Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Аннотация

Введение

1 РАЗДЕЛ. «Программа моделирования высокочастотных электромагнитных полей»

Программа моделирования высокочастотных электромагнитных полей CST Microwave Studio

2 РАЗДЕЛ. «Проектирование основных узлов ЛБВ W-диапазона»

2.1. Замедляющая система для ЛБВ

2.2. Электронно-оптическая система ЛБВ

2.3 Фокусирующая система ЛБВ

2.4 Выводы энергии из замедляющей системы

2.5 Расчет выходных характеристик ЛБВ

2.6 Расчет теплового режима ЛБВ

3 Раздел. Исследовательская часть

Заключение

Список литературы

Введение

Среди прочих электронных компонентов изделия СВЧ-электроники занимают особое место. Они являются основой построения приёмно-передающих трактов радиоэлектронной аппаратуры и во многом определяют ее тактико-технические характеристики. Усложняются условия, в которых работают СВЧ устройства, поэтому к ним выдвигаются разнообразные требования, которые нужно учитывать при разработке устройств, такие как габаритные размеры, сосредоточение высокочастотных полей в малых объемах, присутствие цепей паразитной связи, электромагнитная совместимость (ЭМС), обеспечение условий теплового режима, а также требования к точностным параметрам и геометрии элементов структуры.

Одна из основных тенденций 120-летнего развития радиоэлектронных систем - повышение максимальной рабочей частоты, которая за этот период увеличилась почти в 1 миллион раз и вплотную приблизилась к терагерцевому диапазону, под которым понимается диапазон частот f=0,3…3ТГц. Освоение этого диапазона позволяет увеличить скорость передачи информации в системах связи, пространственное и временное разрешение радиолокационных систем, создать системы радиовидения с высокой частотой смены кадров, повысить скрытность и помехозащищенность систем передачи информации, уменьшить массу и габариты систем, включая антенны.

Анализ состояния и тенденций развития твердотельных (ТТ) и электровакуумных приборов СВЧ показывает, что область применения ТТ приборов по средней мощности ограничена величиной 20 Вт на частоте 10ГГц, и 7 Вт на частоте 30 ГГц. Для построения усилителей с выходной мощностью в сотни и более ватт и полосой частот более 5-10% используют вакуумные приборы типа ламп с бегущей волной (ЛБВ) или СВЧ модули, включающие предварительный ТТ усилитель и ЛБВ. Поэтому развитие новых принципов и технологий вакуумных электронно-волновых приборов, особенно ЛБВ для частот выше 90 ГГц, является одной из приоритетных задач СВЧ-электроники.

Разработка «классических» электровакуумных СВЧ приборов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах требует решения целого ряда проблем, связанных с пропорциональностью линейных размеров области взаимодействия прибора и длины волны. В результате

· Уменьшается площадь поперечного сечения электронного луча и, соответственно, увеличивается плотность тока в нем до 1000-2000А/см2. Так как плотность тока обычно применяемых термокатодов не превышает 10…20 А/см2, необходимо конструировать электронные пушки с высокой компрессией. Кроме того, для предотвращения расплывания луча под действием сил пространственного заряда требуется сильное магнитное поле с индукцией более 1 Тл, что трудно обеспечить с помощью постоянных магнитов.

· Стремление снизить ток луча приводит к увеличению его сопротивления постоянному току. Для обеспечения эффективного взаимодействия с таким лучом требуется использовать резонаторы с высоким волновым сопротивлением и замедляющие системы с высоким сопротивлением связи. Создание таких электродинамических систем в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах - трудная задача.

· Малые размеры электронного луча требуют разработки специальных конструкций коллектора с равномерным распределением конвекционного тока по его внутренней поверхности с тем, чтобы исключить локальные перегревы.

· Малые размеры резонаторов и замедляющих систем требуют разработки специальной технологии и высокое качество поверхности.

Над решением этих и других проблем конструирования мощных вакуумных приборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов работают как отечественные, так и ведущие зарубежные фирмы и лаборатории: «Исток», «Алмаз», «Плутон», «ЭлТек», ИПФ РАН, Communication and Power Industries (СPI), Boeing Electron Dynamic Devices (Boeing EDD), Naval Research Laboratory (NRL), Thomson - CSF. Предложенные ими решения включают:

· Использование ленточного электронного луча, что позволяет увеличить площадь его сечения и снизить плотность тока в луче.

· Использование новых типов термокатодов с увеличенной плотностью катодного тока. В перспективе возможно использование автоэмиссионных катодов.

· Использование многозазорных резонаторов с высоким волновым сопротивлением.

· Использование новых типов замедляющих систем, например, типа «петляющий волновод».

· Применение новых интегральных технологий изготовления деталей приборов - LIGA [1] технологии или DRIE процесса [2].

Для исследования возможностей новых систем, конструкций и режимов электровакуумных приборов необходим аппарат количественного анализа и синтеза приборов. В последние годы важную роль в теоретическом исследовании и проектировании приборов играют системы автоматизированного проектирования (САПР). Применение САПР дает возможность отказаться от разработки специальных программ для моделирования конкретных устройств и значительно сократить затраты на постановку машинного эксперимента. САПР позволяют моделировать устройства на уровне структурных, функциональных и принципиальных схем. Независимо от формы представления объекта моделирование в самой САПР проводится путём решения системы уравнений математического моделирования объекта, которая автоматически строится по описанию объекта на входном языке САПР. Обычно в САПР имеются средства, позволяющие задавать различные входные сигналы и наблюдать сигналы в различных точках объекта, в том числе и в точках, к которым нет доступа при физическом моделировании.

САПР - это организационно - техническая система, представляющая собой комплекс средств автоматизированного проектирования (АП), связанный с подразделениями проектной организации и выполняющий АП. Автоматизированным называется проектирование, осуществляемое ЭВМ при участии человека.

