书第18卷第5期强激光与粒子束Vol.18,No.52006年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,2006文章编号:1001-4322(2006)05-0871-05一种基于热离子二极管的大功率微波探测器*陈代兵1,2,范植开1,孟凡宝1,马乔生1(1.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900;2.中国工程物理研究院研究生部,北京100088)摘要:主要给出了波导型的X波段大功率微波探测器的结构、标定方法和标定结果。该新型大功率微波探测器具有承受微波峰值功率高(可达100kW),时间响应快(响应时间小于2.0ns),不需要同步信号,抗干扰能力强等特点。根据不同的需要,可以制作成波导型和同轴型的大功率微波探测器。波导型探测器由热离子二极管、标准波导、滤波器和外电路组成,其工作频率范围为波导的工作频率范围;而同轴型探测器由热离子二极管、同轴波导,滤波器和外电路组成,可以宽带使用。标定结果表明该探测器很适合高功率微波峰值功率测量,尤其是在强电磁干扰环境和高重频微波脉冲条件下的测量,为解决功率测量不准的技术难题提供一种有效的技术手段。关键词:微波探测器;热离子二极管;高功率微波;功率测量中图分类号:TN98文献标识码:A随着高功率微波技术的发展,人们对高功率微波(HPM)的测量技术提出了越来越高的要求[1]。然而,由于高功率微波通常具有峰值功率高(GW量级)、脉宽较短(ns量级)、单脉冲或者脉冲串、其测量环境存在强电磁干扰甚至射线干扰等特点,其功率的准确测量是一项普遍的难题。目前通常是将高功率首先衰减到中功率或低功率来进行直接测试。然而,测量需要大量的衰减,大量的衰减使得测量系统复杂,并且测量累计误差将大大增加;另一方面,基于晶体二极管的小功率检波器(小于1W)在电磁辐射条件下存在较大的干扰[2],因此研究大功率微波检波器尤为重要。西北核技术研究所研制出了一种基于P型硅半导体中的热载流子效应的高功率微波探测器[3-4],该探测器是一种单脉冲高功率微波探测器,具有承受微波峰值功率高、时间响应快等特点,为解决高功率微波测量不准的技术难题提供了一种有效的技术手段。但是,该探测器需要同步触发信号才能工作,这就使得实时在线测量尤其是远距离测量比较困难;同时由于目前多数脉冲功率源存在的触发开关抖动的固有特点,使得该探测器不容易捕捉到每一个微波信号,尤其是重复频率微波脉冲串的每一个脉冲信号。我们研制了一种基于热离子二极管的检波特性的新型大功率微波探测器。该探测器具有承受微波峰值功率高(可达100kW),时间响应快(响应时间小于2.0ns),不需要同步信号,抗干扰能力强等特点,适用于高功率微波单次脉冲和高重复频率脉冲串的峰值功率的测量。1探测器的工作原理和构成Fig.1Principleschematicofthedetector图1探测器的工作原理图1.1探测器的工作原理探测器的工作原理如图1所示。由加热极、阴极和阳极组成热离子二极管。处于波导中的阴极被加热极加热,从而阴极处于待发射状态;当有微波脉冲信号在波导中传播时,在波导中存在一个强的交变电场Ew(t),该电场作用在阴极和阳极上;在正向电场的作用下,阴极将有电子束发射,从而在输出回路中将产生电流I(t),该电流正比于电场Ew(t)的值;将电流进行滤波,通过取样电阻,利用数字示波器就可以准确测量出电流I(t)的幅值与波形,从而完成了对微波的检波。对探测器的灵敏度进行准确标定,便可以实现高功率微波脉冲峰值功率和功率包络的准确测量。*收稿日期:2005-11-25;修订日期:2006-04-17基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:陈代兵(19-),男,博士生,主要从事微波器件研究及微波测量等工作;renture@sina.com。书1.2探测器的组成、优化设计与制作基于热离子二极管的波导型大功率微波探测器主要由标准波导、热离子二极管、匹配介质、匹配负载、滤波器和外电路等组成。根据工作的需要,我们设计了波导型的X波段的基于热离子二极管的波导型大功率微波探测器,其结构如图2所示,外观如图3所示,其工作的频率范围为8.2～12.4GHz,波导中传输的模式为TE10模。Fig.2Structureschematicofthedetector图2探测器的结构图Fig.3Outlineofthedetector图3探测器的外观图由于波导中沿窄边方向的中心处电场最强,所以在波导的宽边打孔,将热离子二极管置于传输波导的中...
