CN110620322A - 一种大功率程控固态微波设备 - Google Patents

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朱梁
吴则革
赵连敏
单家芳
刘甫坤
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
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Abstract

本发明公开了一种大功率程控固态微波设备，包含有微波锁相功率源，功分器，支路微波功率放大器，微波功率径向合路器，波导定向耦合器，控制设备，供电电源，水冷设备。微波锁相功率源输出稳定的微波信号，经过功分器，分别进入多支路微波功率放大器，放大后的微波信号通过微波功率径向合成器合成，波导同轴转换将同轴结构转换为波导结构，合成的微波功率经过波导馈入MPCVD反应腔。本发明采用程控固态微波设备作为MPCVD装置的微波功率源，便于实时控制，可以根据需要调节频率、功率和相位，使反应腔始终处于匹配状态，确保反应微波功率稳定，简化反应腔的调谐结构，可以提高金刚石膜的均匀度，提高金刚石膜的性能。

Description

一种大功率程控固态微波设备
技术领域
本发明涉及大功率固态微波技术领域和MPCVD技术领域，尤其涉及一种大功率程控固态微波设备。
背景技术
金刚石透光率高，导热率高，硬度高，化学性能稳定，在军事、民用领域得到了广泛的应用。微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）沉积环境没有电极污染，是制备光学级金刚石膜的首选方法。
目前，MPCVD使用的微波源主要由磁控管产生。磁控管使用高压供电，通过开关控制功率输出，频率容易漂移且不可以调节，寿命较短，影响了光学级金刚石膜的的制备。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种大功率程控固态微波设备，为MPCVD系统提供精确，稳定的微波功率源。该固态源同样可以用于各种类型工业微波加热领域，取代常用的磁控管。
固态微波源具有功率输出稳定、寿命长、易于控制的特点。可以保证MPCVD制备光学级金刚石膜的均匀性、可控性。固态微波源可以调节输出频率，从而方便实现MPCVD反应腔的自动匹配，确保输出反应腔内微波功率稳定，可控。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种大功率程控固态微波设备，包括有微波锁相功率源、功分器、支路微波功率放大模块、微波功率径向合成器、波导定向耦合器和控制设备，微波锁相功率源输出的微波信号，经过功分器后，分别进入多个支路微波功率放大模块中，多个支路微波功率放大模块将多路微波信号放大后通过微波功率径向合成器合成，波导同轴转换将同轴结构转换为波导结构，合成的微波功率通过波导定向耦合器测量输出功率和反射功率，合成的微波功率经过波导定向耦合器后馈入MPCVD反应腔。所述的微波锁相功率源、支路微波功率放大模块和波导定向耦合器均与控制设备连接。
所述的微波锁相功率源包括有本振、PIN开关和初级放大器，本振的输出端连接PIN开关的一端，PIN开关的另一端连接初级放大器的输入端，微波锁相功率源的中心频率为可以是433MHz、915MHz、2450MHz，频率可调。
所述的支路微波功率放大模块包括有支路PIN开关、两级支路微波功率放大器、支路环形器、支路定向耦合器和支路检波器，还包括有支路电调衰减器和支路相移器，所述的支路PIN开关、支路电调衰减器和支路相移器位于支路微波功率放大模块前端，分别与功分器的输出端连接，支路PIN开关、支路电调衰减器和支路相移器的另一端分别连接两级支路微波功率放大器的输入端，两级支路微波功率放大器的输出端连接支路环形器的输入端，支路环形器的输出端连接支路定向耦合器的输入端，支路定向耦合器的输出端连接支路检波器的输入端，支路检波器的输出端连接所述的微波功率径向合成器的输入端。
所述的支路微波功率放大模块采用水冷散热。支路微波放大模块采用铝制壳体，紫铜托板。铝制壳体上开有进水口和出水口，水路采用U型串行结构。
所述的微波功率径向合成器采用径向合成结构，合成效率高。使用7/16连接器作为输入接口，使用波导作为输出接口。
所述的功分器包括有一个或多个功分器。
控制设备采用cRIO或工控机或者单片机实现，所述的控制设备分别与本振、PIN开关、支路PIN开关、两级支路微波功率放大器、支路定向耦合器、支路检波器、波导定向耦合器、支路电调衰减器和支路相移器连接。控制设备通过支路定向耦合器测量各个支路的入射和反射功率；通过电调衰减器控制各个支路的功率；通过相移器控制各个支路的相位；通过本振控制整个大功率程控固态微波设备的工作频率；通过波导定向耦合器测量整个大功率程控固态微波设备的输出功率。控制设备通过微波功率放大器上的检波器可以采集各个支路的功率信号，具有反射保护功能，可以控制各个支路功率、相位。控制设备可以调整整个大功率程控固态微波设备的输出功率和频率，保证MPCVD谐振腔始终匹配，微波能量可以稳定馈入反应腔，确保金刚石镀膜质量。控制设备同时具有温度、电源工作状态监测功能、支路和总路反射保护功能保证装置安全。
波导定向耦合器安装在微波功率径向合成器之后，测量整个大功率程控固态微波设备的输出功率和反射功率。
本发明的优点是：本发明将固态微波源用于MPCVD装置，有利于提高金刚石膜的均匀度，实现光学级金刚石膜的生产。
本发明采用的大功率固态微波源，可以实时监测输出功率的入射、反射值，可以根据需要调节频率、功率，使谐振腔始终处于匹配状态，简化了MPCVD的自动控制结构，提高金刚石膜均匀性、一致性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2位本发明控制设备信号连接示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种大功率程控固态微波设备，包含有微波锁相功率源15，12路功分器4，支路微波功率放大16，微波功率径向合路器12，波导定向耦合器13，控制设备14，供电电源17，水冷设备18。微波锁相功率源15输出稳定的微波信号，经过两个12路功分器4，分别进入24个支路微波功率放大器16，放大后的微波信号达到1kW，通过微波功率径向合成器12合成，波导同轴转换将同轴结构转换为波导结构，合成的微波功率达到20kW以上。通过波导微波功率传送到MPCVD反应腔。
微波锁相功率源15包含有本振1，PIN开关2，初级放大器3，本振的输出端连接PIN开关的一端，PIN开关的另一端连接初级放大器的输入端。微波锁相功率源的频率可调，中心频率为433MHz、915MHz、2450MHz，带宽10%。
支路微波功率放大器16包含有支路PIN开关5，支路微波功率放大器6，支路环形器7，支路定向耦合器8，支路电调衰减器9、支路相移器10、支路检波器11。支路微波功率放大器16采用水冷18散热，所述的支路PIN开关5、支路电调衰减器9和支路相移器10位于支路微波功率放大模块前端，分别与功分器4的输出端连接，支路PIN开关5、支路电调衰减器9和支路相移器10的另一端分别连接两级支路微波功率放大器6的输入端，两级支路微波功率放大器6的输出端连接支路环形器7的输入端，支路环形器7的输出端连接支路定向耦合器8的输入端，支路定向耦合器8的输出端连接支路检波器11的输入端，支路检波器11的输出端连接所述的微波功率径向合成器12的输入端。支路微波放大模块采用铝制壳体，紫铜托板。铝制壳体上开有进水口和出水口，水路采用U型串行结构。
微波功率径向合成器12采用二十四路合一结构，合成效率高。使用7/16连接器作为输入接口，使用波导同轴转换器将合成功率通过波导端口输出。
波导定向耦合器13安装在微波功率径向合成器12之后，测量整个大功率程控固态微波设备的输出功率和反射功率。
控制设备14可以采用cRIO、工控机或者单片机实现。控制设备14通过支路定向耦合器测量各个支路的入射和反射功率；通过电调衰减器9控制各个支路的功率；通过相移器10控制各个支路的相位；通过本振1控制整个大功率程控固态微波设备的工作频率；通过波导定向耦合器13测量整个大功率程控固态微波设备的输出功率。控制设备14可以调整整个大功率程控固态微波设备的输出功率和频率，保证MPCVD谐振腔始终匹配，微波能量可以稳定馈入反应腔，确保金刚石镀膜质量。控制设备同时具有温度、电源工作状态监测功能、支路和总路反射保护功能保证装置安全。
控制设备信号连接图如图2所示。控制设备通过模拟输出接口控制支路电调衰减、支路相移，通过数字输出接口控制本振PIN和支路PIN。控制设备如果采用分布式设计会通过自定义通讯协议获取各个支路的工作状态，通过模拟输入接口获取支路检波信号、合成检波信号、温度信号。

