胡銀富馮進(jìn)軍

（北京真空電子技術(shù)研究所微波電真空器件國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100015）

用于雷達(dá)的新型真空電子器件

胡銀富*馮進(jìn)軍

（北京真空電子技術(shù)研究所微波電真空器件國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100015）

真空電子器件在雷達(dá)的發(fā)展歷程中發(fā)揮了重要作用，是雷達(dá)系統(tǒng)的核心器件，兩者相輔相成、相互促進(jìn)。隨著設(shè)計(jì)仿真能力的不斷提升，以及新材料新工藝的出現(xiàn)，真空電子器件出現(xiàn)了一些新的發(fā)展動(dòng)向。器件性能不斷提升，也出現(xiàn)了一些新型真空電子器件，這都為新型雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了很好的器件支撐。該文從微波毫米波器件及功率模塊、集成真空電子器件、太赫茲、大功率和高功率5個(gè)方面介紹了真空電子器件新的發(fā)展趨勢(shì)以及所取得的最新研究成果。

真空電子器件；功率模塊；太赫茲；集成行波管；高功率微波

引用格式：胡銀富， 馮進(jìn)軍.用于雷達(dá)的新型真空電子器件［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)， 2016， 5（4）: 350-360.DOI: 10.12000/JR16078.

Reference format: Hu Yinfu and Feng Jinjun.New vacuum electronic devices for radar［J］.Journal of Radars，2016， 5（4）: 350-360.DOI: 10.12000/JR16078.

1 引言

真空電子器件作為大功率源，在雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、遙測(cè)遙控和精密制導(dǎo)等武器裝備中發(fā)揮了核心作用［1］。特別是雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，從誕生之日起便與真空電子器件的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起。雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著真空電子器件不斷進(jìn)步，而真空電子器件性能的提升以及新型真空電子器件的出現(xiàn)又會(huì)帶來(lái)新的雷達(dá)功能，甚至產(chǎn)生新的雷達(dá)體制。從上世紀(jì)8 0年代起，隨著分子束外延（Molecular Beam Epitaxy， MBE）和金屬有機(jī)化合物汽相淀積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition， MOCVD）等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的微波毫米波單片集成電路（Microwave Millimeter wave Monolithic Integrated Circuit， MIMIC）得到了快速發(fā)展［2］。特別是近十幾年來(lái)隨著以SiC，GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，真空電子器件在雷達(dá)系統(tǒng)中的作用被越來(lái)越忽視和低估。關(guān)于真空電子器件和固態(tài)器件的相互關(guān)系也在各種學(xué)術(shù)會(huì)議上不斷地被研究和討論［3］，在低頻率、低功率有源相控陣應(yīng)用的情況下，固態(tài)器件占據(jù)主導(dǎo)地位。但在大功率和高頻率情況下，真空電子器件將會(huì)具有更大的優(yōu)勢(shì)，并將長(zhǎng)期與固態(tài)器件并存和相互競(jìng)爭(zhēng)。隨著材料科學(xué)的發(fā)展、設(shè)計(jì)仿真能力的加強(qiáng)以及加工制造技術(shù)的進(jìn)步，真空電子器件將依然保持持續(xù)的繁榮和活力［4］。本文將結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，介紹真空電子器件新的發(fā)展趨勢(shì)以及目前相關(guān)器件所取得的最新研究進(jìn)展。

2 微波毫米波器件及功率模塊

微波功率模塊（Microwave Power Module，MPM）是美國(guó)國(guó)防部電子器件領(lǐng)導(dǎo)小組于1989年提出的一種新的功率器件概念［5］，其原理和內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 微波功率模塊框圖Fig.1 Block diagram of Microwave Power Module

圖2 微波功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of MPM

它集成了真空電子器件和固態(tài)器件兩者各自?xún)?yōu)點(diǎn)，代表了一種新的微波、毫米波放大器技術(shù)，它既可以用作單獨(dú)的發(fā)射源，也可用于多單元功率合成進(jìn)行組陣應(yīng)用。特別是隨著無(wú)人機(jī)的作用越來(lái)越凸顯，在體積、尺寸以及成本等方面具有很大優(yōu)勢(shì)的微波毫米波功率模塊的重要性也越來(lái)越顯著。其中著名的“捕食者”B型無(wú)人機(jī)中的合成孔徑/動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（Synthetic Aperture Radar/Ground Moving Target Indication， SAR/GMTI）雷達(dá)采用的就是dB-Control公司生產(chǎn)的功率模塊［6］。

