一種大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)及方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計的大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)以強電場在半導(dǎo)體內(nèi)部的熱載流子效應(yīng)為基本工作原理，依據(jù)半導(dǎo)體探測芯片的體電阻變化實現(xiàn)圓波導(dǎo)內(nèi)不同模式的大功率微波脈沖的實時探測。探測結(jié)構(gòu)由圓波導(dǎo)和半導(dǎo)體探測芯片組成?？沙惺芪⒉}沖的峰值功率達到百MW，響應(yīng)速度小于1ns，探測芯片加工及探測結(jié)構(gòu)的集成難度較小。該探測結(jié)構(gòu)適用于微波段大功率脈沖波源的在線實時探測、微波脈沖的極化方向監(jiān)測和模式對稱性分析等。
【專利說明】一種大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電磁波探測裝置設(shè)計方案，具體涉及一種對微波段大功率脈沖進行實時探測的圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高功率微波技術(shù)的不斷發(fā)展，高功率微波在許多方面已經(jīng)進入應(yīng)用甚至實用化階段。高功率微波源作為應(yīng)用的關(guān)鍵器件，大多通過末端集成了喇叭天線的圓波導(dǎo)將高頻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微波脈沖輻射到自由空間，其中還常包含圓波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換和彎曲波導(dǎo)等功能結(jié)構(gòu)。目前高功率微波源的輸出脈沖探測一種是在輻射場進行接收檢測，但在應(yīng)用中這種方法無法實時給出微波源的輸出狀態(tài)；另一種則是通過小孔或探針等耦合結(jié)構(gòu)對器件內(nèi)的微波脈沖耦合后再進行實時探測，但這增加了應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，且耦合結(jié)構(gòu)可能會造成微波脈沖波形的畸變，導(dǎo)致測量波形失真等。此外，要確定微波脈沖在圓波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)臉O化方向和模式成分，也需要對圓波導(dǎo)內(nèi)的微波脈沖進行實時探測。所以研制一種可直接用于高功率微波源輸出脈沖的圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)是一項技術(shù)難度大且需求迫切的課題。
[0003]研究表明，當(dāng)半導(dǎo)體的外加電場較強時(103V/cm?105V/cm)，載流子的有效溫度升高，遷移率降低，從而引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率降低，使得電流密度與電場強度不再滿足正比關(guān)系，相對歐姆定律發(fā)生了偏離，這就是強電場下的半導(dǎo)體熱載流子效應(yīng)。基于這種效應(yīng)原理，可以實現(xiàn)大功率脈沖的直接探測，有利于減少耦合和衰減等復(fù)雜結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的使用。從上世紀80年代開始，立陶宛半導(dǎo)體物理研究所研制了一系列矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和同軸結(jié)構(gòu)的高功率微波和毫米波探測器，用于高功率微波源輻射場信號的直接測量。但截止目前，尚未見到基于熱載流子效應(yīng)的其它波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的探測裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種基于圓波導(dǎo)和熱載流子效應(yīng)相結(jié)合的圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)及方法，可實現(xiàn)峰值功率在百兆瓦量級的納秒級大功率微波脈沖的在線實時探測。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:
[0006]一種大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)，其特殊之處在于:
[0007]包括圓波導(dǎo)I和設(shè)置在圓波導(dǎo)中的探測芯片2 ；
[0008]所述圓波導(dǎo)的半徑由待測微波脈沖的頻率或微波脈沖的前端傳輸結(jié)構(gòu)決定，其長度至少為待測微波脈沖的波長的3倍；
[0009]所述探測芯片的一端與圓波導(dǎo)壁短路，其另一端則與圓波導(dǎo)壁絕緣且通過同軸線與外界相連。
