CN112072450A - 基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置及产生方法，所述装置包括：激光调制模块、微波提取模块；激光调制模块包括宽禁带光导半导体器件、超高重频激光驱动源；微波提取模块包括高压充电电源、微波射频传输结构和超高重频微波辐射输出组件；宽禁带光导半导体器件分别与超高重频激光驱动源、高压充电电源、微波射频传输结构连接，超高重频微波辐射输出组件与微波射频传输结构连接。本发明能够实现频率可调的MHz超高重频电磁脉冲输出，输出的微波信号既可以是宽谱信号，也可以是窄谱信号，同时，提高了光电转换效率，实现了可调谐超高重频电磁脉冲的高效提取，为超高重复频率大功率微波集成系统的研制提供了技术支撑。

Description

基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置及产生方法

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域，特别是涉及基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置及产生方法。

背景技术

参数灵活可调的电磁脉冲产生系统，在军事和民用领域有重要的应用价值。近年来，高功率、高重复频率和更宽参数调谐是高功率电磁脉冲发展的重要方向。其中，主频可调的超高重复频率的大功率射频微波产生系统，在干扰、压制甚至损伤雷达系统、电子战系统、信息数据链路等方面有潜在的应用。目前，基于固态快速开关产生时域冲激窄脉冲，是实现超高重复频率电磁脉冲的一种主要形式。要求开关具有几十ps到几百ps的导通或关断时间。近年来，随着半导体技术和激光技术的发展，利用固态光导器件产生超高重频(重复频率大于100kHz)电磁脉冲获得了更为广泛的关注。

光导半导体器件是脉冲功率技术领域的关键部件之一，用于产生高功率超短ps脉冲。光导器件不仅具有固体器件结构紧凑的优点外，还有其自身独特的优点，如极快的导通时间、极小的时间抖动、极好的同步精度、低导通电感、光电隔离等，尤其是在重复频率方面，光导器件具有很大的发展前景。这些独特的优点使得光导半导体器件在固态紧凑型脉冲功率源、高功率超宽带微波辐射源、介质壁加速器、大型脉冲功率装置的触发系统、太赫兹辐射等脉冲功率研究领域中有着广阔的应用前景。随着科学技术的发展，尤其是光电技术、微波技术和激光技术的崛起，人们对光导半导体器件的响应速度、体积重量、工作精度、功率容量、导通电阻等性能指标提出了更高的要求。

目前，大功率甚至高功率微波的产生方式正在由传统的电真空器件向固态器件转变，采用宽禁带光导半导体产生参数可调的超高重频射频微波是一种全新尝试，具有重要应用前景。在超宽带源和紧凑型脉冲功率系统应用中对比发现，用SiC材料制作的光导半导体器件具有很好的实用性，因为它具有宽禁带、高临界击穿电场、高载流子迁移率、高电子饱和漂移速度、高热导率等诸多优良特性。但目前研究多集中于利用光导器件的快速导通特性直接产生宽谱或超宽谱电磁脉冲(开关振荡器)，输出频谱参数通常固定或难以调节，且无法实现MHz超高重频电磁脉冲输出，无法产生宽谱微波信号，系统光电转化效率较低。由于在高电压大电流条件下，宽禁带光导半导体器件的超高重频工作寿命受到限制；另外，对于导通电阻较大的宽禁带光导半导体器件而言，考虑其与后端输出天线的阻抗匹配，如何合理设计射频传输提取结构也是产生超高重频微波的关键问题，目前并没有一种基于宽禁带光导半导体器件产生可调谐超高重频微波的技术。

因此，亟需一种能够提供可调谐超高重频微波的装置和方法。

发明内容

本发明的目的是提供基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置及产生方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够实现频率可调的MHz超高重频电磁脉冲输出，输出的微波信号既可以是宽谱信号，也可以是窄谱信号，同时，提高了光电转换效率，实现了可调谐超高重频电磁脉冲的高效提取，为超高重复频率大功率微波集成系统的研制提供了技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，包括：激光调制模块、微波提取模块；所述激光调制模块包括宽禁带光导半导体器件、超高重频激光驱动源；所述微波提取模块包括高压充电电源、微波射频传输结构和超高重频微波辐射输出组件；所述宽禁带光导半导体器件分别与所述超高重频激光驱动源、高压充电电源、微波射频传输结构连接，所述超高重频微波辐射输出组件与所述微波射频传输结构连接。

