尺寸精度:槽深: ±5μm ;節(jié)距: ±2 μm : (2)表面粗糙度:優(yōu)于 50nm 5 (3)側(cè)壁垂直度:優(yōu)于 89.5°

        太赫茲行波管高頻由于其內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu),多加工成對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)半腔,因此需要采用擴(kuò)散焊工藝來(lái)焊接為折疊波導(dǎo)高頻,如圖2所示。擴(kuò)散焊是在一定的溫度和壓力下使零件的待焊界面相互接觸,通過(guò)待焊面的微觀塑性變形擴(kuò)大待焊面的物理接觸,再經(jīng)過(guò)待焊面間較長(zhǎng)時(shí)間的原子相互擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種精密焊接方法。采用擴(kuò)散焊變形小,焊后可以不需要機(jī)械加工,既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)幾何形狀復(fù)雜的空心結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密焊接,形成與母材性能及顯微組織非常接近的焊接接頭,又可避免焊接面被釬料融解。

        圖2折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)半腔與高頻

        擴(kuò)散焊作為行波管裝配的關(guān)鍵工藝,是部件高頻裝配的基礎(chǔ)。 340GHz 行波管對(duì)高頻兩個(gè)半腔的焊接提出了很高的要求:一是兩個(gè)半腔的橫向電子注通道對(duì)齊,二是兩個(gè)半腔的縱向波導(dǎo)端口對(duì)齊。但在實(shí)際操作過(guò)程中,兩個(gè)半腔的焊接面會(huì)有錯(cuò)位情況,兩個(gè)半腔電子注通道錯(cuò)位,會(huì)影響行波管流通率的提升;波導(dǎo)端口的錯(cuò)位,會(huì)增大電磁波的反射系數(shù)。

        (1)在兩個(gè)半腔壓力擴(kuò)散焊中,兩個(gè)接觸的待焊表面通過(guò)設(shè)計(jì)精確的模具固定在相對(duì)位置,但在擴(kuò)散焊后依然存在橫向存在錯(cuò)位情況,如圖3所示。這樣的錯(cuò)位直觀反映出電子注通道有效直徑的減小,大大增加了行波管流通率的調(diào)節(jié)難度。另一方面,端口錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的錯(cuò)位,從而影響高頻與輸能系統(tǒng)連接端口的匹配情況。

        (2)波導(dǎo)端口后續(xù)通過(guò)過(guò)渡波導(dǎo)與輸能系統(tǒng)連接,是能量輸入與輸出的端口,理想的波導(dǎo)端口狀態(tài)一一對(duì)齊,但經(jīng)過(guò)高溫?cái)U(kuò)散焊后,兩個(gè)半腔有可能出現(xiàn)縱向錯(cuò)位情況,如圖4所示。波導(dǎo)端口錯(cuò)位的情況,會(huì)引起反射增加,匹配變差,從而影響行波管的輸出性能。

        圖3擴(kuò)散焊后電子注通道錯(cuò)位情況

        電子槍產(chǎn)生高能電子束、保持電子束的緊密性和準(zhǔn)直性、提供穩(wěn)定的電流密度、調(diào)節(jié)加速電壓或電子注形狀,優(yōu)化與慢波結(jié)構(gòu)的匹配。通過(guò)研究,太赫茲行波管電子槍裝配精度需達(dá)到以下要求。

        (1)裝配精度優(yōu)于 10μm 5(2)同軸度優(yōu)于 15μm 。

        3 太赫茲行波管關(guān)鍵原材料

        慢波結(jié)構(gòu)是行波管注波互作用發(fā)生的場(chǎng)所,是行波管最為關(guān)鍵的部件,要求具備低損耗和高導(dǎo)熱的特性。輸能窗是行波管中連接真空環(huán)境與外界的介質(zhì)窗口,需要兼具高機(jī)械強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率和低介電損耗。衰減器能吸收高頻系統(tǒng)反射信號(hào),保障行波管穩(wěn)定工作,需要具備高導(dǎo)熱、高吸收、低反射的特定。由于太赫茲頻段波長(zhǎng)更短(30μm~3mm ),對(duì)材料表面粗糙度和介電損耗要求極高,同時(shí)根據(jù)太赫茲行波管的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn),太赫茲行波管所采用的材料特有材料主要有高純度無(wú)氧銅、金剛石、氮化鋁-碳化硅復(fù)合材料等。

        (1)高純度無(wú)氧銅

        太赫茲行波管的高頻慢波結(jié)構(gòu)是波導(dǎo)類(lèi)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)利用高純度無(wú)氧銅進(jìn)行加工。該材料一方面具備超高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性來(lái)降低損耗和高效散熱,另一方面其具備卓越的加工與穩(wěn)定性,從而支持三維復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的成型。

        圖4波導(dǎo)端口縱向錯(cuò)位情況

        根據(jù)仿真計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn),錯(cuò)位可接受的公差范圍在 0.005mm 以?xún)?nèi)。

        2.2精細(xì)電子束產(chǎn)生與調(diào)控

        電子槍為行波管提供高能、穩(wěn)定的電子束,從而與微波信號(hào)進(jìn)行能量交換,決定行波管的輸出功率、帶寬和效率等關(guān)鍵指標(biāo)。

        太赫茲行波管目前采用熱陰極。由于陰極尺寸小,對(duì)陰極形貌的要求與傳統(tǒng)行波管相比要高,要求無(wú)毛刺、無(wú)磕邊。

        (2)金剛石

        金剛石材料的介電常數(shù)低,介質(zhì)損耗小,易于在太赫茲頻段實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的良好匹配,是輸能窗窗片的一種理想介質(zhì)材料,研制的金剛石輸能窗兼具寬頻帶、低損耗、弱反射、高可靠的特點(diǎn),是太赫茲行波管的最佳選擇

        (3)氮化鋁-碳化硅復(fù)合材料

        隨著太赫茲行波管頻率和功率的逐步提升,行波管用衰減器面臨微型尺寸加工和高熱流密度傳導(dǎo)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題,對(duì)衰減材料的熱學(xué)和力學(xué)性能提出了更高的要求。氮化鋁-碳化硅復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率和斷裂強(qiáng)度,因此特別適用于衰減材料。目前已研制出反射系數(shù)和傳輸系數(shù)分別低于-15dB和-70dB的氮化鋁-碳化硅衰減器,并應(yīng)用于樣管研制。

        4結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,太赫茲行波管在質(zhì)量控制要求方面,可執(zhí)行傳統(tǒng)微波行波管的原材料控制要求、關(guān)鍵工藝控制要求(如:電子槍裝架、冷測(cè)、排氣和熱測(cè)等)、檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法等,同時(shí),提出了太赫茲行波管高頻慢波結(jié)構(gòu)精密加工、精細(xì)電子束的產(chǎn)生與調(diào)控等關(guān)鍵工藝特殊控制要求,基本形成了適用于 340GHz 行波管的質(zhì)量控制要求。后續(xù)還將根據(jù)產(chǎn)品情況繼續(xù)完善和固化。

        參考文獻(xiàn)

        [1]張朋,閆美存,楊小萌,等.關(guān)鍵工藝過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高可靠行波管的重要作用[J].真空電子技術(shù),2020(1):83-86.

        [2]王亞軍,陳樟,施志貴.電子注通道形貌對(duì)折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的影響[J].激光與紅外,2013,43(6):678-682.

        [3]杜英華,胡銀富,丁明清,等.金剛石在太赫茲電真空器件中的應(yīng)用[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào),2013,11(3):350-353.

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