САПР можно представить как программную систему, которая по входному описанию автоматически строит математическую модель объекта, используя определённый набор моделей компонентов, а затем автоматически решает полученную систему уравнений. Всякая математическая модель описывается набором параметров, численные значения которых определяют характеристики конкретного объекта. Основными характеристиками математической модели являются точность, вычислительные затраты (затраты памяти и машинного времени на расчёт) и количество параметров. Точность характеризует степень соответствия выходных параметров, рассчитанных по модели, параметрам реального объекта. Точность зависит от погрешности определения параметров модели. При постановке машинного эксперимента одной из основных задач является выбор моделей, обеспечивающих требуемую точность при минимальных вычислительных затратах и количестве параметров.

Математические модели, используемые в САПР, строятся на базе элементарных математических моделей, описывающих компоненты и источники внешних сигналов. К математическим моделям компонентов относятся математические модели фильтров, конденсаторов, диодов, транзисторов и других компонентов. Математические модели источников сигналов - модели различных источников тока и напряжения, используемые в качестве внешних сигналов (прямоугольный импульс, гармонический сигнал и т.д.).

Одним из магистральных направлений научно-технического прогресса является оснащение наземных и летательных транспортных средств современной радиоаппаратурой [3]. Исходя из особенностей применения, к числу основных требований, предъявляемых к этим устройствам, относятся высокий уровень КПД, усиление, диапазон рабочих частот при наложенных ограничениях на ускоряющий потенциал, плотность тока с катода, габариты, масса, которые входят в состав обязательных требований по разработке современной радиоэлектронной аппаратуре специального назначения и во многом определяют ее тактико-технические характеристики. Учитывая постоянно растущие требования к качеству создаваемых приемных устройств, принципиально важным является выбор конструктивных и технологических особенностей исполнения изделий СВЧ-электроники. Это, в свою очередь определяется свойствами и характеристиками применяемых в ней узлов и элементов.

Среди подобных приборов перспективной является лампа с бегущей волной (ЛБВ) с ленточным электронным пучком и планарной замедляющей системой. ЛБВ используется на частотах от 1 до 100 Гц. Диапазон мощностей простирается от ватт до мегаватт. Полоса частот ЛБВ обычно составляет 10-20%. Это делает ее перспективной по отношению к другим электровакуумным приборам.

Существует критерий качества ЛБВ, который оценивается произведением мощности на квадрат частоты. В настоящее время Россия имеет значительное отставание от мирового уровня по критерию качества ЛБВ в коротковолновой части миллиметрового диапазона.

Цель магистерской диссертации состоит в разработке перспективной замедляющей системы для ЛБВ W-диапазона, для обеспечения выходной мощности прибора не менее 10 Вт и шириной рабочей полосы частот не менее 3%. Учитывая отмеченные выше трудности создания цилиндрического пучка со сравнительно большим током, в разрабатываемой ЛБВ используется ленточный.

1 РАЗДЕЛ «Программа моделирования высокочастотных электромагнитных полей»

По мере развития технических систем и устройств, ужесточения требований к их параметрам, надежности и стоимости, усложнения и удорожания натурных экспериментов, все большую роль играет математическое моделирование объектов. Использование достаточно точных математических моделей позволяет изучать поведение разрабатываемых изделий в самых различных, в том числе экстремальных условиях.

В частности, стремительное совершенствование микроволновых электродинамических систем, приборов и устройств, экспериментальное исследование электромагнитного поля которых является весьма сложной и дорогостоящей задачей, стимулировало развитие методов их математического моделирования.

Высокочастотная электродинамическая система предназначена для создания электромагнитного поля заданной конфигурации. Поэтому расчет и проектирование таких систем основаны на решении уравнений Максвелла, составляющих основу классической электродинамики.

Нельзя не удивляться разнообразию физических явлений, которые описываются этими замечательными уравнениями, впервые опубликованными в 1864 г. -- от электрических и магнитных полей маленьких кусочков янтаря и железной руды, благодаря которым были открыты электричество и магнетизм, до электромагнитных полей галактик, пульсаров, черных дыр и реликтового излучения. К этому перечню надо добавить электромагнитные поля, созданные человеком -- от бесконечно слабых радиоволн, приходящих к нам от межпланетных космических зондов, до сверхсильных полей, используемых в энергетике и экспериментальной физике.

Такое обилие возможных решений позволяет предположить, что отыскание среди них решения конкретной задачи, удовлетворяющей заданным начальным и граничным условиям, весьма затруднительно. Действительно, в настоящее время точное решение уравнений Максвелла в областях произвольной формы, заполненных средой с произвольными свойствами, невозможно. Поэтому, в зависимости от формы области, в которой ищется решение, свойств заполняющей ее среды, заданных начальных и граничных условий для решения уравнений Максвелла используются различные методы.

В областях правильной формы (шар, эллипсоид, цилиндр, параллелепипед) с линейным однородным изотропным заполнением и простыми граничными условиями известны аналитические решения, т. е. формулы, выражающие электрическое и магнитное поле через известные функции координат и времени (или в виде сходящихся рядов по этим функциям). Такие решения называют «точными» в том смысле, что их можно вычислить с любой заданной точностью (при отсутствии ошибок округления).

В более сложных случаях точное решение задачи найти не удается и приходится ее решать приближенными (численными) методами. Следует отметить, что любой метод решения задач электродинамики на определенных этапах предполагает проведение операций над числами. Особенности численных методов решения физических задач:

Решение задачи получается в результате выполнения определенной конечной последовательности арифметических действий (алгоритма), которая не может быть выражена с помощью одной или нескольких математических формул, связывающих искомые величины с заданными;

Алгоритм решения предусматривает полностью формализованные процедуры получения всех промежуточных и окончательных результатов из строго определенного набора исходных данных. Для задач электродинамики, например, таким набором является конфигурация расчетной области, электрофизические параметры заполняющей ее среды, граничные и начальные условия, сторонние по отношению к данной задаче токи и заряды.

Для численного анализа какой-либо физической проблемы необходимо построить ее математическую модель, учитывающую все существенные для данной задачи особенности реального процесса. Проблемы построения математических моделей интенсивно изучаются последние полвека. Они рассматриваются, в частности, в книгах [4, 5]. Следует отметить, что математическая модель не идентична объекту, а является его приближенным описанием. Поэтому, в зависимости от требований к точности и универсальности моделей, она может иметь различную сложность и требовать для реализации различных вычислительных ресурсов.

