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加速发展的毫米波/太赫兹频域（一）

2020.10.13

由于微波频段的拥挤，近年来国内外信息技术界都更加关注毫米波和太赫兹频域的利用和发展^[1-3]。毫米波频域的应用可追朔到上世纪70年代，美国Milstar通信卫星正式使用Ka波段毫米波技术，使毫米波技术应用取得突破。近年来，高速数据通信和5G移动通信的发展，要求更高的工作频率和更宽的频带宽度。促使我们开辟从Ka波段到太赫兹频段整个毫米波到亚毫米波频域。随着频率的升高，电磁波的传输损耗也在增加。图1给出了300GHz频率以下电磁波的衰减情况。可以看到,除了高峰值的衰减之外，有的地方大气窗口的衰减也可以达到1dB以下。

图1、300GHz以下频率电磁波在不同地点大气中的衰减情况

美国海军实验室研制的W波段大孔径无线电定位器（WARLOC）,雷达发射机使用了回旋速调管放大器，输出峰值功率100kW,平均功率10kW,瞬时带宽600MHz。位于林肯空间观察室的Haystack超宽带卫星成像雷达（HUSIR）就是依托WARLOC雷达组建而成的。其主要作用是观察空间的卫星碎片，观察距离可以达到上千公里。事实上,新型成像雷达技术的发展,要求雷达工作在太赫兹频域^[4]，其成像速率可以达到30帧/秒，图像的分辨率也得到极大提高。美海军实验室又研制出W波段脉冲输出功率大于7.5kW的分布作用速调管^[5]，可以作为该波段雷达应用。太赫兹频谱在ViSAR雷达中的应用，将会改变战场的侦察态势。太赫兹雷达在精确制导、精密气象探测、防撞、障碍物探测、安全检测等方面的应用也在发展^[6]。

2016年11月25日DARPA报道，测试了100Gb/s通信能力，范围是空-空距离200km，空-地距离100km; 100Gb/s通信速率的突破将给国防和国民经济带来重大影响。这项试验是利用70GHz输出功率100W的行波管完成的，因为至今固态器件尚未能在70GHz提供20W CW功率输出。DARPA正在构建100Gb/s高速射频骨干网，为200km距离和100km高度的设备之间提供高速通信能力。

5G通信是移动通信系统发展的前沿^[7]。美国和欧洲正在部署和发展用于5G点对点、点对多点通信干线的E波段行波管放大器^[8-13]制造。鉴于中国的城市化率没有西方的高，我国广大城市郊区、农村和边远地区还占有很大比例。因此在发展E波段通信行波管的同时，还应当发展Ka、Q、V波段通信行波管。

正是这些有源相控阵雷达、高速数据通信和5G(甚至6G)移动通信技术的发展，促进了毫米波和太赫兹频域的开拓。首先遇到的是功率放大器的发展。太赫兹频域是介于光波和微波之间的频域。从光波产生太赫兹功率源的方法是通过两束不同波长激光源的差频来实现。这种方法很难获得大的功率输出。而半导体在E波段产生大功率输出已十分困难。唯有真空电子器件，在太赫兹频段可以获得较大的功率输出^[1,13]。目前在E、W波段都可以获得100W以上的脉冲功率输出，在G波段也可以获得50W脉冲功率输出^[14]。在1THz可以获得29毫瓦功率输出^[15]。即使如此，我们还在探索如何在太赫兹频率获得更大的功率输出。表1是诺斯罗普-格鲁曼公司研制的THz放大器一览表。图2是THz放大器微加工慢波电路。

表1、诺斯罗普-格鲁曼公司研制的THz放大器

图2、THz功率放大器微加工慢波电路

2015年，DARPA发布了两项基础研究计划。一项是INVEST,另一项是HAVOC^[16^，17]。这两项基础研究计划都是从根本上开发出一种全新的真空功率放大器，有较大的功率输出，可以低成本批量制造，不是工艺品式的实验室产品，是规模制造产品。从这几年探索来看，获得大功率输出的途径并没有出现新的突破，仍然在尝试加大电压的相对论电子学方法、多电子注和带状注方法、以及集成制造方法等。但是在3D打印和新型慢波结构方面做了很好的探索^[18-21]。

本文的目的是进一步确认毫米波/太赫兹频域对于信息技术发展的重要作用; 讨论加速开拓毫米波/太赫兹频域的技术途径, 特别是结合真空电子器件的发展, 讨论器件和应用相互促进的可能性;讨论新型器件的发展, 对信息处理技术发展的重要作用。

I. 太赫兹功率放大器技术发展

太赫兹功率放大器是支撑太赫兹频域发展的核心器件。近十年来，真空电子和半导体器件都在太赫兹频域发展新型器件，这两种器件的不同之处在于，真空电子器件具有大功率输出能力，但它的制造技术仍然是单管制造，未实现批量制造；半导体器件在毫米波和太赫兹频段都难以获得大功率输出，只能通过功率合成达到瓦级功率输出^[22]，但它可以实现批量制造。

为了满足70GHz 5G移动通信技术发展的需要,近年来发展了一系列E波段通信用行波管^[8-13]。图3是L-3公司制造的E波段MPM照片，图4是相应的参数。该器件脉冲输出功率为100W。在空中高速数据通信试验中，获得了100Gb/s的通信速率。图5是诺斯罗普公司研制的G波段（233GHz）行波管照片、采用的电路和50W输出功率-带宽曲线，其带宽还可以再扩大。图6是中国电科第12研究所研制的W波段行波管照片和大于100W脉冲输出功率随频率的变化情况^[23]。随着工作频率的提高，输出功率会进一步降低。