由于微波頻段的擁擠，近年來國內(nèi)外信息技術(shù)界都更加關(guān)注毫米波和太赫茲頻域的利用和發(fā)展^[1-3]。毫米波頻域的應(yīng)用可追朔到上世紀70年代，美國Milstar通信衛(wèi)星正式使用Ka波段毫米波技術(shù)，使毫米波技術(shù)應(yīng)用取得突破。近年來，高速數(shù)據(jù)通信和5G移動通信的發(fā)展，要求更高的工作頻率和更寬的頻帶寬度。促使我們開辟從Ka波段到太赫茲頻段整個毫米波到亞毫米波頻域。隨著頻率的升高，電磁波的傳輸損耗也在增加。圖1給出了300GHz頻率以下電磁波的衰減情況。可以看到,除了高峰值的衰減之外，有的地方大氣窗口的衰減也可以達到1dB以下。

圖1、300GHz以下頻率電磁波在不同地點大氣中的衰減情況

美國海軍實驗室研制的W波段大孔徑無線電定位器（WARLOC）,雷達發(fā)射機使用了回旋速調(diào)管放大器，輸出峰值功率100kW,平均功率10kW,瞬時帶寬600MHz。位于林肯空間觀察室的Haystack超寬帶衛(wèi)星成像雷達（HUSIR）就是依托WARLOC雷達組建而成的。其主要作用是觀察空間的衛(wèi)星碎片，觀察距離可以達到上千公里。事實上,新型成像雷達技術(shù)的發(fā)展,要求雷達工作在太赫茲頻域^[4]，其成像速率可以達到30幀/秒，圖像的分辨率也得到極大提高。美海軍實驗室又研制出W波段脈沖輸出功率大于7.5kW的分布作用速調(diào)管^[5]，可以作為該波段雷達應(yīng)用。太赫茲頻譜在ViSAR雷達中的應(yīng)用，將會改變戰(zhàn)場的偵察態(tài)勢。太赫茲雷達在精確制導(dǎo)、精密氣象探測、防撞、障礙物探測、安全檢測等方面的應(yīng)用也在發(fā)展^[6]。

2016年11月25日DARPA報道，測試了100Gb/s通信能力，范圍是空-空距離200km，空-地距離100km; 100Gb/s通信速率的突破將給國防和國民經(jīng)濟帶來重大影響。這項試驗是利用70GHz輸出功率100W的行波管完成的，因為至今固態(tài)器件尚未能在70GHz提供20W CW功率輸出。DARPA正在構(gòu)建100Gb/s高速射頻骨干網(wǎng)，為200km距離和100km高度的設(shè)備之間提供高速通信能力。

5G通信是移動通信系統(tǒng)發(fā)展的前沿^[7]。美國和歐洲正在部署和發(fā)展用于5G點對點、點對多點通信干線的E波段行波管放大器^[8-13]制造。鑒于中國的城市化率沒有西方的高，我國廣大城市郊區(qū)、農(nóng)村和邊遠地區(qū)還占有很大比例。因此在發(fā)展E波段通信行波管的同時，還應(yīng)當(dāng)發(fā)展Ka、Q、V波段通信行波管。

正是這些有源相控陣雷達、高速數(shù)據(jù)通信和5G(甚至6G)移動通信技術(shù)的發(fā)展，促進了毫米波和太赫茲頻域的開拓。首先遇到的是功率放大器的發(fā)展。太赫茲頻域是介于光波和微波之間的頻域。從光波產(chǎn)生太赫茲功率源的方法是通過兩束不同波長激光源的差頻來實現(xiàn)。這種方法很難獲得大的功率輸出。而半導(dǎo)體在E波段產(chǎn)生大功率輸出已十分困難。唯有真空電子器件，在太赫茲頻段可以獲得較大的功率輸出^[1,13]。目前在E、W波段都可以獲得100W以上的脈沖功率輸出，在G波段也可以獲得50W脈沖功率輸出^[14]。在1THz可以獲得29毫瓦功率輸出^[15]。即使如此，我們還在探索如何在太赫茲頻率獲得更大的功率輸出。表1是諾斯羅普-格魯曼公司研制的THz放大器一覽表。圖2是THz放大器微加工慢波電路。

表1、諾斯羅普-格魯曼公司研制的THz放大器

圖2、THz功率放大器微加工慢波電路

2015年，DARPA發(fā)布了兩項基礎(chǔ)研究計劃。一項是INVEST,另一項是HAVOC^[16，17]。這兩項基礎(chǔ)研究計劃都是從根本上開發(fā)出一種全新的真空功率放大器，有較大的功率輸出，可以低成本批量制造，不是工藝品式的實驗室產(chǎn)品，是規(guī)模制造產(chǎn)品。從這幾年探索來看，獲得大功率輸出的途徑并沒有出現(xiàn)新的突破，仍然在嘗試加大電壓的相對論電子學(xué)方法、多電子注和帶狀注方法、以及集成制造方法等。但是在3D打印和新型慢波結(jié)構(gòu)方面做了很好的探索^[18-21]。

