W波段TWT用硼掺杂金刚石衰减器的热稳定性能研究.pdf
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1、第 21 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.21,No.10Oct.,2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologyW波段TWT用硼掺杂金刚石衰减器的热稳定性能研究化称意,李莉莉,潘攀,蔡军,冯进军(中国电子科技集团公司第十二研究所 微波电真空器件国家级重点实验室,北京 100015)摘要:针对大功率折叠波导行波管(TWT)对高导热衰减材料的迫切需求,开展了硼掺杂金刚石膜制备和介电性能研究,在此基础上研制出硼掺杂金刚石衰减器并探究衰减器性能的热稳定性。研究结果表明,
2、硼掺杂浓度为 1.811019 cm-3的金刚石膜,在 W 波段介电常数和损耗角正切平均值分别为 7.18 和 0.30;随着环境温度从室温升高至 90,在 85110 GHz 范围内,硼掺杂金刚石衰减器的|S11|由 19.67 dB 提高至 20.94 dB,|S21|由 44.03 dB 提高至 45.63 dB,呈现出较高的热稳定性。关键词:硼掺杂金刚石膜;介电性能;衰减器;热稳定性中图分类号:TN62 文献标志码:Adoi:10.11805/TKYDA2023200The performance and thermal stability of boron-doped diamond
3、 attenuator for The performance and thermal stability of boron-doped diamond attenuator for W-band Traveling Wave TubeW-band Traveling Wave TubeHUA Chenyi,LI Lili,PAN Pan,CAI Jun,FENG Jinjun(National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Electronics,The 12th Research Institute of China
4、Electronics Technology Group Corporation,Beijing 100015,China)AbstractAbstract:With the fast development of folded waveguide Traveling Wave Tube(TWT),there is an urgent need for attenuation materials with high thermal conductivity and good mechanical properties.In this study,boron-doped diamond film
5、 is prepared and the dielectric property of the film is analyzed.Meanwhile,the boron-doped diamond attenuator is fabricated and the thermal stability of the attenuator is investigated.The results show that the dielectric constant and dielectric loss tangent are 7.18 and 0.30 in W-band for the diamon
6、d film with boron concentration of 1.811019 cm-3.Moreover,the return loss and insertion loss of boron-doped diamond attenuator are 19.67 dB and 44.03 dB,respectively.With the temperature increased from room temperature to 90,the return loss and insertion loss of attenuator are increased to 20.94 dB