优选地，所述超高重频激光驱动源采用连续啁啾脉冲放大的激光驱动源系统，所述超高重频激光驱动源包含依次连接的高重频种子源、大展宽量脉冲展宽器、多级啁啾脉冲放大器和高功率脉冲压缩器。

优选地，所述宽禁带光导半导体器件包括衬底，在所述衬底上表面由下到上依次设有透明导电层、耐高压钝化层；所述透明导电层、耐高压钝化层上套接有金属环，所述金属环下端面与所述衬底连接，所述金属环的上端面连接有中空金属电极；所述衬底下表面设有镀银层，所述镀银层连接有实心金属电极。

优选地，所述衬底采用高电阻半导体材料，所述高电阻半导体采用厚度为0.01mm～10mm的薄片，所述薄片为方形或圆形，所述方形的边长为1mm～50mm，所述圆形直径为1mm～50mm。

优选地，所述衬底的材质为宽禁带SiC材料。

优选地，所述宽禁带光导半导体器件包括光导半导体晶片、正接触电极、负接触电极、绝缘封装盒、绝缘灌封胶。

优选地，所述微波射频传输结构包括依次连接的输入端口、传输段、阻抗匹配段、输出端口。

优选地，所述微波射频传输结构为固态脉冲传输线，所述传输段、阻抗匹配段为固态脉冲传输线的外筒，所述输入端口、宽禁带光导半导体器件、输出端口共同构成传输线的内筒。

优选地，所述超高重频微波辐射输出组件是与所述微波射频传输结构阻抗匹配的平板宽带辐射喇叭，所述超高重频微波辐射输出组件将所述宽禁带光导半导体器件输出的可调谐超高重频电磁脉冲进行辐射，产生可调谐超高重频微波信号并输出。

本发明提供基于光导器件的可调谐超高重频微波产生方法，包括如下步骤：

S1、获取超高重频激光调制信号；

S2、将高电压和所述超高重频激光调制信号输入至宽禁带光导半导体器件，获取可调谐超高重频电磁脉冲；

S3、对所述可调谐超高重频电磁脉冲进行提取；

S4、对提取出的可调谐超高重频电磁脉冲进行辐射，得到可调谐超高重频微波信号。

本发明公开了以下技术效果：

本发明利用宽禁带光导半导体器件的线性工作模式，在外加偏置电压作用下，通过超高重频激光驱动源辐照宽禁带光导半导体器件，产生超高重频电信号，并辐射输出产生微波信号，输出的超高重频微波信号，能够实现频率可调的MHz超高重频电磁脉冲输出；通过控制输出的时域脉冲宽度，能够实现输出微波信号宽、窄谱可调；同时，本发明通过微波射频传输结构将宽禁带光导半导体器件产生的可调谐超高重频电磁脉冲传送到超高重频微波辐射输出组件，提高了光电转换效率，实现了可调谐超高重频电磁脉冲的高效提取。本发明为超高重复频率大功率微波集成系统的研制提供了技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置结构示意图；

图2为本发明基于光导器件的可调谐超高重频微波产生方法流程图；

图3为本发明实施例中宽禁带光导半导体器件封装结构实物图；

图4为本发明实施例中宽禁带光导半导体器件封装结构示意图；

图5为本发明实施例中微波射频传输结构实物图；

图6为本发明实施例中微波射频传输结构示意图；

图7为本发明实施例中可调谐超高重频微波装置输出的MHz重频波形图；

图中，201为光导半导体晶片，202为正接触电极，203为负接触电极，204为绝缘封装盒，205为绝缘灌封胶，401为输入端口，402为传输段，403为阻抗匹配段，404为输出端口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示，本实施例提供基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，包括：激光调制模块、微波提取模块；所述激光调制模块包括宽禁带光导半导体器件、超高重频激光驱动源；所述微波提取模块包括高压充电电源、微波射频传输结构和超高重频微波辐射输出组件；所述超高重频激光驱动源的重复频率为MHz数量级；本实施例中，超高重频激光驱动源的输出激光波长为1030nm，激光器脉宽包括300ps与500ps两档，最大平均功率为100W，重复频率为1MHz；高压充电电源采用商用30kV高压连续充电电源。