本文的目的是進一步確認毫米波/太赫茲頻域?qū)τ谛畔⒓夹g(shù)發(fā)展的重要作用; 討論加速開拓毫米波/太赫茲頻域的技術(shù)途徑, 特別是結(jié)合真空電子器件的發(fā)展, 討論器件和應(yīng)用相互促進的可能性;討論新型器件的發(fā)展, 對信息處理技術(shù)發(fā)展的重要作用。

I. 太赫茲功率放大器技術(shù)發(fā)展

太赫茲功率放大器是支撐太赫茲頻域發(fā)展的核心器件。近十年來，真空電子和半導(dǎo)體器件都在太赫茲頻域發(fā)展新型器件，這兩種器件的不同之處在于，真空電子器件具有大功率輸出能力，但它的制造技術(shù)仍然是單管制造，未實現(xiàn)批量制造；半導(dǎo)體器件在毫米波和太赫茲頻段都難以獲得大功率輸出，只能通過功率合成達到瓦級功率輸出^[22]，但它可以實現(xiàn)批量制造。

為了滿足70GHz 5G移動通信技術(shù)發(fā)展的需要,近年來發(fā)展了一系列E波段通信用行波管^[8-13]。圖3是L-3公司制造的E波段MPM照片，圖4是相應(yīng)的參數(shù)。該器件脈沖輸出功率為100W。在空中高速數(shù)據(jù)通信試驗中，獲得了100Gb/s的通信速率。圖5是諾斯羅普公司研制的G波段（233GHz）行波管照片、采用的電路和50W輸出功率-帶寬曲線，其帶寬還可以再擴大。圖6是中國電科第12研究所研制的W波段行波管照片和大于100W脈沖輸出功率隨頻率的變化情況^[23]。隨著工作頻率的提高，輸出功率會進一步降低。

圖3、L-3通信公司用線性化MPM照片，frequency(GHz)體積為37.6×26.6×7.6cm³，重量10kg.

圖4a、在20.8kV,200mA條件下，放大器飽和輸出功率

圖4b、在20.8kV,200mA條件下，放大器效率。

圖4c、在20.8kV,200mA條件下，放大器電子注流通率

圖5a、是諾-格公司研制的G波段行波管照片

圖5b、是G波段行波管采用的微加工慢波結(jié)構(gòu)

圖5c、是G波段行波管50W輸出功率和帶寬

圖6a、中國電科第12研究所研制的W波段行波管照片

圖6b、是兩支試驗管輸出功率和頻率的關(guān)系曲線

其原因不僅互作用電路的耦合阻抗降低，電子注通道也變得更小。因此，近年來在探索擴大電子注通道和采用多電子注實現(xiàn)大功率輸出的可能性。

II 微加工制造技術(shù)

真空電子器件最大的問題是手工制造和對中，尚未實現(xiàn)批量制造技術(shù)。要實現(xiàn)毫米波和太赫茲頻段的開拓，必須解決真空電子器件的批量制造問題。真空電子器件在歷史發(fā)展上，本來就屬于批量制造產(chǎn)品，否則它也不可能在上世紀構(gòu)建完整的信息社會。當(dāng)時的小型化三、四極管都是年產(chǎn)幾千萬支的產(chǎn)品。顯示器件（CRT）也是年產(chǎn)四千多萬臺的批量制造產(chǎn)品。今天的微波爐磁控管年產(chǎn)量達到四千多萬支，成本很低，保證了全球?qū)ξ⒉t的需求。

實現(xiàn)批量制造，需要從幾方面入手：首先是器件結(jié)構(gòu)的簡化。微波爐磁控管從復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡化到批量制造結(jié)構(gòu)，從諧振腔結(jié)構(gòu)到陰極處理都發(fā)生了很大的變化。那么，工作在太赫茲頻段的行波管，其結(jié)構(gòu)也要發(fā)生變化，有利于微加工和自動對中技術(shù)的實現(xiàn)；其次是加工制造技術(shù)。微加工是當(dāng)前電子器件發(fā)展的主流，真空電子也不能例外，必須采用微加工制造，才能實現(xiàn)微型化和組件化；美國海軍實驗室和Teraphysics公司在這方面做了很好的探索^[24-25]。表2是海軍實驗室G波段行波管參數(shù)。圖7是所采用的慢波電路加工過程。第一步是在金屬基片上涂滿光刻膠；第二步刻蝕出折疊波導(dǎo)的芯子；第三步鑄銅；第四步放置電子注通道的介質(zhì)線；第五步刻蝕上半部折疊波導(dǎo)芯子；第六步再鑄銅，去除光刻膠芯子，加蓋板，形成慢波結(jié)構(gòu)。圖8是采用3D打印完成的折疊波導(dǎo)慢波電路^[20]。所不同的是折疊波導(dǎo)芯子和鑄銅過程，都由3D打印過程代替。這里加工的僅僅是慢波結(jié)構(gòu)，尚未牽涉到整管裝配。圖9是Teraphysics公司制造的94GHz螺旋線行波管的過程^[25]。該公司稱，這是對螺旋線的再發(fā)明。因為螺旋線過去只能用到60GHz。現(xiàn)在可以將螺旋線用到1THz。螺旋線的加工是用微加工實現(xiàn)的，其一致性和批量制造技術(shù)都是很好的。但是，整管的裝配仍然存在對中精度問題，需要進一步解決。