采用行波管作為末級(jí)功放，可以得到比較高的效率，減小了熱負(fù)荷，而且可以在更高的環(huán)境溫度下有效工作。由于采用MMIC固態(tài)放大器分擔(dān)了部分增益，所以行波管的增益要求沒(méi)那么高，可以采用小型化行波管，減小了模塊體積和重量。另外由于采用了低噪聲MMIC固態(tài)放大器，與單獨(dú)行波管相比具有更低的噪聲水平。

目前美國(guó)的CPI， L-3， Northrop Grumman，Triton，法國(guó)的Thales，日本的NEC等多個(gè)公司都能提供比較齊全的小型化行波管和MPM系列產(chǎn)品。如Triton公司的小型化行波管產(chǎn)品覆蓋了2.0～32.5 GHz頻率范圍，連續(xù)波功率從50 W到200 W，并在2～6 GHz和6～18 GHz兩個(gè)頻率系列上提供連續(xù)波輸出功率50 W到100 W的MPM產(chǎn)品；CPI公司在2～6 GHz，2～8 GHz，4.5～11.0 GHz，6～18 GHz等系列上提供連續(xù)波50～100 W的MPM產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)雖然起步較晚，但也已經(jīng)初步掌握了MPM小型化行波管、微型EPC電源技術(shù)、MPM模塊集成等關(guān)鍵技術(shù)，具備了6～18 GHz 30～100 W連續(xù)波功率模塊研制能力［7］。

針對(duì)雷達(dá)應(yīng)用的脈沖功率模塊也得到了重視和快速發(fā)展。美國(guó)、日本等多個(gè)公司開(kāi)發(fā)了脈沖小型化行波管以及功率模塊［8］。典型的MPM可以在X或Ku頻段25%占空比的情況下提供小于150 W的輸出功率，用于小型的無(wú)人機(jī)合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)。針對(duì)更遠(yuǎn)探測(cè)距離的無(wú)人機(jī)雷達(dá)，美國(guó)L-3公司開(kāi)發(fā)了1000 W峰值功率脈沖MPM。工作脈寬80 ms，重復(fù)頻率1600 Hz，相位噪聲達(dá)到-110 dBc/Hz［9］。國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了X波段脈沖功率模塊的工作，所研制的小型化行波管功率大于500 W、帶寬2 GHz、占空比20%、效率35%［10］。

圖3所示為L(zhǎng)-3公司開(kāi)發(fā)的第1代Nano-MMPM，在Ka頻段可以輸出50 W以上功率，尺寸只有25 mm×76 mm×125 mm左右，重量小于1.2 kg［4］。L-3公司正在開(kāi)發(fā)的第2代Ka波段MMPM輸出功率提高一倍，達(dá)到100 W，效率達(dá)到33%以上［3］。日本NEC公司也開(kāi)發(fā)了Ka波段100 W脈沖MMPM［11］。

圖3 L-3公司研發(fā)的Ka頻段Nano-MPMFig.3 The Ka-band Nano-MPM developed by L-3

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所成功研制出Ka波段100 W和500 W行波管以及Ka波段100 W連續(xù)波MMPM。該MMPM帶寬2 GHz，增益大于39 dB，效率大于50%。模塊如圖4所示，整體尺寸為395 mm×220 mm×50 mm，重量＜5 kg，功率測(cè)試曲線(xiàn)如圖5所示［12，13］。

圖4 中電十二所開(kāi)發(fā)的Ka頻段100 W MMPMFig.4 Ka-band 100 W MMPM developed by CETC-12

圖5 100 W MMPM性能測(cè)試曲線(xiàn)Fig.5 Test results of Ka-band 100 W MMPM

短毫米波行波管近年來(lái)也漸趨成熟，并初步形成了相關(guān)的系列產(chǎn)品。美國(guó)L-3公司針對(duì)通訊開(kāi)發(fā)了E波段MPM，在5 GHz帶寬范圍內(nèi)功率大于200 W［14］。為W波段毫米波功率模塊所研制的W波段脈沖行波管。器件工作中心頻率為94 GHz，得到了大于100 W的脈沖輸出功率，工作帶寬大于4 GHz，外形尺寸為267 mm×66 mm×66 mm，重量?jī)H為2.3 kg［15］。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所也開(kāi)展了W波段脈沖和連續(xù)波兩種管型的研究。其中脈沖行波管在工作電壓和電流分別為22 kV，180 mA時(shí)，瞬時(shí)帶寬達(dá)到10 GHz，脈沖輸出功率大于100 W，全頻帶小信號(hào)增益大于40 dB；工作比為1%，流通率大于96%［16］。W波段連續(xù)波行波管已經(jīng)覆蓋了10 W， 30 W， 50 W等幾個(gè)不同功率量級(jí)的產(chǎn)品［17-19］。通過(guò)采用相速跳變的技術(shù)方案，大大提升了W波段折疊波導(dǎo)行波管的電子效率［20］，圖6所示為最新的功率和增益測(cè)試曲線(xiàn)。圖7為測(cè)試所得的總效率曲線(xiàn)。

