CN110473756B - 一种平面可集成化慢波结构及其制作方法 - Google Patents

一种平面可集成化慢波结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面可集成化慢波结构，包括数个慢波结构单元，慢波结构单元包括第一介质基底、金属底板和金属线；第一介质基底在金属线两端对其进行支撑，中间保持真空，在两个第一介质基底底部由一块金属底板进行支撑，数个慢波结构单元首尾相连，组成周期性结构，即平面可集成化慢波结构；一种平面可集成化慢波结构的加工方法，包括以下步骤：S1：为了得到悬空的金属线，需要在所需位置对介质基板进行腐蚀处理，去除中间部分的介质，得到一条真空通道；S2：选用光刻胶作为牺牲层材料，使其完整淀积在介质中间的真空区域；解决了以往结构无法降低器件工作电压、提高平面行波管的输出总功率及功率密度的问题。

Description

一种平面可集成化慢波结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及微波电真空技术领域，特别是一种平面可集成化慢波结构及其制作方法。
背景技术
行波管是通过电子注与行波高频场相互作用，将电子注的直流能量传递给行波高频场实现微波信号放大的真空器件。在雷达、电子对抗和通信(含卫星通信及深空高数据率通信)等重要领域，行波管是一类十分关键、不可取代的微波/毫米波功率放大器。随着相控阵雷达技术不断向智能化、模块化和一体化方向发展，其T/R组件也越来越具有的小型化、紧凑化和阵列化的发展趋势。在其他军民用方面，对高频率、大功率和高功率密度行波管的需求也日益迫切。慢波结构是行波管的核心部件。螺旋线慢波结构由于其十分宽的频带特性而在中小功率行波管中被普遍采用，但由于不论是以丝料还是带料绕成的螺旋线，其功率承受能力十分有限，加之螺旋线的固定还必须依赖介质杆的支撑，进一步降低了螺旋线的散热能力。
金属微带线慢波结构是一种平面慢波结构，与传统螺旋线结构相比，该结构可利用MEMS技术进行批量加工。在该平面慢波结构表面采用带状电子注进行注波互作用，不需要单独加工电子束通道。本平面慢波结构可以利用目前成熟的集成电路刻蚀技术进行加工。另外采用微带线结构易于与微波功率模块的前端固态器件相集成，可以满足整个模块向高频段发展。
目前已有的微带线慢波结构使用一整块介质基板，大部分电磁波在介质中传播，如果电子注远离微带线时，耦合阻抗会急剧降低；另一方面，当电子紧贴微带线慢波结构表面运行时，电子束由于自身波动将有部分电子入射到介质基板表面，束缚在介质中的电子不断积累，将导致许多问题从而限制了其应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种平面可集成化慢波结构及其制作方法，解决了以往结构无法降低器件工作电压、提高平面行波管的输出总功率及功率密度的问题。
本发明提供了一种平面可集成化慢波结构，包括数个慢波结构单元，第一介质基底在金属线两端对其进行支撑，中间保持真空，在两个第一介质基底底部由一块金属底板进行支撑，数个慢波结构单元首尾相连，组成周期性结构，即平面可集成化慢波结构；
平面可集成化慢波结构包括第二介质基底和四路平面可集成化慢波结构，将四路平面可集成化慢波结构印刷在第二介质基底上，四路平面可集成化慢波结构由微带功分器连接，电磁波从输入端口进入，使用微带功分器对输入的电磁波信号进行功率等分，使输入信号在四路平面可集成化慢波结构上并行传输，采用四路电子注，在每一路分别进行注波互作用，电子注在第二介质基底中间真空部分向前传输，用于避免电子在第二介质基底中的积聚问题；
第一介质基底采用具有优良真空性能的氧化铝陶瓷；
第二介质基底采用具有优良真空性能的氧化铝陶瓷。