Одной из наиболее важных характеристик математической модели является погрешность получаемых с ее помощью результатов. Эта погрешность складывается из составляющих, вносимых на каждом этапе численного решения. В соответствии с принятой классификацией к составляющим общей погрешности решения относятся:

Неустранимая погрешность, возникающая на первом этапе за счет неточности исходных данных. Как показывает название, эта погрешность не может быть устранена на последующих этапах, однако она может существенно увеличиваться при решении так называемых некорректных задач.

Погрешность математической модели, возникающая на втором этапе вследствие неполной неадекватности используемой модели реальному физическому объекту или процессу.

Погрешность метода, возникающая в результате дискретизации задачи.

Вычислительная погрешность, возникающая в связи с конечной точностью представления чисел и конечным числом операций над ними.

Первые алгоритмы и программы решения краевых задач электродинамики появились в начале 60-х годов прошлого века. За последующие 20 лет были созданы эффективные программы решения двухмерных скалярных и векторных задач, что позволило создать математические модели волноводов произвольного поперечного сечения, объемных резонаторов и других электродинамических систем, регулярных в одном из направлений. В середине 80-х годов были разработаны первые программы решения трехмерных задач в частотной и временной областях.

В настоящее время имеется целый ряд коммерческих программных продуктов, способных решать трехмерные краевые и начально-краевые задачи электродинамики, обладающих высокой эффективностью, универсальностью и удобным пользовательским интерфейсом. Проблема, однако, не может считаться окончательно решенной. Перед разработчиками программного обеспечения стоят проблемы экономии вычислительных ресурсов, расширения класса решаемых задач на более сложные и электрически протяженные объекты, повышения точности результатов расчета параметров электродинамических систем. Слабо разработаны полевые методы синтеза и оптимизации электродинамических систем, методы решения обратных и нелинейных задач. Над решением этих проблем интенсивно работают ученые и программисты разных стран.

1.1 Программа моделирования высокочастотных электромагнитных полей CST Microwave Studio

В 1966 году Йи [6] предложил алгоритм решения уравнений Максвелла, записанных для мгновенных значений напряженностей поля, методом конечных разностей (Finite Difference Time Domain, FDTD метод). Эта работа положила начало широкому применению метода конечных разностей во временно области в практике расчета переменных электромагнитных полей. Хотя в работе [6] рассматривалось решение в двумерной области, метод впоследствии был обобщен и на трехмерные задачи [7].

В пакете программ электродинамического моделирования CST Microwave Studio используется метод конечного интегрирования. Метод конечных объемов близок к методу конечных разностей, но, в отличие от него, основывается на интегральных, а не дифференциальных соотношениях. Теория этого метода изложена, в частности, в монографиях [8, 9]. Применительно к решению задач электродинамики метод был предложен Т. Вейландом [10] под названием «метод конечного интегрирования» (finite integration technique). Обзор современного состояния и применений этого метода содержится в работах [11, 12].

Рассмотрим реализацию метода конечного интегрирования для решения трехмерных задач электродинамики. Пусть необходимо рассчитать электромагнитное поле в некоторой области V, на поверхности S которой заданы определенные граничные условия. Кроме того, считаем, что в этой области известно поле в начальный момент времени (заданы начальные условия).

Покроем область V гексаэдральной сеткой G и рассмотрим одну ячейку этой сетки. Запишем второе уравнение Максвелла в интегральной форме (закон Фарадея) для грани этой ячейки:

(1)

где интеграл в левой части берется по контуру грани, а в правой-по ее поверхности, -- орт внешней нормали к поверхности. Введя напряжения на ребрах

и магнитный поток через грань

( см. рис. 1), запишем разностный аналог этого уравнения:

(2)

Рис. 1. К дискретизации законов Фарадея (а) и Ампера (б)

Четвертое уравнение Максвелла в интегральной форме

(3)

после интегрирования по поверхности ячейки принимает вид

(4)

Уравнения (2) и (4) могут быть записаны в матричной форме для всей расчетной области:

(5)

(6)

Где V = [vxn,vyn,vzn]T, F = [Фxn, Фyn, Фzn]T, n = 1,…, N - векторы -столбцы напряжения и магнитного потока,

- квадратные матрицы - дискретные операторы ротора и дивергенции.

Для дискретизации оставшихся двух уравнений Максвелла построим дуальную сетку , сдвинутую на половину шага относительно первой (рис. 2 а).

Рис. 2. Дуальная сетка (а) и связь неизвестных на основной и дуальной сетках (б)

Закон Ампера (первое уравнение Максвелла) и уравнение Гаусса имеют вид



лампа бегущий волна электромагнитный

Где - плотность пространственного заряда.

Дискретные аналоги этих уравнений могут быть записаны в виде

(7)

, (8)

Где и - дискретные операторы ротора и дивергенции на дуальной сетке, - вектор электрических зарядов в ячейках,

Уравнения (5)--(8) образуют систему сеточных уравнений Максвелла. К ним, однако, надо добавить материальные уравнения в дискретной форме:

V = MеP; W = MмF, (9)

где Mе - матрица обратной диэлектрической проницаемости, Mм - матрица обратной магнитной проницаемости. При определении материальных матриц необходимо усреднять диэлектрическую и магнитную проницаемости по смежным ячейкам сетки. Так как сеточные уравнения Максвелла содержат только топологическую информацию, они точные, и вся погрешность решения сосредоточена в материальных уравнениях (9).

Материальные уравнения «отображают» основную сетку на дуальную (и наоборот) (см. рис. 2 б). В дифференциальной геометрии такое отображение называют оператором Ходжа. Поэтому уравнения (9) можно назвать дискретными операторами Ходжа. Они содержат всю метрическую информацию (размер сеток) и усредненные данные об электрофизических параметрах среды. Граничные условия различных типов аппроксимируются, используя полученные соотношения.