目前正在上述W波段50 W連續(xù)波行波管的基礎(chǔ)上進(jìn)行W波段毫米波功率模塊的研制工作。

圖6 相速跳變W波段折疊波導(dǎo)行波管測(cè)試功率和增益Fig.6 The power and gain results of phase-tapered W-band folded waveguide TWT

圖7 W波段行波管總效率Fig.7 The global efficiency of W-band TWT

3 集成真空電子器件

有源相控陣系統(tǒng)通過(guò)電掃的方式實(shí)現(xiàn)波束掃描，靈活、快速，可以形成多個(gè)獨(dú)立的波束，具有多目標(biāo)、多功能的特點(diǎn)，已經(jīng)成為雷達(dá)發(fā)展的一個(gè)主流趨勢(shì)。由于行波管相比于固態(tài)器件在功率、帶寬、效率、散熱等方面均具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，如能將行波管應(yīng)用到有源相控陣系統(tǒng)上將很大程度上提高現(xiàn)有有源相控陣?yán)走_(dá)的性能。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在X波段（8～12 GHz）研制出了橫截面積只有12.5 mm×12.5 mm的小型化行波管，帶內(nèi)輸出功率84～93 W，效率35%，占空比20%，驗(yàn)證了行波管應(yīng)用到有源相控陣系統(tǒng)的可行性［21］。日本NEC等公司也研制出了有源相控陣系統(tǒng)應(yīng)用的X波段800 W脈沖小型化行波管，體積尺寸只有20 mm×20 mm×195 mm［22］。

國(guó)外這些研究工作都是基于常規(guī)單個(gè)行波管在工程上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，均未有工作機(jī)理上根本的創(chuàng)新。為了能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微型化、陣列化的行波管器件，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所在國(guó)際上首次提出了集成真空電子器件的概念。通過(guò)集成的方法使行波管進(jìn)一步微型化和陣列化，滿(mǎn)足相控陣天線(xiàn)對(duì)于末級(jí)功率放大器的尺寸要求。圖8所示為集成行波管的概念示意圖。它的基本原理是多束獨(dú)立的電子注在一個(gè)共用的永磁聚焦系統(tǒng)中傳輸。它們?cè)诟髯缘穆菪€(xiàn)內(nèi)進(jìn)行注波互作用。這種多路輸入、多路輸出的集成行波管共用同一電子槍、收集極，這樣可以使它的結(jié)構(gòu)更加緊湊。這種集成行波管在平均截面上可以減少50%。

圖8 集成行波管概念示意圖Fig.8 Schematic diagram of integrated TWT

中電十二所提出了集成行波管的概念并完成了Ku頻段三路集成行波管的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［23］。圖9所示為該集成行波管與性能相似行波管結(jié)構(gòu)對(duì)比，該集成行波管總的橫截面積約為289 mm2，平均每路所占用橫截面積小于100 mm2，約為常規(guī)行波管的1/3。三路性能參數(shù)如圖10所示，每路在14～16 GHz范圍內(nèi)得到了90 W以上輸出功率，電子注流通率大于96%［24］。

為解決現(xiàn)有行波管側(cè)向輸能結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速插拔結(jié)構(gòu)，正在開(kāi)展軸向輸能四路集成行波管的研制。圖11所示為利用OPERA軟件仿真的4注電子光學(xué)系統(tǒng)，在周期永磁聚焦系統(tǒng)中可以得到很好的電子注流通。圖12、圖13所示為4路集成行波管外形圖以及剖面圖。圖14所示為初步設(shè)想的2維陣面布局結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)單元間距小于15 mm左右。

圖9 三路集成行波管與常規(guī)行波管對(duì)比Fig.9 Three channels integrated TWT compared with traditional TWT