优选地，一种平面可集成化慢波结构的加工方法，包括以下步骤：
S1：为了得到悬空的金属线，需要在所需位置对第一介质基底进行腐蚀处理，去除中间部分的介质，得到一条真空通道；
S2：选用光刻胶作为牺牲层材料，使其完整淀积在介质中间的真空区域；
S3：在第一介质基底和牺牲层上生长金属层；
S4：将整个结构放置于等离子去胶机中，去除光刻胶，从而释放金属线，得到悬空的金属慢波结构；
S3包括以下子步骤：
S31：采用磁控溅射的方法在第一介质基底上沉积金属薄层；
S32：使用数控激光切割机在第一基底上形成慢波结构样品；
S33：将基片切割成指定尺寸的单个SWS样品；
S34：在分离过程中，采用手工定位的精密金刚石划线器。
本发明平面可集成化慢波结构及其制作方法的有益效果如下：
1.本发明可以在较低电压，低于5000V下工作，同时采用四路集成的方式，相较于使用多个行波管，减小了器件的体积，使单位体积的输出功率大大提高。
2.本发明使用光刻胶作为牺牲层，光刻胶既易于涂覆，又可以使用等离子去胶技术去除，对基底和金属没有损害，同时避免了湿法释放产生的粘结问题。
附图说明
图1为本发明平面可集成化慢波结构及其制作方法的悬置线慢波结构图
图2为本发明平面可集成化慢波结构及其制作方法的单元周期结构图
图3为本发明平面可集成化慢波结构及其制作方法的尺寸示意图结构示意图
图4为本发明平面可集成化慢波结构及其制作方法的悬置线慢波结构示意图
图5为本发明平面可集成化慢波结构及其制作方法的平面可集成化慢波结构示意图
图6为本发明平面可集成化慢波结构及其制作方法的平面可集成化慢波结构加工工艺示意图
附图标记：1-第一介质基底、2-金属底板、3-金属线、4-第二介质基底。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
一种平面可集成化慢波结构，包括数个慢波结构单元，慢波结构单元包括第一介质基底1、金属底板2和金属线3；第一介质基底1在金属线3两端对其进行支撑，中间保持真空，在两个第一介质基底1底部由一块金属底板2进行支撑，数个慢波结构单元首尾相连，组成周期性结构，即平面可集成化慢波结构。
本实施方案的四路平面可集成化慢波结构，包括第二介质基底4和四路平面可集成化慢波结构，将四路平面可集成化慢波结构印刷在第二介质基底4上，四路平面可集成化慢波结构由微带功分器连接，电磁波从输入端口进入，使用微带功分器对输入的电磁波信号进行功率等分，使输入信号在四路平面可集成化慢波结构上并行传输，采用四路电子注，在每一路分别进行注波互作用，电子注在第二介质基底4中间真空部分向前传输，用于避免电子在第二介质基底4中的积聚问题。
本实施方案的第一介质基底1和第二介质基底4均采用具有优良真空性能的氧化铝陶瓷。
一种平面可集成化慢波结构的加工方法，包括以下步骤：
S1：为了得到悬空的金属线，需要在所需位置对介质基板进行腐蚀处理，去除中间部分的介质，得到一条真空通道；
S2：选用光刻胶作为牺牲层材料，使其完整淀积在介质中间的真空区域；
S3：在第一介质基底和牺牲层上生长金属层；
S4：将整个结构放置于等离子去胶机中，去除光刻胶，从而释放金属线，得到悬空的金属慢波结构。
一种平面可集成化慢波结构的加工方法，S3包括以下子步骤：
S31：采用磁控溅射的方法在第一介质基底上沉积金属薄层；
S32：使用数控激光切割机在第一介质基底上形成慢波结构样品；
S33：将基片切割成指定尺寸的单个SWS样品；
S34：在分离过程中，采用手工定位的精密金刚石划线器。
本实施方案在实施时，在本实施例中，如图1至图3，由第一介质基底1、金属底板2和金属线3组成。第一介质基底1采用氧化铝陶瓷材料，金属线3通过刻蚀、焊接方式加工在第一介质基底1上，同时中间保持真空。