7、and 45.63 dB,which demonstrates high thermal stability of the boron-doped diamond attenuator.KeywordsKeywords:boron-doped diamond film;dielectric property;attenuator;thermal stability作为折叠波导行波管核心零部件之一的衰减器是由衰减材料加工成特定形状的微波吸收体,其主要作用是抑制自激振荡,消除有害的电磁模式和增强带宽等,从而提高行波管的稳定性。性能优异的衰减器需要在工作频带内具有足够的衰减量和良好的频率匹配特性1-
8、3。随着折叠波导行波管频率的不断提升,衰减器的局部特征尺寸降至亚毫米量级。因此,衰减材料不仅要具有优异的机械强度,以保证衰减器中尖劈微小结构在加工和使用过程中不被损坏;同时要具有较高的热导率,以有效应对高热流密度下太赫兹行波管关键区域的热管理问题4-5。基于化学气相沉积法制备的硼掺杂金刚石膜具有优异的热学、力学和可调节的介电性能,在折叠波导行波管用衰减材料领域具有广泛的应用前景6-7。硼掺杂金刚石膜的热导率范围在 9801 870 W/(mK)之间6,是目前常用的氧化铍(BeO)基衰减材料(160 W/(mK)和氮化铝(AlN)基衰减材料(128 W/(mK)热导率的数倍8,良好的热导率能够及
9、时将电磁波转化成的热量传导出去,保证行波管正常工作;硼掺杂金刚石膜的断裂强度为428 MPa7,高于 AlN 基衰减材料的 360 MPa9,较高的断裂强度可以保证衰减器楔形结构的完整性,从而提高衰文章编号:2095-4980(2023)10-1189-05收稿日期:2023-07-20;修回日期:2023-09-03太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷减器的频率匹配特性;硼掺杂金刚石膜的介电性能可以有效调控,随着硼掺杂浓度由 0 增大至 1.51020 cm-3,K波段金刚石膜损耗角正切值从 10-4增大至 2.56。可有效调控的介电性能使得硼掺杂金刚石膜可以满足行波管对衰减器宽频吸收和良好
10、频率匹配的要求。Hua 等基于硼掺杂金刚石膜研制出电压驻波比低于 1.10,传输系数低于-50 dB 的硼掺杂金刚石衰减器,展现出良好的频率匹配特性和微波衰减能力7。因此,综合性能优异的硼掺杂金刚石膜有望作为新型衰减材料,用于大功率折叠波导行波管中。然而,当折叠波导行波管处于高占空比或连续波工作状态时,衰减器吸收瓦量级甚至更高的微波能量并转换成热能,大量热量的累积必然引起衰减器温度的升高。硼掺杂金刚石膜的介电性能特别是介电常数和损耗角正切受到温度变化的影响10,可能会导致硼掺杂金刚石衰减器性能的恶化。因此,硼掺杂金刚石衰减器的热稳定性能成为其在太赫兹折叠波导行波管中实际应用的关键。对此,本文基
11、于微波等离子体化学气相沉积法(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition,MPCVD)制备了硼掺杂金刚石膜,研究了其在 W 波段的介电性能,在此基础上制备了硼掺杂金刚石衰减器,并探究了温度变化对硼掺杂金刚石衰减器频率匹配特性和微波衰减能力的影响。1实验采用 MPCVD法,以 B2H6、CH4和 H2为反应气源,在直径为 40 mm 的 N(100)型单晶硅衬底上沉积硼掺杂金刚石膜。沉积过程中各工艺参数设置如下:微波功率 1 400 W,基片温度 800 C,反应室气体压强 12.8 kPa。沉积结束后去除 Si 衬底,经研磨、抛光后获得厚度为 0.3
12、mm 的硼掺杂金刚石膜,利用扫描电子显微镜观察硼掺杂金刚石膜的表面形貌;采用激光光源为 532 nm 的拉曼光谱仪分析硼掺杂金刚石膜中的金刚石相和非金刚石碳相;利用红外光谱仪研究金刚石膜中的硼掺杂浓度;利用矢量网络分析仪结合材料介电性能测试装置,测量硼掺杂金刚石膜在 75110 GHz 范围内的介电常数和损耗角正切值。采用飞秒激光加工系统,将硼掺杂金刚石膜加工成设计的衰减器。利用矢量网络分析仪测量硼掺杂金刚石衰减器在 85110 GHz 的频率匹配特性和微波衰减能力。为研究温度对硼掺杂金刚石衰减器性能的影响,将衰减器装配于矩形波导中并在烘箱中进行加热,设定烘箱温度分别为 30 C、50 C、7