圖10 三路集成行波管測(cè)試功率曲線(xiàn)Fig.10 Tested power curve of three channels integrated TWT

圖11 四路集成行波管電子軌跡Fig.11 Beam trajectories of four channels integrated TWT

該結(jié)構(gòu)集成行波管可以解決常規(guī)行波管體積尺寸過(guò)大無(wú)法應(yīng)用于2維密集陣面的難題，能夠極大提升行波管的集成度和功率密度。非常適合應(yīng)用于微波和毫米波頻段中、大功率有源相控陣系統(tǒng)。為了能真正應(yīng)用于有源相控陣系統(tǒng)，除了上述高流通率多注電子光學(xué)技術(shù)、軸向輸能技術(shù)，還需進(jìn)一步解決以下一些關(guān)鍵技術(shù)：（1）集成行波管高效散熱技術(shù)；（2）批量制造工藝技術(shù)；（3）集成行波管TR模塊集成技術(shù)等。

圖12 四路軸向輸出行波管外形結(jié)構(gòu)Fig.12 The contour of four channels integrated TWT with axial input and output

圖13 四路集成行波管剖面圖Fig.13 The cross section view of four channels integrated TWT

圖14 基于四路集成行波管的2維陣面布局Fig.14 The layout of two-dimensional array with four channels integrated TWT

在集成行波管的基礎(chǔ)之上可以構(gòu)建全集成行波管TR模塊，原理框圖如圖15所示。該模塊集成了功率分配網(wǎng)絡(luò)、移相器、前級(jí)固態(tài)放大器、集成行波管末級(jí)功放、環(huán)行器以及開(kāi)關(guān)、限幅器、低噪聲放大器等構(gòu)成的接收通道。1個(gè)模塊可以包含1個(gè)或多個(gè)四路集成行波管，通過(guò)1路高壓電源對(duì)模塊中所有集成行波管放大通道進(jìn)行集中供電。

4 太赫茲真空電子器件

太赫茲波由于具有頻率高、寬帶寬、波束窄等特點(diǎn)，使得其在雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。頻率高意味著具有較高的多普勒帶寬，具有良好的多普勒分辨力，測(cè)速精度更高；由于太赫茲波對(duì)目標(biāo)形狀細(xì)節(jié)敏感，因而具有很好的反隱身功能；在相同天線(xiàn)孔徑下，太赫茲波束更窄，具有極高的空間分辨力，跟蹤精度高；另外由于太赫茲波具有穿透云層、煙霧、沙塵實(shí)現(xiàn)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的高分辨率和高幀率偵察，使得“視頻合成孔徑雷達(dá)（ViSAR）”有望取代現(xiàn)有的光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)視頻SAR成像［25］。但上述相關(guān)太赫茲雷達(dá)的應(yīng)用能否實(shí)用最為關(guān)鍵的是大功率太赫茲真空電子器件所能達(dá)到的性能參數(shù)。

根據(jù)縮尺原理，當(dāng)工作頻率進(jìn)入到太赫茲頻段，傳統(tǒng)機(jī)械加工能力已經(jīng)很難滿(mǎn)足真空電子器件結(jié)構(gòu)尺寸和加工精度的要求。但隨著MEMS微細(xì)加工工藝的引入，真空電子器件正在大功率太赫茲輻射源方面表現(xiàn)出巨大的潛力。與半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝不同的是，真空電子器件結(jié)構(gòu)的寬高比并不是非常大，但是絕對(duì)深度很深，這也導(dǎo)致真空電子器件所需要的微細(xì)加工工藝有著自己的特殊性和難點(diǎn)［26］。常用的微加工技術(shù)有X射線(xiàn)光刻、電鍍和鑄造（Lithographie， Galanoformung， Abformung，LIGA）、紫外 LIGA（Ultra Violet-LIGA， UVLIGA）和深反應(yīng)離子離子蝕刻（Deep ReactiveIon Etching， DRIE）技術(shù)。相比X射線(xiàn) LIGA的昂貴以及長(zhǎng)時(shí)間等待X射線(xiàn)設(shè)備的耗時(shí)，使用 SU-8 和KMPR 的 UV-LIGA 可在一到兩周內(nèi)完成，過(guò)程包括曝光、電鑄、研磨和去膠等。利用硅晶片的DRIE是在體硅加工的結(jié)構(gòu)上再鍍上一層金屬膜，構(gòu)成金屬波導(dǎo)，在結(jié)構(gòu)成型方面更為容易控制，但存在散熱特性差，薄膜容易脫落等問(wèn)題。

