一种基于宽禁带光导器件的可调谐高频微波产生装置

1.一种基于宽禁带光导器件的可调谐高频微波产生装置，其特征在于：包括高压电源、微波射频传输结构、可调谐激光驱动源和天线，所述的微波射频传输结构包括平面电极型光导器件和高频微带线，平面电极型光导器件设在高频微带线的衬底上，高频微带线包括输入端微带线和输出端微带线，平面电极型光导器件的两个平面电极分别连接输入端微带线和输出端微带线，输出端微带线尾端设有射频接口；高压电源通过输入端微带线与平面电极型光导器件的一个平面电极相连，天线通过射频接口及输出端微带线与平面电极型光导器件的另一个平面电极相连；可调谐激光驱动源的输出端与平面电极型光导器件连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽禁带光导器件的可调谐高频微波产生装置，其特征在于：所述的平面电极型光导器件包括光导半导体晶片、平面电极和透明绝缘膜，光导半导体晶片表面并列设有一对平面电极，其余表面为透明绝缘膜；所述的平面电极均为Ni/Ti/Au三层金属电极，Ni、Ti、Au三层金属层至下而上设置。

一种基于宽禁带光导器件的可调谐高频微波产生装置\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种高频微波产生装置，特别涉及一种基于宽禁带光导器件的可调谐高频微波产生装置。\n背景技术\n[0002] 传统的高功率微波源是利用电子束真空电子器件和高频电磁结构实现微波产生的，其工作频率通常相对固定难以调整。因此近年来，利用功率电子器件和光导半导体器件的可调谐微波技术引发广泛关注。其中宽禁带光导半导体器件具有许多突出的优点，如导通时间快、同步精度高、时间抖动低、导通电感低等。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得到广泛应用。\n[0003] 目前，采用宽禁带光导半导体产生参数可调的射频微波是一种全新技术，具有重要应用前景。在实际应用中，宽禁带光导半导体器件具有高临界击穿电场、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，相关研究工作也日益增多。平面电极型光导器件由于具有响应速度快的优点，但一方面受限于表面耐压绝缘能力，光导器件功率较低，并且在高电压大电流条件下，宽禁带光导半导体器件的工作寿命受到限制；另一方面对于导通电阻较大的宽禁带光导半导体器件而言，考虑到在后端负载上得到微波输出，需要设计相应的电路结构与之匹配。因此，目前并没有一种基于宽禁带的平面电极型光导器件产生大范围可调谐高频微波的应用技术。\n发明内容\n[0004] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于宽禁带光导器件的可调谐高频微波产生装置，包括：高压电源、微波射频传输结构、可调谐激光驱动源和天线，所述的微波射频传输结构包括平面电极型光导器件和高频微带线，平面电极型光导器件设在高频微带线的衬底上，高频微带线包括输入端微带线和输出端微带线，平面电极型光导器件的两个平面电极分别连接输入端微带线和输出端微带线，输出端微带线尾端设有射频接口；高压电源通过输入端微带线与平面电极型光导器件的一个平面电极相连，天线通过射频接口及输出端微带线与平面电极型光导器件的另一个平面电极相连；可调谐激光驱动源的输出端与平面电极型光导器件连接。\n[0005] 所述的平面电极型光导器件包括光导半导体晶片、平面电极和透明绝缘膜，光导半导体晶片表面并列设有一对平面电极，其余表面为透明绝缘膜；所述的平面电极均为Ni/Ti/Au三层金属电极，Ni、Ti、Au三层金属层至下而上设置。\n[0006] 所述的平面电极型光导器件的光导半导体晶片材料为4H‑SiC或6H‑SiC。\n[0007] 所述的高频微带线的衬底为高速板材，输出端微带线与同轴射频接口进行匹配连接。\n[0008] 所述可调谐激光驱动源采用高功率基于声光/电光调制的可调谐脉冲簇激光光源系统，其包括依次连接的脉冲激光种子源、声光调制器、电光调制器、光纤放大器和固体放大器。\n[0009] 所述的高压电源采用商用30kV高压连续充电电源，为宽禁带光导器件提供偏置电压。\n[0010] 所述的天线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。\n[0011] 本实用新型的工作原理如下：\n[0012] S1、通过任意波形发生器调制可调谐激光驱动源种子源的激光输出波形，经过预调制、多级光纤放大、固体放大，实现大能量、高功率、宽频范围可调谐高频激光调制信号；\n[0013] S2、可调谐高频激光调制信号通过光纤或光波导输入至平面电极型光导器件，所述平面电极型光导器件在可调谐激光驱动源产生的连续激光脉冲、高压电源产生的高电压的同时作用下，输出可调谐射频微波电信号；\n[0014] S3、所述的高频微带线将平面电极型光导器件输出的可调谐射频微波电信号进行传输提取；\n[0015] S4、天线通过输出端微带线尾端的射频接口将输出端微带线输出的可调谐射频微波信号进行辐射，从而产生可调谐高频微波输出。