13、0 C 和 90 C,当烘箱温度达到设定温度后保温 15 min,取出装配有衰减器的矩形波导,连接至矢量网络分析仪进行测量。2结果与讨论2.1 硼掺杂金刚石膜显微结构与硼浓度分析图 1(a)为硼掺杂金刚石膜的表面形貌,可以看出硼掺杂金刚石膜生长致密,金刚石晶粒具有良好晶形,晶粒间的晶界清晰,部分晶粒尺寸达到了数百微米以上,这是金刚石晶粒长时间竞争性生长的典型形貌11;同时在大尺寸晶粒之间存在有晶粒尺寸相对较小的晶粒,这主要由金刚石的二次形核所导致12。从硼掺杂金刚石膜的拉曼光谱图可以看出,在 1 328.7 cm-1处有尖锐的金刚石特征峰,与标准的金刚石拉曼特征峰 1 332.5 cm-1相比
14、,硼掺杂金刚石膜的金刚石特征峰向低波数移动,说明硼掺杂金刚石膜中存在拉应力。这主要是由于硼原子的掺杂造成金刚石晶格的膨胀,导致薄膜中产生一定的拉应力。在 1 350 cm-1和 1 580 cm-1附近并未发现非金刚石碳的拉曼峰,说明制备的硼掺杂金刚石膜中非金刚石碳含量较少,金刚石膜的品质相对较高。图 2 为双面抛光硼掺杂金刚石膜的红外吸收系数曲线,由于硼掺杂金刚石膜存在单声子振动吸收,因此在Fig.1 Surface morphology(a)and Raman spectrum(b)of the boron-doped diamond film图1 硼掺杂金刚石膜的表面形貌(a)和拉曼光谱
15、图(b)1190第 10 期化称意等:W波段TWT用硼掺杂金刚石衰减器的热稳定性能研究1 290 cm-1处有明显的吸收峰。基于硼掺杂金刚石膜红外吸收谱中 1 290 cm-1处吸收峰的吸收系数,可以计算硼掺杂金刚石膜中受主和施主的浓度差(Na-Nd)6-7,13:Na-Nd=2.11017 (1)式中为硼掺杂金刚石在 1 2501 300 cm-1的吸收系数。设受主与施主的浓度差等于金刚石膜中的硼掺杂浓度,即可定量计算出金刚石膜中硼掺杂浓度为 1.811019 cm-3。2.2 硼掺杂金刚石膜介电性能复介电常数和磁导率是评价微波衰减材料的重要指标。硼掺杂金刚石膜中并未引入磁性物质,因而其复磁
16、导率的实部和虚部分别为 1 和 0,即硼掺杂金刚石膜并不会形成有效的磁损耗14。因此,复介电常数特别是损耗角正切值成为评价硼掺杂金刚石膜衰减性能的重要指标。采用矢量网络分析仪基于材料介电性能测试装置(图 3(a)测量了硼掺杂金刚石膜的介电常数和损耗角正切值。硼掺杂金刚石膜在 W 波段的介电常数和损耗角正切值随频率变化曲线如图 3(b)所示。从图中可以看出,硼掺杂金刚石的介电常数和损耗角正切值均随频率变化呈现平稳趋势。硼掺杂金刚石膜的介电常数波动范围在 7.097.35 之间,其平均值为 7.18;损耗角正切值波动范围在 0.260.35 之间,平均值为0.30,说明制备的硼掺杂金刚石膜呈现微波
17、衰减性能。通常情况下,CVD 金刚石膜损耗角正切值在 10-410-5量级。由于硼原子的引入,金刚石膜中产生了束缚电荷和自由电荷。在微波电场作用下,束缚电荷产生跳跃极化从而引起弛豫损耗;自由电荷产生定向漂移引起电导损耗。在弛豫损耗和电导损耗的作用下,硼掺杂金刚石膜呈现出微波衰减性能6。硼掺杂金刚石膜的损耗角正切值决定衰减器的衰减性能,较小的损耗角正切值使得衰减器对微波的衰减能力不足;过大的损耗角正切值可能造成衰减器对入射微波的反射。Calame 等认为损耗角正切值在 0.20.5 之间的衰减材料较为适宜制作衰减器15。2.3 硼掺杂金刚石衰减器性能基于前期衰减器结构尺寸优化结果16,采用飞秒激
18、光精密加工技术研制出硼掺杂金刚石衰减器。利用矢量网络分析仪测量了硼掺杂金刚石衰减器在使用频段内的性能,如图 4 所示。硼掺杂金刚石衰减器在 85110 GHz范围内 S11-19.67 dB,S21-44.03 dB,说明在室温条件下硼掺杂金刚石衰减器具有良好的频率匹配特性和微波衰减性能。实际使用过程中,衰减器吸收电磁波能量并转换成热能,衰减器温度不可避免地升高。但由于衰减器装配于折叠波导行波管内部,无法对其工作过程中温度进行有效采集。因此,采用数值有限元方法模拟了折叠波导行波管内部实际工况下硼掺杂金刚石衰减器的稳态温度分布。在衰减器楔形结构内表面上施加 3 W 的微波功率,传热形式为热传导和
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