Аппроксимация производных по времени в сеточных уравнениях Максвелла, полученных методом конечного интегрирования, проводится аналогично тому, как это делается в методе конечных разностей во временной области. В результате получаем явную схему вычисления неизвестных величин на каждом временном шаге. Пусть на шаге (k - l / 2) ht известен вектор F, а на шаге kht известен вектор V. Тогда с помощью (5) вычисляется вектор F в момент времени (k + l / 2) ht. Затем, используя (9), определяем W в тот же момент времени. После этого с помощью (7) вычисляется вектор Р в момент времени (k + l) ht и по первому уравнению (9) вектор V в тот же момент времени. Затем цикл по времени повторяется.

Разработка приборов с миллиметровом диапазоне сопряжена с целым рядом трудностей, поэтому все большую роль играет математическое моделирование объектов. Программа электродинамического моделирования CST Microwave Studio используется метод конечного интегрирования. В данной программе будет проектироваться замедляющая система для ЛБВ W-диапазона.

2 РАЗДЕЛ. «Проектирование основных узлов ЛБВ W-диапазона»

Развитие современной радиолокации и связи диктует необходимость разработок электровакуумных приборов миллиметрового (субмиллиметрового) диапазона длин волн. Среди подобных приборов перспективной является ЛБВ с ленточным электронным пучком и планарной замедляющей системой, обеспечивающая широкую полосу рабочих частот и тепловую устойчивость.

Основными узлами ЛБВ являются блок с линией замедления - узел, в котором на алмазной подложке расположены медные проводники в виде меандров с определенным шагом. Для формирования электронного пучка с необходимой плотностью тока и малым временем готовности разработана электронная пушка. Для фокусировки электронного пучка в пространстве взаимодействия используется система на постоянных магнитах. Ввод и вывод СВЧ мощности обеспечивается с помощью волноводных переходов. Замедляющая система прибора соединяется с проводниками входного и выходного вывода энергии, которые возбуждают волну в прямоугольном волноводе.

2.1 Замедляющая система для ЛБВ

Большинство используемых на практике замедляющих систем представляет собой отрезок периодической структуры (спиральной, гребенчатой и т.д.). Замедление электромагнитной волны в таких замедляющих системах осуществляют различными способами: удлиняют путь волны, направляя ее не по оси замедляющей системы, а например, по винтовой линии; создают полости, в которых продвижение волны вперед происходит после ряда отражений.

В последние годы в качестве перспективной замедляющей системы в W-диапазоне как правило рассматривается петляющий волновод [13-15]. Эта замедляющая система обеспечивает хороший теплоотвод и широкую полосу рабочих частот, однако ее изготовление (как и других типов замедляющих систем) требует сложной интегральной технологии. Это привело к разработке специальных технологий изготовления, обеспечивающих допуски в пределах единиц микрометров и высокое качество поверхности - LIGA технологии и DRIE процесс.

LIGA технология позволяет создавать структуры с большим аспектным отношением (отношением глубины профиля к его поперечным размерам), вертикальными стенками и высоким качеством поверхности. Для этого фоторезист подвергают экпонированию жестким синхронным излучением с энергией 2 ГэВ и расходимостью пучка 0,0060. Такая технология позволяет создавать структуры глубиной до 1 мм, в том числе матрицы для прессования деталей. Пространственное разрешение - менее 1 мкм. К сожалению, источники синхронного излучения малодоступны.

Технология DRIE основана на многократном чередовании ионного травления и пассивации. При этом достигается высокое разрешение, однако стенки получаются слегка волнистыми. Для травления используются мощные источники плазмы. К недостаткам этой технологии относится необходимость использования специализированного дорогостоящего оборудования.

В связи с работами по микроминиатюризации СВЧ приборов, в частности приборов О-типа, большое значение приобрели системы, нанесенные в виде тонких пленок на диэлектрик.

На предприятии «Исток» существуют и широко применяются прецизионные технологии лазерной резки, а также роста размерных алмазных элементов с последующей металлизацией.

Одним из наиболее используемых способов выращивания пленок CVD-алмаза является способ выращивания из смеси метана и водорода при активации газа СВЧ-разрядом. В качестве подложки используется кремниевая пластина, засеянная алмазным нанометрическим порошком (рис. 3).

Рис.3. Начальная фаза роста CVD-алмаза на кремниевой пластине, обработанной наноалмазным порошком

Рост инициируется поверхностью нанокристаллов, при этом большинство направлений роста при этом оказывается подавленными более быстро растущими кристаллитами.

а) б)

Рис.4 Морфология поверхности (а) и поперечное сечение пленки алмаза (б)

На поверхности роста обычно не наблюдается преимущественность какого-либо из кристаллографических направлений (рис.4).

С целью исследования переходной области, позволяющей выявить закономерности гетероэпитаксиального роста CVD-алмаза на поверхностях, и получения поликристаллических слоев алмаза на больших поверхностях, проводились эксперименты по росту CVD-алмаза на самоорганизованной наноразмерной поверхности анодноокисленного алюминия (рис. 5).

Рис.5. АСМ изображение пленки анодноокисленного алюминия

Анодный окисел алюминия (АОА) - самоорганизованный наноструктурный материал, состоящий из множества однородных цилиндрических пор, расположенных перпендикулярно к поверхности материала. Регулярная пористая структура возникает при электрохимическом окислении (анодировании) алюминия.

По своим свойствам АОА - это диэлектрический материал, оптически прозрачный, термически устойчивый, механически прочный и химически инертный. Интерес вызывает возможность заполнения матриц АОА полупроводниковыми материалами для возможности разнообразия и расширения области их применения.

Пленки пористого АОА широко используются в современной полупроводниковой технике в качестве газовых фильтров и матричных сенсоров, световодов, матриц для создания углеродных нанотрубок, магнитных проволок и др [17].

В работе [18] рассмотрен метод получения пористых слоев оксида алюминия на изолирующих подложках сапфира. Анодное окисление проводилось в два этапа:

1. предварительное окисление алюминия в 0,1 М водном растворе лимонной кислоты при напряжении на катоде 40…50 В с целью формирования тонкого слоя плотного оксида на поверхности алюминия;

2. окисление в 0,4 М водного раствора щавелевой кислоты при катодном напряжении 160…300 В длительностью 0,1…1 с для локального пробоя оксидного слоя и 50…100 В для образования зародышей и роста пор.