圖15 基于集成行波管的全集成TR模塊框圖Fig.15 Block diagram of integrated TR module based on integrated TWT

根據(jù)不同工作原理，太赫茲真空電子器件主要分為振蕩器和放大器。振蕩器包括返波振蕩器，正反饋振蕩器，止帶振蕩器等，放大器主要包括行波管、擴(kuò)展互作用速調(diào)管、回旋行波管等。

返波振蕩器由于具有快速電調(diào)諧實(shí)現(xiàn)頻率掃描的功能，是一種廣泛使用的實(shí)用化真空電子器件類(lèi)型。近年來(lái)在太赫茲成像［27，28］以及波譜方面［29］得到了大量應(yīng)用。返波管目前工作頻率最高能夠達(dá)到1 THz，連續(xù)波輸出功率約1 mW左右。為了進(jìn)一步提高功率，相繼提出了利用傾斜電子注互作用的斜注管［30］以及開(kāi)放諧振腔互作用的奧羅管［31］等新型返波管器件。

目前返波振蕩器件所能達(dá)到的主要性能參數(shù)如圖16所示［32］。

圖16 返波管性能參數(shù)Fig.16 The performance of BWOs

Northrop Grumann（諾格）公司在2008年第1次利用折疊波導(dǎo)行波管實(shí)現(xiàn)了正反饋振蕩器，在656 GHz處得到50 mW的輸出功率［33］。利用折疊波導(dǎo)帶邊耦合阻抗高，較易發(fā)生止帶振蕩的特性，可能在單個(gè)頻點(diǎn)得到較大的功率輸出。文獻(xiàn)［34］利用W波段行波管的折疊波導(dǎo)電路研制了止帶振蕩器，在124.4 GHz附近得到了最大32.5 W的輸出功率。

得益于微細(xì)加工工藝的漸趨成熟以及太赫茲固態(tài)源的進(jìn)步給測(cè)試帶來(lái)的便利，太赫茲行波管的性能參數(shù)在最近五年取得了巨大的進(jìn)步。

美國(guó)通過(guò)HIFIVE計(jì)劃支持了220 GHz行波管的研制，目標(biāo)是在G波段10 GHz帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)50 W的功率輸出。該器件正是應(yīng)用于前文所述目前美國(guó)DARPAR正在資助的視頻合成孔徑雷達(dá)。諾格公司在2013年成功研制出了220 GHz的折疊波導(dǎo)行波管功率放大器。器件結(jié)構(gòu)如圖17和圖18所示。它采用5個(gè)圓形電子注并行排列，各電子注獨(dú)立通過(guò)5個(gè)折疊波導(dǎo)高頻電路，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)金剛石輸能窗分成5路，分別進(jìn)入5路折疊波導(dǎo)高頻電路進(jìn)行互作用，最后將放大的信號(hào)在波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行合成。折疊波導(dǎo)高頻電路采用深反應(yīng)離子刻蝕微加工工藝進(jìn)行加工，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微細(xì)加工所能達(dá)到的加工精度和表面粗糙度可以滿(mǎn)足220 GHz行波管放大器的研制需求。該放大器采用5注并行排列的結(jié)構(gòu)，主要目的是為了降低陰極發(fā)射電流密度，它采用Semicon公司的M型陰極，陰極發(fā)射電流密度達(dá)到25 A/cm2。測(cè)試結(jié)果表明，最大輸出功率在214 GHz處達(dá)到55.5 W。但該5注高頻電路采用的是DRIE加工工藝，由于硅片散熱極差，所以只是在0.1%的占空比下進(jìn)行了測(cè)試，最終該器件由于陰極熱絲失效而損壞［35］。

圖17 諾格公司220 GHz行波管外形結(jié)構(gòu)Fig.17 The view of 220 GHz TWT from Northrop Grumman

圖18 220 GHz行波管內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局Fig.18 The layout of 220 GHz TWT

國(guó)內(nèi)中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所以及中國(guó)工程物理研究院都開(kāi)展了220 GHz行波管的研究工作。中物院的樣管工作電壓14.6 kV，工作電流9 mA，最大輸出功率達(dá)到了252 mW［36］。中電十二所設(shè)計(jì)目標(biāo)是工作電壓22 kV，設(shè)計(jì)電流50 mA，輸出功率10 W［37］。目前已經(jīng)攻克折疊波導(dǎo)微細(xì)加工，強(qiáng)流細(xì)束電子光學(xué)系統(tǒng)，寬帶輸能窗等一系列關(guān)鍵技術(shù)［38］，所研制樣管測(cè)試系統(tǒng)照片如圖19所示。