如图1至图3所示，定义上述慢波结构的尺寸如下：第一介质基底1厚度为c,横向长度为b,纵向长度为L，金属线3的线宽为w,厚度为t,其中的金属线横向长度为b,纵向长度为a。真空通道的长度为d。
图4是本发明平面可集成化慢波结构示意图。在本实施例中，如图5所示，将四条上述金属慢波线印刷在第二介质基底4上，四条慢波线由微带功分器连接，电磁波从输入端口进入，使用微带功分器对输入的电磁波信号进行功率等分，使输入信号在四条慢波线上并行传输，电磁波在四路慢波线上分别与四注带状电子束进行互作用，电子束逐步将能量交给电磁波，在慢波结构的末端，电子将大部分能量交给了电磁波，四注电子束使用相同的电压和电流，从电子枪发射出来的电子始终在第二介质基底4中间真空上方向前传输，这样就避免了电子打在第二介质基底4上，从而造成电子积聚等问题，在输入端馈入四倍于单通道的输入功率，经过注波互作用，可以得到四倍的输出功率，提高了器件的功率密度。同时计算结果表明，在所需频段内，所需工作电压较低。
因为金属线3有悬空部分，所以考虑使用牺牲层技术对其进行加工。牺牲层技术是一种加工悬空和活动结构的技术，该技术通过多层膜淀积和图形加工制备三维微机械结构。基体本身不被加工，上层结构部分由淀积的薄膜层加工而成，上层结构与基体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支撑结构层，并形成所需要的形状，在微器件制备的最后工艺中去除牺牲层。本发明使用光刻胶作为牺牲层，光刻胶既易于涂覆，又可以使用等离子去胶技术去除，对基底和金属没有损害，同时避免了湿法释放产生的粘结问题。图6为本发明的加工工艺。
其具体流程为：
为了得到悬空的金属线，需要在所需位置对介质基板进行腐蚀处理，去除中间部分的介质，得到一条真空通道。
选用光刻胶作为牺牲层材料，使其完整淀积在介质中间的真空区域。
在第一介质基底和牺牲层上生长金属层。采用磁控溅射的方法在基底上沉积金属薄层，使用数控激光切割机在第一介质基底上形成慢波结构样品，将基片切割成指定尺寸的单个SWS样品。在分离过程中，采用手工定位的精密金刚石划线器。
将整个结构放置于等离子去胶机中，去除光刻胶，从而释放金属线，得到悬空的金属慢波结构。
本发明所提出的平面可集成化慢波结构，可以在保持器件体积较小的情况下得到较高的输出功率。如果只使用单慢波结构和单电子注通道，则会因电子效率的限制而无法得到想要的高功率。此外，本发明较低的工作电压意味着较小的电源装置，这对于整个系统小型化也具有现实意义。

Claims (1)

1.一种平面可集成化慢波结构，其特征在于，包括数个慢波结构单元，所述慢波结构单元包括第一介质基底(1)、金属底板(2)和金属线(3)；所述第一介质基底(1)在金属线(3)两端对其进行支撑，中间保持真空，在两个第一介质基底(1)底部由一块金属底板(2)进行支撑，数个慢波结构单元首尾相连，组成周期性结构，即平面可集成化慢波结构；
所述平面可集成化慢波结构包括第二介质基底(4)和四路平面可集成化慢波结构，将所述四路平面可集成化慢波结构印刷在第二介质基底(4)上，所述四路平面可集成化慢波结构由微带功分器连接，电磁波从输入端口进入，使用微带功分器对输入的电磁波信号进行功率等分，使输入信号在所述四路平面可集成化慢波结构上并行传输，采用四路电子注，在每一路分别进行注波互作用，电子注在第二介质基底(4)中间真空部分向前传输，用于避免电子在第二介质基底(4)中的积聚问题；
所述第一介质基底(1)采用具有优良真空性能的氧化铝陶瓷；
所述第二介质基底(4)采用具有优良真空性能的氧化铝陶瓷。
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