所述宽禁带光导半导体器件分别与所述超高重频激光驱动源、高压充电电源、微波射频传输结构连接，所述宽禁带光导半导体器件与所述超高重频激光驱动源通过光纤或光波导连接；所述宽禁带光导半导体器件与所述高压充电电源通过表面涂覆的氧化锌透明电极连接；所述超高重频微波辐射输出组件与所述微波射频传输结构通过同轴线连接。

所述超高重频激光驱动源用于产生脉宽、脉冲主频和脉冲重频可调的连续激光脉冲，并将所述激光脉冲通过光纤或光波导输入至所述宽禁带光导半导体器件。所述超高重频激光驱动源采用连续啁啾脉冲放大的激光驱动源系统，所述超高重频激光驱动源包含依次连接的高重频种子源、大展宽量脉冲展宽器、多级啁啾脉冲放大器和高功率脉冲压缩器；所述高重频种子源的重复频率为MHz数量级，所述大展宽量脉冲展宽器的展宽量为百ps数量级，所述高功率脉冲压缩器的功率为百W数量级。所述高重频种子源、大展宽量脉冲展宽器、高功率脉冲压缩器为所述超高重频激光驱动源的核心部分，为所述啁啾脉冲放大器提供了准连光或连续光的输入，保证了所述啁啾脉冲放大器实现大能量、高平均功率、高重复频率的稳定激光放大输出。

所述宽禁带光导半导体器件在所述超高重频激光驱动源产生的连续激光脉冲、所述高压充电电源产生的高电压的同时作用下，产生MHz可调谐超高重频电磁脉冲。所述宽禁带光导半导体器件使用高电阻半导体作为衬底，在所述衬底上表面由下到上依次制备透明导电层、耐高压钝化层，所述钝化层具有增透效果；所述透明导电层、耐高压钝化层上套接有金属环，所述金属环下端面与所述衬底连接，所述金属环的上端面连接有中空金属电极；所述衬底下表面设有镀银层，所述镀银层具有高反性能，所述镀银层连接有实心金属电极。所述高电阻半导体采用厚度为0.01mm～10mm的薄片，所述薄片为方形或圆形，所述方形的边长为1mm～50mm，所述圆形直径为1mm～50mm。所述衬底的材质为宽禁带SiC材料，本实施例中采用4H-SiC或6H-SiC材料。

所述宽禁带光导半导体器件的封装结构如图3、图4所示，包括光导半导体晶片201、正接触电极202、负接触电极203、绝缘封装盒204、绝缘灌封胶205；其中，绝缘封装盒204是一个由两块绝缘板组成的中空立方体，在立方体的两侧面开有通孔，正接触电极202和负接触电极203通过绝缘板通孔固定在深凹槽内；正接触电极202和负接触电极203均为圆柱形结构，在接触光导半导体晶片201一侧均设置有空心圆柱状接触电极，光导半导体晶片201通过两个空心圆柱状接触电极压紧并电接触良好。在绝缘封装盒204中空的部分填充有绝缘灌封胶205，保证两个接触电极与光导半导体器件浸渍在绝缘灌封胶205中，防止发生电击穿。本实施例中，所述绝缘封装盒204采用尼龙或聚四氟乙烯；所述正接触电极202、负接触电极203均采用黄铜；所述光导半导体晶片201为覆有氧化锌透明电极的SiC光导半导体器件。

所述微波射频传输结构如图5、图6所示，包括依次连接的输入端口401、传输段402、阻抗匹配段403、输出端口404。所述微波射频传输结构实质上为固态脉冲传输线，传输段402与阻抗匹配段403相当于固态脉冲传输线的外筒，输入端口401、宽禁带光导半导体器件、输出端口404共同构成传输线的内筒，从而实现电信号的传输和方波脉冲形成。

所述超高重频微波辐射输出组件是与所述微波射频传输结构阻抗匹配的平板宽带辐射喇叭，所述超高重频微波辐射输出组件将所述宽禁带光导半导体器件输出的可调谐超高重频电磁脉冲进行辐射，产生可调谐超高重频微波信号并输出。本实施例还提供基于光导器件的可调谐超高重频微波产生方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