Рис. 6. Матрица пленки анодного окисла алюминия

По результатам работ [19…22] отмечено, что поверхность структурированного анодного оксида алюминия может являться зародышеобразующей для роста пленок CVD-алмаза и GaN на диэлектрических и полупроводниковых подложках.

Для создания модифицированной поверхности на поверхность кремниевой пластины ориентацией (100) диаметром 57 мм и толщиной 3 мм напыляли слои титана и алюминия толщиной 0,1 мкм и 2 мкм соответственно. Анодное окисление проводили в растворе щавелевой кислоты при напряжении 60 В.

Наноразмерная топологическая структура исследовалась с помощью атомного сканирующего микроскопа Solver р 47. Анализ топологии поверхности показал наличие самоорганизованной структуры с шагом 110-120 нм. На подготовленную таким образом поверхность осуществлялся рост CVD-алмаза в установке ASTeX.

Режим роста алмазов на модифицированной поверхности (давление, концентрация, мощности) был аналогичен, что и при росте алмаза на кремниевой пластине с засевом наноалмазным порошком. Процесс роста CVD-алмаза протекал со скоростью 5,0 мкм/час, толщина выращенной пленки составляла 0,4 мм.

Поверхность выросшей пленки CVD-алмаза имела ярко выраженную кристаллографическую направленность (001) (рис.7).

<400 мm> <400 мm>

(a) (b)

Рис.7. РЭМ изображение поверхности пленки CVD-алмаза

После стравливания кремниевой подложечной пластины и окисла алюминия поверхность зародышеобразования CVD-алмаза имела проводимость, которую можно было устранить химической обработкой. При напылении на эту поверхность алюминия толщиной 2 мкм и последующем отслаивании ее от поверхности CVD-алмаза на скане поверхности этой пленки (реплики) видны следы проникновения углерода в поры анодноокисленного алюминия на этапе роста пленок CVD-алмаза (рис. 8). Это, по-видимому, указывает на наличие углеродных нанонитей (острий) на поверхности CVD-алмаза и переходной области между этой поверхностью и алмазом.

Рис.8. АСМ изображение поверхности АОА с расположенными в ней углеродными нанонитями

В последнее время возрос интерес к возможности выращивания эпитаксиальные слои нитрида галлия на алмазе [27]. Это связано с работой над мощными транзисторными структурами на основе нитридов III группы и обусловлено очень высокой теплопроводностью алмаза. Ряду групп уже удалось продемонстрировать рост достаточно совершенных эпитаксиальных плёнок нитрида галлия на монокристаллических алмазных подложках различной ориентации [23…25].

В работе [26] исследовалась возможность роста нитрида галлия на поликристаллическом алмазе методом хлорид-гидридной эпитаксии (ХГЭ). Алмазные подложки были получены CVD-методом на кремниевых подложках с нанесённой на них наномаской из пористого анодного окисла алюминия. После выращивания кремниевая подложка удалялась. Было выполнено несколько серий экспериментов по выращиванию плёнок нитридов. В первой серии нитрид галлия попытались нанести на ростовую поверхность алмазной подложки или на поверхность, обращённую к кремниевой подложке. В том и другом случае не удалось получить сплошную плёнку нитрида галлия. Во второй попытке на обратную сторону алмазной подложки, которая была гораздо более гладкой, чем ростовая сторона, была нанесена маска из пористого анодного окисла алюминия толщиной 0,8 мкм. Выращивание методом ХГЭ происходило при температуре около 1070 С со средней скоростью около 80 мкм/ч, ожидаемой из калибровочных процессов на сапфировых подложках. Перед напылением наносился тонкий слой аморфного нитрида галлия толщиной 20 нм при температуре 550С. Слой отжигался в потоке аммиака, разбавленного азотом, по мере подъёма температуры до температуры выращивания основного слоя нитрида. Этот слой выращивался в течение часа. Было установлено, что в результате роста образовалась сплошная плёнка нитрида галлия толщиной 80 мкм, соответствующей ожидаемой.

В третьей серии опытов в качестве маски при росте использовалась напылённая на «кремниевую» сторону алмазной подложки плёнка титана, которая при отжиге в аммиаке при температуре, близкой к температуре роста, распадалась на островки TiN, образующие естественную наномаску. Выращивание слоя нитрида поверх такой маски в течение полутора часов привело к образованию сплошной плёнки нитрида галлия с ориентацией (0001). В процессе охлаждения эта плёнка отделилась от алмазной подложки так же, как это происходило при выращивании на сапфире с использованием подобной маски. Полученная плёнка нитрида галлия была проводящей. Наблюдаемые различия между ростовой и подложечной стороной плёнки можно объяснить улучшением структурного совершенства плёнки по мере увеличения её толщины, а также компенсацией проводимости плёнки вблизи подложки возможным загрязнением углеродом из подложки.

На основе данных технологий предлагается конструкция перспективной широкополосной замедляющей системы в W-диапазоне, использующей нулевую пространственную гармонику с высоким сопротивлением связи и способной обеспечить хороший теплоотвод.

Планарная замедляющая система представляет собой два ленточных меандра, расположенных на поверхности алмазных пластин с двух сторон от ленточного пучка внутри периодического волновода (рис. 9).



Рис. 9 - Эскиз одного периода замедляющей структуры

В отличие от известных аналогичных замедляющих систем здесь используется подвешенная тонкая подложка из CVD алмаза для обеспечения хорошего теплоотвода и низкой диэлектрической нагрузки. А также проводники в виде меандра высотой не менее 50 мкм, что препятствует токооседанию на диэлектрик и его последующей зарядки.

Для проектирования, позволяющего существенно сузить область поиска оптимальной конструкции и режима прибора, наиболее достаточно пригодным является программа электродинамического моделирования CST Microwave Studio. С помощью данной программы была найдена оптимальная конструкция (рис. 1) и режим прибора. Замедляющая система обеспечивает широкую полосу пропускания и максимально возможное сопротивление связи (рис.10-11).



Рис. 10 - АЧХ замедления в замедляющей системе

Рис. 11 - Сопротивление связи замедляющей системы

Период замедляющей системы составил 190 мкм. Рабочее напряжение пучка 15.6 кВ. Толщина меандров составляет 50 мкм. Пролетный канал высотой 240 мкм [16].

