[发明专利]一种大功率微波脉冲圆波导探测结构及方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁波探测装置设计方案，具体涉及一种对微波段大功率脉冲进行实时探测的圆波导探测结构及方法。

背景技术

随着高功率微波技术的不断发展，高功率微波在许多方面已经进入应用甚至实用化阶段。高功率微波源作为应用的关键器件，大多通过末端集成了喇叭天线的圆波导将高频结构产生的微波脉冲辐射到自由空间，其中还常包含圆波导模式转换和弯曲波导等功能结构。目前高功率微波源的输出脉冲探测一种是在辐射场进行接收检测，但在应用中这种方法无法实时给出微波源的输出状态；另一种则是通过小孔或探针等耦合结构对器件内的微波脉冲耦合后再进行实时探测，但这增加了应用系统的结构复杂程度，且耦合结构可能会造成微波脉冲波形的畸变，导致测量波形失真等。此外，要确定微波脉冲在圆波导内传输的极化方向和模式成分，也需要对圆波导内的微波脉冲进行实时探测。所以研制一种可直接用于高功率微波源输出脉冲的圆波导探测结构是一项技术难度大且需求迫切的课题。

研究表明，当半导体的外加电场较强时（10³V/cm～10⁵V/cm），载流子的有效温度升高，迁移率降低，从而引起半导体电导率降低，使得电流密度与电场强度不再满足正比关系，相对欧姆定律发生了偏离，这就是强电场下的半导体热载流子效应。基于这种效应原理，可以实现大功率脉冲的直接探测，有利于减少耦合和衰减等复杂结构或系统的使用。从上世纪80年代开始，立陶宛半导体物理研究所研制了一系列矩形波导结构和同轴结构的高功率微波和毫米波探测器，用于高功率微波源辐射场信号的直接测量。但截止目前，尚未见到基于热载流子效应的其它波导结构的探测装置及方法。

发明内容

本发明提出了一种基于圆波导和热载流子效应相结合的圆波导探测结构及方法，可实现峰值功率在百兆瓦量级的纳秒级大功率微波脉冲的在线实时探测。

本发明的技术解决方案为：

一种大功率微波脉冲圆波导探测结构，其特殊之处在于：

包括圆波导1和设置在圆波导中的探测芯片2；

所述圆波导的半径由待测微波脉冲的频率或微波脉冲的前端传输结构决定，其长度至少为待测微波脉冲的波长的3倍；

所述探测芯片的一端与圆波导壁短路，其另一端则与圆波导壁绝缘且通过同轴线与外界相连。

上述探测芯片由两个完全相同的单晶硅芯片组成，且呈弧形依次置于圆波导壁上；所述两个芯片顶端连通短路，其中一个芯片的底端与圆波导壁短路，另一个芯片底端与圆波导壁绝缘且通过同轴线与外界相连。

上述单晶硅芯片选用n型硅材料，并在顶端和底端做以良好的欧姆接触，溅射微米量级厚度的铜或金金属层。

上述硅芯片的顶端和底端金属层的厚度h₁<0.1mm，h₂<0.01mm。

一种大功率微波脉冲圆波导探测方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】根据待测微波脉冲的频率或微波脉冲的前端传输结构决定圆波导的半径R，根据待测微波脉冲的波长决定圆波导的长度，要求长度为待测微波脉冲的波长的3倍；

2】将探测芯片放入圆波导内的不同轴向位置的同一角向位置或同一轴向位置处的不同角向位置，将探测芯片的一端与圆波导壁短路，其另一端则与圆波导壁绝缘且通过同轴线与外界相连，形成圆波导探测结构；

3】将待测大功率微波脉冲从微波源或其它圆波导传输结构馈入圆波导探测结构，测量探测芯片的电压变化，解析得到待测大功率微波脉冲的电场幅度，进而获取脉冲功率。

上述探测芯片由两个完全相同的单晶硅芯片组成，且呈弧形依次置于圆波导壁上；所述两个芯片顶端连通短路，其中一个芯片的底端与圆波导壁短路，另一个芯片底端与圆波导壁绝缘且通过同轴线与外界相连。

上述硅芯片选用n型硅材料，并在顶端和底端做以良好的欧姆接触，溅射微米量级厚度的铜或金金属层。

上述单晶硅芯片的顶端和底端金属层的厚度h₁<0.1mm，h₂<0.01mm。

本发明的优点：

1、与采用圆波导结构的高功率微波源可实现匹配连接，无需源结构做任何改变。由于本探测结构采用圆波导为探测波导，对于采用圆波导结构的高功率微波源，可以针对其传输波导的尺寸，设计合理的圆波导探测结构，实现与待测高功率微波源的直接匹配连接。