\n[0016] 本实用新型的有益效果：\n[0017] 本实用新型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，通过可调谐脉冲簇激光驱动源辐照宽禁带光导半导体器件，调制产生高频电信号，并通过天线辐射输出产生微波信号，实现宽范围频率可调谐的高频微波输出。同时，本实用新型通过微波射频传输结构将宽禁带光导半导体器件调制产生的电信号传输到天线，提高了系统的光电转换效率，能够实现频率大范围可调谐(0.5GHz～50GHz)的窄谱微波输出，实现了大范围可调谐高频微波的高效提取。本实用新型为大范围可调谐的高功率微波集成系统的研制提供了技术支撑。\n附图说明\n[0018] 图1为本实用新型的整体结构示意图；\n[0019] 图2为本实用新型微波射频传输结构的结构示意图；\n[0020] 图3为本实用新型平面电极型光导器件的结构示意图；\n[0021] 图4为本实用新型实施例中输出的波形图(从上至下依次为0.5GHz、1GHz、4GHz、\n8GHz、10GHz微波输出实验结果)。\n[0022] 1、高压电源2、微波射频传输结构3、可调谐激光驱动源4、天线5、平面电极型光导器件6、高频微带线7、输入端微带线8、输出端微带线9、平面电极10、光导半导体晶片11、Al2O3绝缘膜。\n具体实施方式\n[0023] 参阅图1‑3所示：\n[0024] 本实用新型提供一种基于宽禁带光导器件的可调谐高频微波产生装置，包括：高压电源1、微波射频传输结构2、可调谐激光驱动源3和天线4，所述的微波射频传输结构2包括平面电极型光导器件5和高频微带线6，平面电极型光导器件5设在高频微带线6的衬底上，高频微带线6包括输入端微带线7和输出端微带线8，平面电极型光导器件5的两个平面电极9分别连接输入端微带线7和输出端微带线8，输出端微带线8尾端设有射频接口；高压电源1通过输入端微带线7与平面电极型光导器件5的一个平面电极9相连，天线4通过射频接口及输出端微带线8与平面电极型光导器件5的另一个平面电极9相连；可调谐激光驱动源3的输出端与平面电极型光导器件5通过光纤或光波导连接。\n[0025] 所述的平面电极型光导器件5包括平面电极9、光导半导体晶片10和Al2O3绝缘膜\n11，光导半导体晶片10表面并列设有一对平面电极9，其余表面为Al2O3绝缘膜11；所述的光导半导体晶片10为宽禁带SiC材料的方形或圆形薄片，方形的边长为1mm～50mm，圆形的直径为1mm～50mm，厚度为0.05mm～2mm；平面电极9均为Ni/Ti/Au三层金属电极，Ni、Ti、Au三层金属层至下而上设置。\n[0026] 所述的平面电极型光导器件5的光导半导体晶片10材料为4H‑SiC或6H‑SiC。\n[0027] 所述的高压电源1采用商用30kV高压连续充电电源，为宽禁带光导器件提供偏置电压。\n[0028] 所述可调谐激光驱动源3采用高功率基于声光/电光调制的可调谐脉冲簇激光光源系统，其包括依次连接的脉冲激光种子源、声光调制器AOM、电光调制器EOM、全保偏光纤放大器和光纤级联固体放大器，用于产生脉宽、主频连续可调的重频激光脉冲，并将激光脉冲通过光纤或光波导输入至平面电极型光导器件5，调制光导器件产生高频射频信号。可调谐激光驱动源3的输出激光波长为1064nm，激光器脉冲簇包络脉宽为100ns，最大脉冲能量为25mJ；包络内的子脉冲频率可调谐，工作频率可调谐范围为0.5GHz—10GHz，最大输出峰值功率为百kW数量级。\n[0029] 所述的天线4是与所述微波射频传输结构2阻抗匹配的平板宽带辐射喇叭。\n[0030] 所述的高频微带线6的衬底为高速PCB板材，输出端微带线8与同轴射频接口进行匹配连接。\n[0031] 本实用新型的工作原理：\n[0032] S1、通过任意波形发生器调制可调谐激光驱动源3种子源的激光输出波形，经过预调制、多级光纤放大、固体放大，实现大能量、高功率、宽频范围可调谐高频激光调制信号；\n[0033] S2、可调谐高频激光调制信号通过光纤或光波导输入至平面电极型光导器件5，所述平面电极型光导器件5在可调谐激光驱动源3产生的连续激光脉冲、高压电源1产生的高电压的同时作用下，输出可调谐射频微波电信号；\n[0034] S3、所述的高频微带线6将平面电极型光导器件5输出的可调谐射频微波电信号进行传输提取；\n[0035] S4、天线4通过输出端微带线8尾端的射频接口将输出端微带线8输出的可调谐射频微波信号进行辐射，从而产生可调谐高频微波输出。\n[0036] 本实施例对本实用新型基于宽禁带光导器件的可调谐高频微波产生装置进行了进一步的验证，可调谐高频微波产生装置的输出波形和频谱分布如图4所示，由图4可知，本实用新型基于光导器件的可调谐超高重频微波产生装置能够宽范围可调谐的高频微波输出，证明了本实用新型的有效性。