2.2 Электронно-оптическая система ЛБВ

Электронные пушки, использующиеся во всех ЛБВ и фактически во всех линейно-лучевых приборах, имеют, по существу, одни и те же принципы работы. Главные отличия, которые возникают из-за разницы в требованиях к мощности этих приборов. Состоят исключительно в размерах, рабочем напряжении и токе.

Электронная пушка в СВЧ-приборе применяется для того, чтобы сформировать из электронов, вышедших с катода, электронный пучок, способный взаимодействовать с ВЧ-системой. Разработчики электронной пушки сталкиваются со следующими основными проблемами:

· Электростатические силы пространственного заряда расталкивают пучок.

· Необходимая плотность тока эмиссии, которую способен обеспечить катод с приемлемым ожидаемым скором службы.

Подход к решению этих проблем описан Пирсом]. Предполагается, что в пушке отсутствует магнитное поле. Тепловые скорости электронов не учитываются, а электронный поток считается ламинарным. Пушка разделена на три области. В первой из них расположена поверхность катода сферической формы. Фокусирующий электрод сделан так, чтобы создавать в первой области эквипотенциальные поверхности примерно сферической формы с тем же самым центром кривизны, что и у поверхности катода. Таким образом, электроны движутся по направлению к центру кривизны катода.

Во второй области анод должен иметь отверстие для прохождения электронного пучка, и эквипотенциали прогибаются внутрь этого анодного отверстия. В результате образуется рассеивающая линза, которая оказывает расфокусирующее действие на электронный пучок.



Рис. 12 - Схематическое изображение пушки Пирса

И, наконец, в третьей области электронный пучок выходит из ускоряющего поля, действующего на участке катод-анод, и дрейфует под влиянием сил пространственного заряда. Таким образом, электроны в пучке двигаются по траекториям, соответствующим универсальной кривой расширения пучка.

Для конструирования мощных вакуумных приборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов необходимо использовать ленточный электронный луч, который позволит увеличить площадь его поперечного сечения и снизить плотность тока в луче. Требуется решить проблему расталкивающих сил, действующих на электроны, вышедшие с катода и движущиеся по направлению к аноду: обеспечить параллельное движение электронов на выходе с катода.

В отсутствие электронов эквипотенциали в плоскопараллельном диоде параллельны и расположены на равных расстояниях при равных приростах напряжения. При наличии электронов эквипотенциали изогнуты вправо. Электроны стремятся двигаться перпендикулярно к эквипотенциалям, поэтому траектории электронов расходятся по мере того, как электроны удаляются от катода. Проще говоря, электроны расталкивают друг друга, и это заставляет их траектории расходиться. Если придумать устройство, которое выпрямит эквипотенциали при наличии сил пространственного заряда, то электроны будут двигаться по параллельным траекториям.

Предлагается для первых образцов ЛБВ использовать электронно-оптическую систему без компрессии и иммерсионный металлосплавной катод с высокой плотностью тока 100 А/см2, используемые для субмиллиметровых ЛОВ, выпускаемых на АО «НПП «Исток» им. Шокина». Использование иммерсионного катода позволяет уменьшить пульсации пучка, если пучок расширяется или сужается на входе в фокусирующее поле; значительно уменьшаются возмущения радиуса пучка из-за таких внутренних процессов, как группировка электронов под воздействием ВЧ-поля.

Из-за того, что при фокусировке ограниченного потока пучок вращается так медленно, центробежная сила (которая равна силе пространственного заряда для бриллюэновской фокусировки) почти исчезает. Поэтому почти вся фокусирующая сила, создаваемая медленно вращающимся пучком в сильном фокусирующем поле, идет на компенсацию сил пространственного заряда.

На рис.13 представлены результаты моделирования электронно-оптической системы, формирующей ленточный пучок с сечением 400*108 мкм с током 43 мА.



Рис. 13 Электронно-оптическая система

Фокусировка электронного потока осуществляется магнитной системой на постоянных магнитах, обеспечивающих магнитное поле 0,8Тл. Превышение величины магнитного поля в 8,8 раз по сравнению с бриллюэновским дает возможность «заморозить» ленточный пучок в канале, что позволяет избежать известной проблемы S-образного загиба краев (рис.14)

Рис. 14 Прохождение ленточного пучка в канале

В последствии планируется спроектировать более сложную оптику с экранированным катодом и компрессией пучка.

2.3 Фокусирующая система ЛБВ

Для предотвращения расхождения электронов под действием объемного заряда ЛБВ снабжена магнитной фокусирующей системой на постоянных магнитах из самарий-кобальта. Постоянное магнитное поле позволяет удерживать электронные пучки при значительных изменениях их геометрии и электрических параметров на входе в замедляющую систему. Магнитная система содержит два ряда намагниченных в поперечном направлении постоянных магнитов в виде прямоугольных брусков, замкнутых магнитопроводом (рис. 15). Стрелками показано направление намагниченности постоянных магнитов, а также отмечено расстояние (длина межполюсного зазора) между катодным и коллекторным полюсными наконечниками (рис. 15).



Рис. 15 - Магнитная система прибора от аналога сантиметрового диапазона длин волн

На рис. 16 приведен график распределения продольной составляющей магнитного поля на оси замедляющей системы. Из графика видно, что функция распределения продольной составляющей магнитного поля слабо меняется вдоль оси Z замедляющей системы (близкое к однородному полю) и имеет амплитуду 2 700 - 2 850 Гс. Функция распределения продольной составляющей на оси пролетных каналов, образованных отверстиями в диафрагмах, слабо отличается от поля на оси замедляющей системы, что позволяет сделать расчет в однолучевом приближении. Также из графика видно, что вблизи полюсных наконечников функция резко убывает. Из расчетов выявили, что толщина полюсного наконечника коллектора, где выполняется основная роль полюса, не должна превышать 0.7 мм, т.к. большая толщина может привести к проблеме токооседания перед коллектором.

