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微波电路CAD主讲：王斌wangbin1@cqupt.edu.cn光电工程学院微波半导体器件的发展及概况自1948年第1只锗晶体管发明以后，半导体开始真正作为可靠、稳定和实用的器件进入微波领域，此后微波半导体器件取得了令世人瞩目的发展，广泛应用于各个技术领域。微波半导体器件分类1）按导电机理分为单极型和双极型两类。单极型器件是指在器件工作过程中只有单一一种多数载流子参与运动，如场效应器件；双极型器件则是指在工作过程中多数载流子和少数载流子共同参与运动的器件，凡是以PN结为基础的半导体二极管和三极管都是双极型器件。5.微波半导体器件与电真空器件微波半导体器件分类2）按半导体效应来分，也可分为两类。一类是利用半导体的结型效应制造的器件，包括变容二极管、肖特基势垒二极管、隧道二极管、雪崩渡越时间二极管、单极和双极晶体管(三极管)；另一类是利用半导体的体效应(耿式效应)而产生的转移电子器件(耿式器件)。微波半导体器件的特点及优势①半导体器件具有低噪声、低功耗、低工作电压等特点，比电真空器件具有明显的优势性，因而在低频、低噪声、小功率领域很快取代了电真空器件。②半导体器件具有体积小、质量小、工艺简单、适合大规模生产、易于集成等优点，也是微波电真空器件无法比拟的。③半导体器件还具有寿命长、可靠性高、抗辐射等特点，在中小功率和低噪声微波应用中已占有绝对优势。5.微波半导体器件与电真空器件主要微波半导体器件5.微波半导体器件与电真空器件主要微波半导体器件5.微波半导体器件与电真空器件5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件及其概况电子学主要是研究带电粒子在气体、真空或半导体中运动的科学。由于带电粒子在不同的媒质中运动，形成了电子学的不同分支。研究带电粒子在真空中的运动时，形成了真空电子学和电真空器件。微波电真空器件是指在真空或气体媒质中，由于电子或离子在电极间的传输，电子注(或离子注)与高频场的相互作用而实现微波能量(或微波信号)的产生和放大的有源器件。微波电真空器件在国防装备上，是雷达、通信、电子对抗、遥测遥控和精密制导设备的“心脏”；在信息系统中，作为广播电台、电视台的发射源，微波通信和卫星通信的转发器，以及接收和显示图像各种显示器件已广泛应用于我们的工作和生活。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件及其概况微波电真空器件的特点及优势微波电真空器件一般都存在工作电压高、耗电多、结构复杂、体积质量大、不能大规模生产、成本高等缺点。但是电真空器件在输出功率和工作频率上同样具有目前半导体器件所无法比拟的优点：①电子在接近真空的电真空器件中的运动速度接近光速，其工作频率受电子渡越时间的限制要比半导体器件低1000倍，因此它具有快速转换功能，可以工作在更高的频率上，工作频率已推进到THz频段。②电真空器件中电子可以工作在很高的电压和电流条件下，较工作在低电压条件下的半导体器件而言，可以获得高功率输出。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件及其概况微波电真空器件的特点及优势③电真空器件中电子运动的速度可以被控制，当电子完成其和外电路的相互作用后，通过降压收集极，使电子能量回收，可以获得很高的总效率。④电真空器件中电子的运动方向和位置可以通过静电场或磁场加以控制，因而可以实现信号的放大、振荡、显示和电子加速等多种功能。⑤电真空器件都是三维结构，各种介质和金属材料都可以加工成各种特定的形状加以应用，因而可以方便地制造成多种功能、各种形状的器件。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用1.雷达系统的核心器件雷达系统在现代高技术战争中占有十分重要的地位，警戒指挥、火控、测量跟踪、精密制导、气象探测和航空管制等都需要先进的雷达系统。雷达的发展从它诞生之日起就紧密地和大功率微波器件的发展联系在一起。雷达的需求，推动着大功率微波器件的发展，而新型微波器件的开发，又会带来雷达的新功能，甚至产生新的雷达体制。雷达发射机一般采用微波振荡器或微波放大器作为发射源。雷达对微波器件的要求如下：①宽的工作频带和瞬时带宽，宽的工作频带以利于频率捷变，反对敌方干扰，宽的瞬时带宽，有利于发射或传输宽频带信号；②平均功率输出是雷达发射机和发射期间的重要指标；③脉冲功率输出也是一个重要5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用1.雷达系统的核心器件指标；④要求发射源具有相位或频率调制的能力和相位稳定性；⑤多模雷达要求发射微波器件具有可变的脉冲宽度和重复频率；⑥良好的冷却系统。2.电子对抗系统的威力来自大功率微波器件电子对抗(ECM)系统在现代高技术战争中具有重要的作用，它的主要任务是：①获取敌方信息；②减小、避免或修正敌方的电磁辐射以保护自己；③保证我方有效地利用电磁辐射武器。大功率微波器件主要用于达到两个目的，即干扰敌方和保护自己。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用3.现代通信系统的基础5.微波半导体器件与电真空器件通信传输形式(a)中继通信；(b)散射通信；(c)卫星通信频率从1-100GHz频段的通信称为微波频段的通信。这一频段的通信有三种形式，即视距中继通信；对流层散射通信；卫星通信。视距中继通信过去采用行波管放大器，现在可采用微波半导体器件。散射通信发射机可以采用半导体器件(晶体放大器)或电真空器件(速调管放大器或行波管放大器)。卫星通信一般多用到空间行波管放大器的电真空器件。微波电真空器件的主要应用3.现代通信系统的基础5.微波半导体器件与电真空器件100SpaceTWTs微波电真空器件的主要应用4.微波定向能武器高功率微波源(HPM)的重要应用之一是微波定向能武器。它的优点表现在两方面：首先这种武器的效力依赖于所供给的能量，而不依赖于弹壳爆炸的碎片；其次它进攻的速度接近光速，使敌方无法进行拦截。定向能武器的作用可分类如下：①烧毁敌方的电子系统；②暂时中断或扰乱敌方电子系统；③欺骗敌方的系统，使导弹失效；④对战斗人员的软杀伤，烧伤皮肤，引起脑惊厥，失去知觉等。5.