表2、G波段行波管的有關(guān)參數(shù)

圖7、G波段行波管慢波結(jié)構(gòu)加工過程

圖8a、在銅基片上合成塑料3D打印的電路真空芯子

圖8b、3D打印模型去除后鑄銅的蛇形慢波電路

圖8c、3D打印模型去除后鑄銅的慢波電路

圖9a、Ansys模擬94GHz螺旋線25W輸出功率時的溫度分布

圖9b、加工的94GHz螺旋線

圖9c、螺旋線加工過程

圖9d、裝配的94GHz螺旋線

近年來，正在加緊探索3D打印技術(shù)用于慢波結(jié)構(gòu)和行波管制造的可能性^[20，26]。可以看到行波管可以采用微加工制造，這是和微電子制造相同的地方。但是，它又有很多不同之處。鑄造和增材制造是真空電子器件所特有的。無論如何，最終的目的是要實現(xiàn)批量低成本制造。

III新原理的探索

按照DARPA基礎(chǔ)研究的目標(biāo)是要研制全新性能的真空電子器件。從滿足高速數(shù)據(jù)通信和有源相控陣雷達發(fā)展的角度看，尋找一種容易實現(xiàn)批量制造的慢波結(jié)構(gòu)和大電子注通道半徑是我們的近期目標(biāo)，實現(xiàn)納米真空溝道三極管也許是更遠一些的目標(biāo)^[27]。

文獻[28]給出了一種G波段相移行波管。這種慢波結(jié)構(gòu)分上下兩部分，兩者結(jié)構(gòu)完全一樣，安裝時相錯一個相位，中間留有帶狀電子注通道，結(jié)構(gòu)簡單，如圖10。文獻[29]給我們另一種采用光子帶隙的慢波結(jié)構(gòu)。圖11給出了雙縐折慢波結(jié)構(gòu)的尺寸；構(gòu)成光子帶隙方柱的尺寸和這種慢波結(jié)構(gòu)的示意圖。可以看到，用3D打印可以實現(xiàn)這種慢波結(jié)構(gòu)的制造。圖10是相移行波管慢波結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)過程。其中，圖10a是相移行波管慢波結(jié)構(gòu)示意圖；圖10b是相移行波管慢波結(jié)構(gòu)的三維造型；圖10c是一半電路的加工。

圖10、相移行波管慢波結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)過程

圖11a、0.641THz皺褶波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)和尺寸

圖11b、構(gòu)成光子帶隙方柱及有關(guān)尺寸

圖11c、光子帶隙皺褶波導(dǎo)示意圖

隨著工作頻率的提升，器件的輸出功率會降低。采用多電子注、帶狀注、和多器件集成仍然是我們需要探索的技術(shù)途徑，以提高器件的輸出功率。文獻[29]給出了單片集成的140GHz行波管陣列制造計劃。每個管子的輸出功率為50-100W。這種探索對于開拓行波管在有源相控陣雷達中的應(yīng)用是有益的。

 

圖12、上圖是單片集成的概念，包括電鑄的極靴和磁鐵；下圖是平面磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其很容易堆積成陣列

IV 結(jié)論

由于微波波段的擁擠，高速數(shù)據(jù)通信和有源相控陣雷達等應(yīng)用已經(jīng)對毫米波和太赫茲頻段提出需求。盡管5G通信目前還停留在微波波段，但很快將會發(fā)展到Ka波段，甚至E波段。真空電子器件是目前唯一能在E波段以上頻率提供大功率輸出的器件。加速毫米波和太赫茲頻域的發(fā)展，對加強國防和國民經(jīng)濟建設(shè)都具有重要的作用。

加速E波段以上頻域的發(fā)展，真空電子器件面臨三方面的研究任務(wù)：第一是新型太赫茲器件的研究與發(fā)展。因為在G波段及其以上頻率，器件的輸出功率還不是很高，需要尋找提高輸出功率的途徑；第二是要打造E和W波段低成本行波管批量制造的平臺。這是牽涉到真空電子器件能否應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。為此要簡化行波管結(jié)構(gòu)，適合于批量制造，還要找到智能制造方法；第三是進一步加強基礎(chǔ)研究，爭取基本原理上的突破，真正使真空電子、微電子、光電子融合為一體，推動信息技術(shù)的發(fā)展。

編者按：2018年10月10日廖復(fù)疆教授逝世。廖復(fù)疆教授一生從事行波管研制并關(guān)注真空電子學(xué)科的發(fā)展，直到生命最后一刻。本文是廖復(fù)疆教授逝世前發(fā)表的最后一篇文章，轉(zhuǎn)載以饗讀者，以志紀念。敬愛的廖總，一路走好。

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