Рис. 16 - График функции распределения продольной составляющей магнитного поля на оси замедляющей системы

На рис.17 приведен график функции распределения поперечной составляющей магнитного поля на оси пролетных каналов замедляющей системы в межполюсном зазоре. Силовые линии магнитного поля в межполюсном зазоре имеют «бочкообразный» вид. Амплитуда поперечной составляющей магнитного поля составляет порядка 30 Гс.

Рис. 17 - Функция распределения поперечной составляющей магнитного поля на оси пролетных каналов замедляющей системы в межполюсном зазоре

2.4 Выводы энергии из замедляющей системы

Спроектированы выводы энергии из ЗС на стандартный прямоугольный волновод. Входное и выходное устройства СВЧ ввода идентичны и состоят из волновода, согласующей петли и вакуумного окна (рис. 18).

Рис. 18 Геометрия расчетной системы

Данная геометрия позволила минимизировать уровень КСВ в рабочей полосе. Максимальное расчетное значение КСВ всей системы в сборе составляет 1.3 (рис. 19)

Рис.19 Расчетный КСВ

2.5 Расчет выходных характеристик ЛБВ

В работе рассмотрен вариант «прозрачной» ЛБВ (без поглотителя), что реализуемо при сравнительно короткой лампе и небольшом усилении (< 16 дБ). В одномерной программе по расчету взаимодействия были получены выходные характеристики лампы, представленные на рис. 20.

Рис. 20 Расчетная выходная мощность и усиление ЛБВ

При длине области взаимодействия 24.6 мм и рабочем напряжении 15.6 кВ, входной мощности 1 Вт, выходная мощность в полосе 5 ГГц достигает 27 Вт, что в 3 раза превышает мощность разработанной ранее лампы традиционной конструкции на предприятии «Исток».

2.6 Расчет теплового режима ЛБВ

Был промоделирован тепловой режим лампы. При расчете учитывалось тепловыделение от вероятного токооседания электронного потока на элементы ЗС из-за несовершенства сборки лампы (была принята ориентировочная величина токооседания 10%), а также омические и диэлектрические потери мощности СВЧ волны в замедляющей системе. Распределение температуры в элементах замедляющей системы показано на (Рис. 21). Максимальный температурный перепад между замедляющей системой и корпусом составил всего 30С благодаря высокой теплопроводности алмаза.

Рис. 21 Распределение температуры в элементах замедляющей системы

3 Раздел. Исследовательская часть

В диссертации исследовались технологии изготовления замедляющей системы для ЛБВ W-диапазона. Основными показателями технологии являются точность изготовления и качество поверхности.

Методы создания заданного рисунка металлизации известны из техники печатных плат, однако, перенос этих технологий на мелкоструктурные топологии на алмазе невозможен из-за низкой точности и специфических свойств алмаза, низкой адгезии металлической пленки и большой разницы КТР. Фотолитографические методы, применяемые при создании интегральных схем, не обеспечивают достаточной толщины металлизации для предотвращения токооседания на диэлектрик. Поэтому нами была сделана попытка создания тонкой металлизации в виде меандра на поверхности алмаза с последующей рецессией остальной поверхности алмаза. Для создания рецессии на алмазе с требуемым рисунком использовалось развитая на «Истоке» уникальная технология ионной имплантации с последующей графитизацией алмаза [8]. На рис. 22 представлена фотография нескольких периодов ЗС, изготовленной по данной технологии.

Рис. 22 . Фотография экспериментального образца подложки с двумя периодами ЗС

Разработанная технология позволяет формировать на поверхности алмазной пластины высокоадгезионную металлизацию по заданному шаблону с достаточной для создания приборов миллиметрового диапазона точностью. Однако толщина металлизации в данной технологии не превышает 5-7 мкм, что недостаточно для предотвращения оседания пучка на диэлектрик и его зарядки.

Поэтому был рассмотрен другой технологический маршрут, который включает в себя следующие этапы:

· Изготовление меандра из фольги толщиной 50 мкм

· Технологическая очистка меандров

· Изготовление алмазных подложек со сплошной металлизацией золотом

· Термодиффузионная пайка медного меандра на металлизированную поверхность алмазной подложки

· Травление золота с поверхности алмазной подложки с использованием медного меандра в качестве маски

Для изготовления ЗС в виде меандра выбрана технология прецизионной лазерной резки, которая хорошо освоена на «Истоке» и гарантирует точность до ±5 мкм (рис.23а).

После лазерной резки проводилась технологическая очистка. Рассматривались два варианта: химическая очистка в щелочном растворе при высокой температуре (рис. 23б) и отжиг в восстановительной среде (водородная печь) (рис.23в).



Рис. 23. Медный меандр.а - после лазерной резки, б - после химической очистки в щелочном растворе, в - после отжига в водородной печи

При сравнении результатов видно, что существенной разницы в качестве поверхности нет. Однако, после отжига в восстановительной среде, медные элементы ЗС становятся очень пластичными, что легко приводит к деформации деталей. Для дальнейшего использования был выбран вариант химической очистки.

После очистки производилась термодиффузионная пайка медного меандра и алмазной подложки, металлизированной золотом толщиной 0,5-3мкм (рис. 24).

Рис. 24. Фотография спаянных медных элементов ЗС и металлизированной алмазной подложки

Пайка прошла успешно без растрескивания алмаза и коробления подложки благодаря малой толщине и благоприятной топологии меди. Травление золота осуществляется в аргоновой плазме.

Заключение

Предложенная конструкция замедляющей системы согласно расчетам позволяет получить высокое сопротивление связи и необходимую дисперсионную характеристику в 3-мм диапазоне длин волн с полосой рабочих частот в 5 ГГц. Использование новой конструкции позволит существенно увеличить выходную импульсную мощность при рабочем напряжении не более 15.6кВ. Продемонстрирована технологичность и изготовляемость новой конструкции замедляющей системы. Следует отметить высокие технологические показатели обработки (точность и качество поверхности) с помощью лазерной резки, при этом проводники замедляющей системы сохраняют качество (плотность и сопротивление) монолитного материала.