Claims (7)

1.一种大功率程控固态微波设备，其特征在于：包括有微波锁相功率源、功分器、支路微波功率放大模块、微波功率径向合成器、波导定向耦合器和控制设备，微波锁相功率源输出的微波信号，经过功分器后，分别进入多个支路微波功率放大模块中，多个支路微波功率放大模块将多路微波信号放大后通过微波功率径向合成器合成，波导同轴转换将同轴结构转换为波导结构，合成的微波功率通过波导定向耦合器测量输出功率和反射功率，所述的微波锁相功率源、支路微波功率放大模块和波导定向耦合器均与控制设备连接。
2.根据权利要求1所述的一种大功率程控固态微波设备，其特征在于：所述的微波锁相功率源包括有本振、PIN开关和初级放大器，本振的输出端连接PIN开关的一端，PIN开关的另一端连接初级放大器的输入端，本振和PIN开关均与控制设备连接，微波锁相功率源的频率可调，中心频率为433MHz、915MHz、2450MHz。
3.根据权利要求1所述的一种大功率程控固态微波设备，其特征在于：所述的支路微波功率放大模块包括有支路PIN开关、两级支路微波功率放大器、支路环形器、支路定向耦合器和支路检波器，还包括有支路电调衰减器和支路相移器，所述的支路PIN开关、支路电调衰减器和支路相移器位于支路微波功率放大模块前端，分别与功分器的输出端连接，支路PIN开关、支路电调衰减器和支路相移器的另一端分别连接两级支路微波功率放大器的输入端，两级支路微波功率放大器的输出端连接支路环形器的输入端，支路环形器的输出端连接支路定向耦合器的输入端，支路定向耦合器的输出端连接支路检波器的输入端，支路检波器的输出端连接所述的微波功率径向合成器的输入端，所述的支路PIN开关、两级支路微波功率放大器、支路定向耦合器、支路检波器、支路电调衰减器和支路相移器均与控制设备连接。
4.根据权利要求3所述的一种大功率程控固态微波设备，其特征在于：所述的支路微波功率放大模块采用水冷散热。
5.根据权利要求1所述的一种大功率程控固态微波设备，其特征在于：所述的微波功率径向合成器采用径向合成结构，使用7/16连接器作为输入接口，使用波导作为输出接口。
6.根据权利要求1所述的一种大功率程控固态微波设备，其特征在于：所述的功分器有一个或多个功分器。
7.根据权利要求1所述的一种大功率程控固态微波设备，其特征在于：所述的控制设备采用cRIO或工控机或者单片机实现。
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