微波半导体器件与电真空器件美国研制的毫米波拒止武器微波电真空器件的主要应用4.微波定向能武器拒止武器美国空军研究实验室（AFRL）研制出了一种被称作“主动拒止技术（ActiveDenialTechnology）”的非致命武器系统。它利用定向发射的毫米波电磁能量波束照射人群，使人感觉就像被烧伤一样的疼痛，从而丧失进一步行动的能力。国防部研究人员说，波束只会深入皮下1/64英寸，不会引起永久性损伤。自从1992－1993美国在索马里的人道主义使团遭受暴乱人群攻击后，美国防部就一直致力于发展“非致命”武器。美国海军陆战队计划将这种新型毫米波武器装备在海军陆战队和陆军都使用的一种车辆的车顶上，稍后它也可能被用在飞机和军舰上。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用5.工业能源与医学应用当微波通过介质传输时，将被介质所吸收并转化为热效应。微波加热的过程和红外加热过程不同，微波的加热很快，透入深度达几厘米，而红外加热透入深度浅，只加热表面，热量要投入介质内部只有通过长时间的热传导，因而效率很低。微波加热由于速度快、效率高，除作为微波炉进入家庭加工食品外，在工业加热中也得到广泛应用，如烟草、木材、竹材、纸张、橡胶等材料加工和花生、瓜子、方便面等食品的工业加热，在医疗中，微波可用于纱布、棉花及其他医用物品的消毒。X射线(又称伦琴射线)微波管及粒子加速器也广泛用于医学领域，为人类的病情诊断，肿瘤治疗等方面服务。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应热核聚变的基本原理是：当两个轻原子核相互碰撞时，如果两者合而为一或由于隧道效应而相互穿过，这一过程将释放出大量的能量。5.微波半导体器件与电真空器件D-DMeVnHeHH59.17423121MeVHHeHeH34.1811423221D-T&D-3HeMeVnHeHH27.3322121MeVHHHH05.411312121微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER(InternationalThermo-nuclearExperimentReactor)国际热核实验反应堆计划5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划5.微波半导体器件与电真空器件2005.6确定ITER建造在法国卡达拉奇微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划5.微波半导体器件与电真空器件Tokamak微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划Tokamak托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由前苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维奇等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈，在通电的时候托卡马克装置的内部会产生巨大的螺旋型磁场，其中的等离子体被加热到很高的温度，以达到核聚变反应的目的。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划5.微波半导体器件与电真空器件ITER装置的基本参数微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划受控热核聚变研究的最终目标是建成资源及其丰富、经济性能优异、安全可靠、无环境污染的核聚变电站，使之成为人类未来的永久能源。受控热核聚变研究的六个阶段:①原理性研究阶段；②规模实验阶段；③点火装置试验阶段(氘-氚燃烧实验)；④反应堆工程物理实验阶段；⑤示范聚变电站阶段；⑥商用聚变电站阶段。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划之中国1984年以前，我国核聚变研究主要以物理和技术探索为主，1984年以后，我国核聚变研究取得了很大的发展，托卡马克成为主要研究途径。核工业西南物理研究院(原585所)：环流器一号(HL-1)-1984年建成；环流器二号(HL-2A)-2002年建成。中国科学院等离子体研究所：超导托卡马克HT-7；非圆截面超导托卡马克EAST。以上研究标致着我国磁约束核聚变研究已跻身于世界中等规模实验装置的行列，综合实力和科学技术接近了国际水平。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划之中国5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划之中国5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划之中国5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划之中国5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要应用6.受控热核反应ITER计划射频/微波加热离子回旋共振加热(ICRH)30-120MHz四极管低混杂波共振加热(LHRH)1-8GHz速调管，回旋管电子回旋共振加热(ECRH)100-200GHz回旋管ITER计划对等离子体加热、诊断、不稳定性控制和电流驱动的高指标要求，推动用于大功率微波电真空器件向着高频率、高功率、高效率、长脉冲以及连续波工作等方向迅速发展。5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要参量增益、带宽、功率和效率是微波电真空器件最主要的技术指标。1.增益增益是指微波电真空器件放大信号的能力，它被定义为放大管输出功率与输入功率之比取对数的值，以dB表示：①小信号增益(线性增益)②饱和增益③额定功率增益5.微波半导体器件与电真空器件10lg/outinGPP功率曲线5.微波半导体器件与电真空器件微波电真空器件的主要参量2.带宽带宽是指微波振荡器或放大器在一定工作条件下，能满足一定技术指标要求的工作频率范围。不同表示法：①绝对带宽②相对带宽③倍频程maxminfff01