Список литературы

1. Гольденберг Б.Г. Базовые принципы LIGA-технологии [электронный ресурс]. // www.ssrc.inp.nsk.su/CKP/lections/Theory_of_LIGA-tecnology.pdf

2. DRIE technology: from micro to nanoapplications [электронный ресурс] / J.-M. Thevenoud, B. Mercier, T. Bourouina et.al. www.researchgate.net%2Fprofile%2FT_Bourouina%2Fpublication

3. Матей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи». Том 1. - М., Связь, 1972.

4. Тихонов А.Н., Костомаров Д.П. Вводные лекции по прикладной математике.-М.: Наука, 1985-192с.

5. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры.-2-е, испр. Изд.-М.: Физматлит, 2001.-320с.

6. Yee K.S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equation in isotropic media// IEEE Trans. Antennas Propagat.-1966.-Vol. 14, no. 5.-Pp.302-307.

7. Taflov A., Brodwin M.E. Numerical solution of steady-state electromagnetic scattering problems using the time-dependent Maxwell's equations // IEEE Trans. Microwave Teory Techn.-1975.-Vol.23, no. 8.-Pp.623-630.

8. В.П. Ильин Методы конечных разностей и конечных объемов для эллиптических уравнений. -М.: Наука, 1972. - 735 с.

9. LeVeque R.J. Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems/ -Cambridge: Cambridge University Press, 2002. - 558 pp.

10. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields // Electronics and Communications AE E U. - 1977. - Vol. 31, no. 3. - Pp. 116-120.

11. Clemence M., Weiland T. Discrete electromagnetism with the finite integration technique // Progress in electromagnetic research, PIER. - 2001. - Vol. 32. - Pp. 65-87.

12. Haber E., Ascher U.M. Fast finite volume simulation of 3D electromagnetic problems with highly discontinuous coefficients // SIAM J. Sci. Comput. - 2001. - Vol. 22, no. 6. - Pp. 1943-1961

13. Srivastava V. THz vacuum microelectonic devices // J. Physics: Conf. Series. 2008. Vol. 114. No.1.012015.

14. Booske J.H., Dobbs R.J., Joye C.D., Kory C.L., Neil G.R., Park G.S., Park J.H., Temkin R.J. Vacuum electronic high power terahertz sources // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. Vol. 1. No. 1. P. 54-75.

15. Shin Y.-M., Baig A., Barnett L.R., Tsai W.-C., Luhmann N.C., Pasour J., Larsen P. Modeling investigation of an ultrawideband terahertz sheet beam traveling-wave tube amplifier circuit // IEEE Trans. Electron Devices. 2011. Vol. 58. No. 9. P. 3213-3219.

16. Ракова Е.А., Галдецкий А.В., 24-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

17. Духновский М.П., Крысов Г.А., Ратникова А.К. Металлизация пластин из искусственного CVD-алмаза. Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. Вып. 1(494).2008. С. 3-7.

18. Духновский М.П., Веденеев А.С., Гудков В.А., Ратникова А.К., Рыльков В.В., Федоров Ю.Ю., Бугаев А.С. Наноструктурированные слои анодного оксида алюминия на изолирующих подложках. Радиотехника и электроника. Том 56. №12. 2011. С. 1-5.

19. Михальченков А.Г., Темирязева М.П., Леонтьев И.А., Кудряшов О.Ю., Духновский М.П., Ратникова А.К., Федоров Ю.Ю. Рост CVD-алмаза на модифицированной поверхности с наноразмерными топологическими элементами. Материалы конференции 9-го Международного форума «Высокие технологии XXI века-2008». С. 40-41.

20. Духновский М.П., Петров К.П., Ратникова А.К., Федоров Ю.Ю., Кудряшов О.Ю., Леонтьев И.А., Михальченков А.Г., Темирязева М.П. Особенности роста пленок CVD-алмаза на поверхности с наноразмерными топологическими элементами. Материалы 30-го заседания Международного постоянного действующего научно-технического семинара «Электровакуумная техника и технология». Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана,2008. С. 54-56.

21. Духновский М.П., Михальченков А.Г., Ратникова А.К., Темирязева М.П., Фёдоров Ю.Ю. Линейное анодное окисление тонких пленок алюминия на электроизолирующих подложках. Тезисы конференции «Нанотехнологии производству 2009». г. Фрязино, 1-3 декабря 2009 г. С. 169-170.

22. Vedeneev A.S., Dukhnovskii M.P., Leontiev I.A., Mityagin A.Yu.,.Ratnikova A.K., Fedorov Yu.Yu., Kudryashov O.Yu., Bugaev A.S. CVD-diamond grown on porous alumina template. 18th Int.Symp. «Nanostructures:Physics and Technology» St.Petersburg, Russia, 2010. Р. 228.

23. Dussaigne A., Malverni M., Martin D., Castiglia A., Grandjean N. (0001) GaN grown on (111) single crystal diamond substrate for high power electronic applications. International Conference on Nitride Semiconductors ICNS-8. Korea. Рaper K3. 2009. Р.443-444.

24. Georgakilas A., Tsiakatouras G., Ajagunna A.O., Tsagaraki K., Androulidaki M. High quality (0001) GaN films grown on diamond substrates by molecular beam epitaxy, ibid, paper K4. Р. 445-446.

25. Dreumel G.W.G. van, Bohen T., Buijnsters J.G., Meulen J.J. ter, Hageman P.R., Enckevort W.J.P. van, Vlieg E. Oriented growth of GaN on diamond substrates, ibid, paper MP18. Р.130-131.

26. Донсков А.А., Дьяконов Л.И., Говорков А.В., Козлова Ю.П., Малахов С.С., Марков А.В., Меженный М.В., Павлов В.Ф., Поляков А.Я., Смирнов Н.Б., Югова Т.Г., Духновский М.П., Ратникова А.К., Фёдоров Ю.Ю., Ратушный В.И., Кудряшов О.Ю., Леонтьев И.А. Пленки нитрида галлия, выращенные методом хлорид-гидридной эпитаксии на поликристаллическом алмазе с использованием наноструктурированных слоев TiN и анодного окисла алюминия. Тезисы докладов седьмой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия-структуры и приборы» Санкт-Петербург. 2010 г. С. 147-148.