圖19 中電十二所220 GHz行波管測(cè)試照片F(xiàn)ig.19 Hot test system of 220 GHz TWT from CETC-12

最新測(cè)試結(jié)果表明，電子注通過(guò)高頻電流已經(jīng)達(dá)到53 mA，流通率大于75%。在208 GHz附近得到放大輸出功率最大5.6 W。在工作電壓24 kV時(shí)，帶內(nèi)增益過(guò)大發(fā)生自激振蕩，最大振蕩功率達(dá)到22 W，振蕩頻率212 GHz。目前正在針對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

諾格公司研制的233 GHz行波管在2016年取得較好的進(jìn)展［39］。該行波管外形結(jié)構(gòu)如圖20所示，精密加工折疊波導(dǎo)高頻電路如圖21所示。該行波管通過(guò)永磁透鏡對(duì)電子注進(jìn)行聚焦。采用傳統(tǒng)Pierce電子槍結(jié)構(gòu)，工作電壓20 kV，電流110 mA，電子注流通率達(dá)到95～98%。行波管測(cè)試輸出功率，在2.4 GHz帶寬范圍內(nèi)輸出功率大于50 W。

太赫茲電子學(xué)計(jì)劃（THZ-E）支持了0.85 THz行波管放大器在2015年完成了樣管研制。測(cè)試表明電子注流通率44%，在0.85 THz處得到39.4 mW的功率，瞬時(shí)帶寬11 GHz。不同陰極電壓下輸出功率曲線(xiàn)如圖22所示［40］。

圖20 諾格公司233 GHz行波管外形結(jié)構(gòu)圖Fig.20 The layout of 233 GHz TWT from Northrop Grumman

圖21 精密加工折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)Fig.21 Precision-milled FWG circuit

圖22 0.85 THz行波管輸出功率Fig.22 Output power of 0.85 THz TWT

諾格公司在2016年還首次將行波管工作頻率提高到1 THz［41］。該行波管采用深反應(yīng)離子刻蝕加工的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，在表面電鍍銅以降低太赫茲波的傳輸損耗，折疊波導(dǎo)電路如圖23所示。利用VDI公司的倍頻源作為行波管的激勵(lì)，測(cè)試圖如圖24所示。固態(tài)倍頻源最大輸出功率0.7 mW。工作電壓12 kV時(shí)電子注流通率約為57%。測(cè)試功率曲線(xiàn)如圖25所示，可見(jiàn)在1.03 THz輸出功率29 mW，在0.642 THz處最大259 mW。最大工作占空比達(dá)到0.3%，脈寬30 ms。

圖23 兩步深反應(yīng)離子刻蝕加工的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)Fig.23 The folded waveguide structure fabricated by two-step DRIE

圖24 1.03 THz行波管測(cè)試照片F(xiàn)ig.24 Hot test system layout of 1.03 THz TWT

圖25 1.03 THz行波管測(cè)試曲線(xiàn)Fig.25 The test result of 1.03 THz TWT

MEMS微細(xì)加工工藝在真空電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用給真空電子器件的制造工藝以及性能參數(shù)帶來(lái)了一個(gè)全新的變革。從現(xiàn)在已經(jīng)取得的進(jìn)展來(lái)看，真空電子器件的工作頻率已經(jīng)覆蓋到1 THz以上，并且表現(xiàn)出了比其他光學(xué)和固態(tài)電子等器件大得多的功率輸出潛力。為了進(jìn)一步促進(jìn)太赫茲頻段各類(lèi)應(yīng)用的研究的進(jìn)步和實(shí)用化，真空電子器件將會(huì)進(jìn)一步在性能提升，微加工、微組裝、批量制造工藝，與固態(tài)電路及電源集成的太赫茲功率模塊等方向快速發(fā)展。

5 大功率真空電子器件

大功率是真空電子器件的一個(gè)重要特點(diǎn)。在雷達(dá)上應(yīng)用的大功率真空電子器件主要包括大功率行波管、速調(diào)管、回旋行波管以及前向波放大器等。這些大功率器件一方面可以構(gòu)成單獨(dú)的發(fā)射機(jī)在雷達(dá)上應(yīng)用，另一方面可以作為子陣式發(fā)射機(jī)在無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)上應(yīng)用。相比于全固態(tài)的有源相控陣?yán)走_(dá)，基于大功率真空電子器件的無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，成本低的優(yōu)勢(shì)。