[0010]上述探測芯片由兩個完全相同的單晶硅芯片組成，且呈弧形依次置于圓波導(dǎo)壁上；所述兩個芯片頂端連通短路，其中一個芯片的底端與圓波導(dǎo)壁短路，另一個芯片底端與圓波導(dǎo)壁絕緣且通過同軸線與外界相連。
[0011]上述單晶硅芯片選用n型硅材料，并在頂端和底端做以良好的歐姆接觸，濺射微米量級厚度的銅或金金屬層。
[0012]上述娃芯片的頂端和底端金屬層的厚度h^0.lmm, h2<0.01mm。
[0013]一種大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0014]I】根據(jù)待測微波脈沖的頻率或微波脈沖的前端傳輸結(jié)構(gòu)決定圓波導(dǎo)的半徑R，根據(jù)待測微波脈沖的波長決定圓波導(dǎo)的長度，要求長度為待測微波脈沖的波長的3倍；
[0015]2】將探測芯片放入圓波導(dǎo)內(nèi)的不同軸向位置的同一角向位置或同一軸向位置處的不同角向位置，將探測芯片的一端與圓波導(dǎo)壁短路，其另一端則與圓波導(dǎo)壁絕緣且通過同軸線與外界相連，形成圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)；
[0016]3】將待測大功率微波脈沖從微波源或其它圓波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)饋入圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)，測量探測芯片的電壓變化，解析得到待測大功率微波脈沖的電場幅度，進而獲取脈沖功率。
[0017]上述探測芯片由兩個完全相同的單晶硅芯片組成，且呈弧形依次置于圓波導(dǎo)壁上；所述兩個芯片頂端連通短路，其中一個芯片的底端與圓波導(dǎo)壁短路，另一個芯片底端與圓波導(dǎo)壁絕緣且通過同軸線與外界相連。
[0018]上述硅芯片選用n型硅材料，并在頂端和底端做以良好的歐姆接觸，濺射微米量級厚度的銅或金金屬層。
[0019]上述單晶娃芯片的頂端和底端金屬層的厚度h^0.lmm, h2<0.01mm。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0021]1、與采用圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高功率微波源可實現(xiàn)匹配連接，無需源結(jié)構(gòu)做任何改變。由于本探測結(jié)構(gòu)采用圓波導(dǎo)為探測波導(dǎo)，對于采用圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高功率微波源，可以針對其傳輸波導(dǎo)的尺寸，設(shè)計合理的圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)與待測高功率微波源的直接匹配連接。
[0022]2、可直接探測不同模式下的微波脈沖信號。本探測結(jié)構(gòu)在不同圓波導(dǎo)模式下，探測芯片內(nèi)的響應(yīng)電場均以徑向電場為主，保證了探測結(jié)構(gòu)對不同模式下微波脈沖探測的準確性。
[0023]3、可承受功率高。本探測結(jié)構(gòu)可以承受峰值功率在兆瓦量級的微波脈沖，甚至在某些模式下可以達到數(shù)百兆瓦，而無需借助任何前置衰減，這不僅降低了應(yīng)用中測量系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且能夠提高脈沖包絡(luò)和幅度的測量精度。
[0024]4、響應(yīng)速度快。強電場作用下，N型單晶硅的熱載流子能量弛豫時間約為
2.9ps(10_12s)，動量弛豫時間更短， 這使得本探測結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時間很短，大約在百皮秒量級。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)的模型圖；
[0026]圖2是本發(fā)明大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖；
[0027]圖3是探測芯片在圓波導(dǎo)中的裝配結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4是探測芯片中的單個單晶硅芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖5是本發(fā)明大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)的相對靈敏度與頻率的關(guān)系。