S1、获取超高重频激光调制信号；

本实施例采用超高重频激光驱动源获取超高重频激光调制信号；所述超高重频激光驱动源产生脉宽、脉冲主频和脉冲重频可调的连续激光脉冲，即为超高重频激光调制信号。

S2、将高电压和所述超高重频激光调制信号输入至宽禁带光导半导体器件，获取可调谐超高重频电磁脉冲。

S3、对所述可调谐超高重频电磁脉冲进行提取；

本实施例采用微波射频传输结构对所述可调谐超高重频电磁脉冲进行提取。

S4、对提取出的可调谐超高重频电磁脉冲进行辐射，得到可调谐超高重频微波信号。

本实施例对本发明基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置及产生方法进行了进一步的验证，所述可调谐超高重频微波装置输出的MHz重频波形如图7所示，由图7可知，本发明基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置及产生方法能够得到稳定的MHz重频微波输出，证明了本发明基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置及产生方法的有效性。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，其特征在于，包括：激光调制模块、微波提取模块；所述激光调制模块包括宽禁带光导半导体器件、超高重频激光驱动源；所述微波提取模块包括高压充电电源、微波射频传输结构和超高重频微波辐射输出组件；所述宽禁带光导半导体器件分别与所述超高重频激光驱动源、高压充电电源、微波射频传输结构连接，所述超高重频微波辐射输出组件与所述微波射频传输结构连接。

2.根据权利要求1所述的基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，其特征在于，所述超高重频激光驱动源采用连续啁啾脉冲放大的激光驱动源系统，所述超高重频激光驱动源包含依次连接的高重频种子源、大展宽量脉冲展宽器、多级啁啾脉冲放大器和高功率脉冲压缩器。

3.根据权利要求1所述的基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，其特征在于，所述宽禁带光导半导体器件包括衬底，在所述衬底上表面由下到上依次设有透明导电层、耐高压钝化层；所述透明导电层、耐高压钝化层上套接有金属环，所述金属环下端面与所述衬底连接，所述金属环的上端面连接有中空金属电极；所述衬底下表面设有镀银层，所述镀银层连接有实心金属电极。

4.根据权利要求3所述的基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，其特征在于，所述衬底采用高电阻半导体材料，所述高电阻半导体采用厚度为0.01mm～10mm的薄片，所述薄片为方形或圆形，所述方形的边长为1mm～50mm，所述圆形直径为1mm～50mm。

5.根据权利要求4所述的基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，其特征在于，所述衬底的材质为宽禁带SiC材料。

6.根据权利要求1所述的基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，其特征在于，所述宽禁带光导半导体器件包括光导半导体晶片(201)、正接触电极(202)、负接触电极(203)、绝缘封装盒(204)、绝缘灌封胶(205)。

7.根据权利要求1所述的基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，其特征在于，所述微波射频传输结构包括依次连接的输入端口(401)、传输段(402)、阻抗匹配段(403)、输出端口(404)。

8.根据权利要求7所述的基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，其特征在于，所述微波射频传输结构为固态脉冲传输线，所述传输段(402)、阻抗匹配段(403)为固态脉冲传输线的外筒，所述输入端口(401)、宽禁带光导半导体器件、输出端口(404)共同构成传输线的内筒。

9.根据权利要求1所述的基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置，其特征在于，所述超高重频微波辐射输出组件是与所述微波射频传输结构阻抗匹配的平板宽带辐射喇叭，所述超高重频微波辐射输出组件将所述宽禁带光导半导体器件输出的可调谐超高重频电磁脉冲进行辐射，产生可调谐超高重频微波信号并输出。

10.基于光导器件的可调谐超高重频微波产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取超高重频激光调制信号；

S2、将高电压和所述超高重频激光调制信号输入至宽禁带光导半导体器件，获取可调谐超高重频电磁脉冲；

S3、对所述可调谐超高重频电磁脉冲进行提取；

S4、对提取出的可调谐超高重频电磁脉冲进行辐射，得到可调谐超高重频微波信号。

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