大功率行波管一般具有上百千瓦的功率，存在散熱、聚焦、振蕩抑制、打火等一系列技術(shù)難題。美國(guó)CPI公司為代表的國(guó)外企業(yè)在各微波頻段都有大功率行波管的產(chǎn)品。S波段以VTS-5753為代表，峰值功率170 kW，工作比16%。國(guó)內(nèi)中電十二所在X波段大功率行波管方面做了大量工作，曾成功研制出了120 kW行波管［42］。

前向波放大管（CFA）具有工作電壓低、效率高、瞬時(shí)帶寬較寬等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在各種多功能無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)上。如美國(guó)宙斯盾（AGEIS）、愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈系統(tǒng)中應(yīng)用的AN/SPY-1無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)等，其發(fā)射單元含有兩組各32個(gè)SFD-261前向波放大器，輸出功率125 kW。國(guó)內(nèi)中電十二所在大功率前向波放大管方面具有豐富的研制經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出了S波段脈沖250 kW，平均功率20 kW的前向波放大管［43］。

速調(diào)管作為一種大功率真空電子器件，在大型科學(xué)裝置、廣播通信系統(tǒng)、導(dǎo)航雷達(dá)、氣象雷達(dá)、深空探測(cè)雷達(dá)等方面都有著重要的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外一些主要速調(diào)管產(chǎn)品參數(shù)讀者可參閱文獻(xiàn)［44，45］。

回旋行波管是另外一種大功率器件，在毫米波頻段能得到峰值功率百千瓦量級(jí)。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功的回旋速調(diào)放大器，它的平均功率為10 kW，是W-band（56～100 GHz）放大器的最高紀(jì)錄?，F(xiàn)正使用于該所裝設(shè)的WARLOC（W-band Advanced Radar for Low Observable Control）雷達(dá)站［46］。為了進(jìn)行深空探測(cè)小的宇宙碎片，除了需要高功率及高頻率之外，還要寬頻帶，回旋行波放大器則可提供足夠頻寬。由美國(guó)所研發(fā)的回旋行波放大器［47］，其頻寬達(dá)8.6%。國(guó)內(nèi)中電十二所所研制的W波段回旋行波管得到了最大飽和輸出功率110 kW， 6 GHz帶寬范圍內(nèi)功率大于60 kW［48］，整管外形如圖26所示。

圖26 中電十二所研制的W波段回旋行波管Fig.26 W-band gyro-TWT from CETC-12

6 高功率真空電子器件

隨著裝備信息系統(tǒng)向著一體化、集成化、多功能的方向發(fā)展，具有偵察能力的雷達(dá)系統(tǒng)和具有電磁打擊能力的高功率系統(tǒng)將會(huì)更緊密的結(jié)合。這給高功率真空電子器件的應(yīng)用帶來(lái)了新的機(jī)遇。傳統(tǒng)的高功率微波是指功率超過(guò)100 MW，頻率在1～300 GHz之內(nèi)的電磁波。主要用于高功率微波武器、超級(jí)干擾機(jī)、高功率雷達(dá)等。這些高功率真空電子器件大致可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是相對(duì)論器件，如相對(duì)論速調(diào)管、相對(duì)論磁控管、相對(duì)論返波管、磁絕緣線(xiàn)振蕩器等；另一類(lèi)是非相對(duì)論器件，如回旋振蕩管、虛陰極振蕩器、多波切倫科夫振蕩器等。

其中相對(duì)論磁控管可以較為容易地獲得GW量級(jí)的輸出功率和kHz量級(jí)的重復(fù)頻率。其中俄羅斯托姆斯克研究所最高得到了10 GW的輸出功率。國(guó)內(nèi)電子科技大學(xué)在2.65 GHz處得到了0.43 GW的輸出功率［49］，中電十二所也開(kāi)展了相對(duì)論磁控管的關(guān)鍵技術(shù)研究。相對(duì)論返波管也是一種重要的器件類(lèi)型，國(guó)內(nèi)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)和西北核技術(shù)研究所進(jìn)行了大量的研究工作，分別最大得到了1.05 GW 和2.5 GW的輸出功率。磁絕緣線(xiàn)振蕩器（Magnetic Insulation Line Oscillator， MILO）是一種典型的GW級(jí)低阻抗的高功率微波器件，也被認(rèn)為有可能是美國(guó)CHAMP導(dǎo)彈所使用的器件類(lèi)型［50］。它利用高功率傳輸線(xiàn)的自磁場(chǎng)使陰極發(fā)射的電子不能直接越過(guò)間隙，它的一個(gè)實(shí)用特點(diǎn)是它不需要外加磁場(chǎng)，這樣就省去了相關(guān)的線(xiàn)圈電源和冷卻系統(tǒng)，使得該器件可以做的比較緊湊，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。關(guān)于高功率真空電子器件比較全面的介紹讀者可以參考文獻(xiàn)［51，52］。