【具體實施方式】[0030]為實現(xiàn)大功率微波脈沖的在線實時探測，本發(fā)明針對高功率微波源大都采用圓波導(dǎo)作為傳輸結(jié)構(gòu)的特點(例如相對論返波振蕩器)，基于半導(dǎo)體熱載流子效應(yīng)，選擇圓波導(dǎo)作為探測芯片載體，設(shè)計了合理的半導(dǎo)體探測芯片結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)與高功率微波源的匹配連接，而無需微波源做任何結(jié)構(gòu)改變，且滿足不同常用圓波導(dǎo)模式下的探測需求。本發(fā)明以X波段大功率微波脈沖的探測為實例，給出了一種基于半徑為25mm的圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案:
[0031]1、圓波導(dǎo):
[0032]示意見圖1和圖2，圓波導(dǎo)I的半徑R將由待測微波脈沖的頻率或微波脈沖的前端傳輸結(jié)構(gòu)決定，其長度至少為待測微波脈沖的波長的3倍。在X波段的探測結(jié)構(gòu)設(shè)計實例中，選取圓波導(dǎo)半徑R為25mm，長度為15cm，能夠傳輸兩種極化方向的TE11模、TEtll模和TM01模，常用于X波段的各類高功率微波源中。
[0033]2、探測芯片: [0034]不意圖如圖2、圖3和圖4,探測芯片2的具體尺寸由待測聞功率微波的頻率和圓波導(dǎo)半徑?jīng)Q定。在X波段的設(shè)計實例中，芯片的設(shè)計參數(shù)包括:材料選N型單晶硅，電阻率取2 Q ? cm,長度I取5mm,寬度d取2.9mm,高度h取2mm。
[0035]所設(shè)計的X波段圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)在幾種常用模式下的具體性能如表1所示。
[0036]表1
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)，其特征在于: 包括圓波導(dǎo)和設(shè)置在圓波導(dǎo)中的探測芯片； 所述圓波導(dǎo)的半徑由待測微波脈沖的頻率或微波脈沖的前端傳輸結(jié)構(gòu)決定，其長度至少為待測微波脈沖的波長的3倍； 所述探測芯片的一端與圓波導(dǎo)壁短路，其另一端則與圓波導(dǎo)壁絕緣且通過同軸線與外界相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述探測芯片由兩個完全相同的單晶硅芯片組成，且呈弧形依次置于圓波導(dǎo)壁上；所述兩個芯片頂端連通短路，其中一個芯片的底端與圓波導(dǎo)壁短路，另一個芯片底端與圓波導(dǎo)壁絕緣且通過同軸線與外界相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述單晶硅芯片選用n型硅材料，并在頂端和底端做以良好的歐姆接觸，濺射微米量級厚度的銅或金金屬層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述娃芯片的頂端和底端金屬層的厚度h^0.lmm, h2〈0.01mm。
5.一種大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測方法，其特征在于:包括以下步驟: I】根據(jù)待測微波脈沖的頻率或微波脈沖的前端傳輸結(jié)構(gòu)決定圓波導(dǎo)的半徑R，根據(jù)待測微波脈沖的波長決定圓波導(dǎo)的長度，要求長度為待測微波脈沖的波長的3倍； 2】將探測芯片放入圓波導(dǎo)內(nèi)的不同軸向位置的同一角向位置或同一軸向位置處的不同角向位置，將探測芯片的一端與圓波導(dǎo)壁短路，其另一端則與圓波導(dǎo)壁絕緣且通過同軸線與外界相連，形成圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)； 3】將待測大功率微波脈沖從微波源或其它圓波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)饋入圓波導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)，測量探測芯片的電壓變化，解析得到待測大功率微波脈沖的電場幅度，進而獲取脈沖功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測方法，其特征在于: 所述探測芯片由兩個完全相同的單晶硅芯片組成，且呈弧形依次置于圓波導(dǎo)壁上；所述兩個芯片頂端連通短路，其中一個芯片的底端與圓波導(dǎo)壁短路，另一個芯片底端與圓波導(dǎo)壁絕緣且通過同軸線與外界相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測方法，其特征在于: 所述硅芯片選用n型硅材料，并在頂端和底端做以良好的歐姆接觸，濺射微米量級厚度的銅或金金屬層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大功率微波脈沖圓波導(dǎo)探測方法，其特征在于: 所述單晶娃芯片的頂端和底端金屬層的厚度!^〈0.lmm, h2〈0.01mm。
【文檔編號】G01R29/00GK103604985SQ201310517754
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】王光強, 王建國, 朱湘琴, 王雪鋒, 李爽 申請人:西北核技術(shù)研究所