7 總結(jié)及展望

本文針對(duì)雷達(dá)應(yīng)用的新型真空電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了闡述，介紹了相關(guān)器件的最新研究進(jìn)展。隨著設(shè)計(jì)仿真能力的加強(qiáng)、新型材料的出現(xiàn)以及加工制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，真空電子器件性能不斷提升，新型器件不斷涌現(xiàn)，將會(huì)在未來(lái)新型雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

真空電子器件主要發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾點(diǎn)：（1）微波毫米波中小功率行波管器件將不斷向微型化、集成陣列化、模塊化方向發(fā)展，以適應(yīng)無(wú)人機(jī)平臺(tái)雷達(dá)以及有源相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展需求；（2）MEMS微細(xì)加工工藝的全面引入將使得真空電子器件完全改變傳統(tǒng)的加工制造工藝，使得器件工作頻率進(jìn)入到太赫茲頻段，現(xiàn)有器件最高已經(jīng)達(dá)到1 THz，可以為太赫茲雷達(dá)提供大功率輻射源；（3）大功率真空電子器件性能進(jìn)一步提升，為低成本無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展提供了器件支撐，工作頻率已經(jīng)進(jìn)入到W波段，為遠(yuǎn)距離成像雷達(dá)和宇宙碎片探測(cè)雷達(dá)奠定了器件基礎(chǔ)；（4）高功率真空電子器件的研究將會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)，固態(tài)和真空器件相互補(bǔ)充，有望在察打一體化雷達(dá)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

真空電子技術(shù)在雷達(dá)探測(cè)技術(shù)發(fā)展的歷史上曾經(jīng)發(fā)揮了重要作用，隨著專(zhuān)業(yè)技術(shù)本身的持續(xù)進(jìn)步并不斷與固態(tài)電子和光電子進(jìn)一步融合，將會(huì)有更多新型器件和新型應(yīng)用場(chǎng)景出現(xiàn)。我們應(yīng)該重視真空電子技術(shù)的專(zhuān)業(yè)發(fā)展，保持軟硬件的持續(xù)投入，特別是加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)和保留。

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胡銀富（1982-），安徽旌德人，男，博士，IEEE北京分會(huì)會(huì)員招募委員會(huì)主席。主要研究方向?yàn)楹撩撞?太赫茲真空電子器件、集成真空電子器件等，在國(guó)內(nèi)外期刊及學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文40余篇。E-mail: huyinfu@hotmail.com

馮進(jìn)軍（1966-），男，山西運(yùn)城人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，IET Fellow，主要研究方向?yàn)楹撩撞?太赫茲真空功率器件、真空微納電子器件、微波管CAD、高功率回旋器件等，在國(guó)內(nèi)外期刊和學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表文章300余篇。E-mail: fengjinjun@tsinghua.org.cn

New Vacuum Electronic Devices for Radar

Hu Yinfu Feng Jinjun
（Beijing Vacuum Electronics Research Institute， National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Electronics， Beijing 100015， China）

Vacuum Electronic Devices （VEDs） which are considered as the heart of a radar system， play an important role in their development.VEDs and radar systems supplement and promote each other.Some new trends in VEDs have been observed with advancements in the simulation tools for designing VEDs， new materials， new fabrication techniques.Recently， the performance of VEDs has greatly improved.In addition，new devices have been invented， which have laid the foundation for the developments of radar detection technology.This study introduces the recent development trends and research results of VEDs from microwave and millimeter wave devices and power modules， integrated VEDs， terahertz VEDs， and high power VEDs.

Vacuum Electronic Devices （VEDs）； Power module； Terahertz； Integrated traveling wave tube；High power microwave

The National Ministries Foundation

TN124

A

2095-283X（2016）04-0350-11

10.12000/JR16078

2016-06-02；改回日期：2016-07-18；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-08-18

胡銀富 huyinfu@hotmail.com

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