加速发展的毫米波/太赫兹频域（二）
II 微加工制造技术
真空电子器件最大的问题是手工制造和对中，尚未实现批量制造技术。要实现毫米波和太赫兹频段的开拓，必须解决真空电子器件的批量制造问题。真空电子器件在历史发展上，本来就属于批量制造产品，否则它也不可能在上世纪构建完整的信息社会。当时的小型化三、四极管都是年产几千万支的产品。显示器件（CRT）也是年产四千多万台的批量制造产品。今天的微波炉磁控管年产量达到四千多万支，成本很低，保证了全球对微波炉的需求。
实现批量制造，需要从几方面入手：首先是器件结构的简化。微波炉磁控管从复杂的结构简化到批量制造结构，从谐振腔结构到阴极处理都发生了很大的变化。那么，工作在太赫兹频段的行波管，其结构也要发生变化，有利于微加工和自动对中技术的实现；其次是加工制造技术。微加工是当前电子器件发展的主流，真空电子也不能例外，必须采用微加工制造，才能实现微型化和组件化；美国海军实验室和Teraphysics公司在这方面做了很好的探索[24-25]。表2是海军实验室G波段行波管参数。图7是所采用的慢波电路加工过程。第一步是在金属基片上涂满光刻胶；第二步刻蚀出折叠波导的芯子；第三步铸铜；第四步放置电子注通道的介质线；第五步刻蚀上半部折叠波导芯子；第六步再铸铜，去除光刻胶芯子，加盖板，形成慢波结构。图8是采用3D打印完成的折叠波导慢波电路[20]。所不同的是折叠波导芯子和铸铜过程，都由3D打印过程代替。这里加工的仅仅是慢波结构，尚未牵涉到整管装配。图9是Teraphysics公司制造的94GHz螺旋线行波管的过程[25]。该公司称，这是对螺旋线的再发明。因为螺旋线过去只能用到60GHz。现在可以将螺旋线用到1THz。螺旋线的加工是用微加工实现的，其一致性和批量制造技术都是很好的。但是，整管的装配仍然存在对中精度问题，需要进一步解决。
表2、G波段行波管的有关参数
图7、G波段行波管慢波结构加工过程
图8a、在铜基片上合成塑料3D打印的电路真空芯子
图8b、3D打印模型去除后铸铜的蛇形慢波电路
图8c、3D打印模型去除后铸铜的慢波电路
图9a、Ansys模拟94GHz螺旋线25W输出功率时的温度分布
图9b、加工的94GHz螺旋线
图9c、螺旋线加工过程
图9d、装配的94GHz螺旋线
近年来，正在加紧探索3D打印技术用于慢波结构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，这是和微电子制造相同的地方。但是，它又有很多不同之处。铸造和增材制造是真空电子器件所特有的。无论如何，最终的目的是要实现批量低成本制造。
III新原理的探索
按照DARPA基础研究的目标是要研制全新性能的真空电子器件。从满足高速数据通信和有源相控阵雷达发展的角度看，寻找一种容易实现批量制造的慢波结构和大电子注通道半径是我们的近期目标，实现纳米真空沟道三极管也许是更远一些的目标[27]。
文献[28]给出了一种G波段相移行波管。这种慢波结构分上下两部分，两者结构完全一样，安装时相错一个相位，中间留有带状电子注通道，结构简单，如图10。文献[29]给我们另一种采用光子带隙的慢波结构。图11给出了双绉折慢波结构的尺寸；构成光子带隙方柱的尺寸和这种慢波结构的示意图。可以看到，用3D打印可以实现这种慢波结构的制造。图10是相移行波管慢波结构的实现过程。其中，图10a是相移行波管慢波结构示意图；图10b是相移行波管慢波结构的三维造型；图10c是一半电路的加工。
图10、相移行波管慢波结构的实现过程
图11a、0.641THz皱褶波导慢波结构和尺寸
图11b、构成光子带隙方柱及有关尺寸
图11c、光子带隙皱褶波导示意图
随着工作频率的提升，器件的输出功率会降低。采用多电子注、带状注、和多器件集成仍然是我们需要探索的技术途径，以提高器件的输出功率。文献[29]给出了单片集成的140GHz行波管阵列制造计划。每个管子的输出功率为50-100W。这种探索对于开拓行波管在有源相控阵雷达中的应用是有益的。
图12、上图是单片集成的概念，包括电铸的极靴和磁铁；下图是平面磁系统结构，使其很容易堆积成阵列
IV 结论
由于微波波段的拥挤，高速数据通信和有源相控阵雷达等应用已经对毫米波和太赫兹频段提出需求。尽管5G通信目前还停留在微波波段，但很快将会发展到Ka波段，甚至E波段。真空电子器件是目前唯一能在E波段以上频率提供大功率输出的器件。加速毫米波和太赫兹频域的发展，对加强国防和国民经济建设都具有重要的作用。
加速E波段以上频域的发展，真空电子器件面临三方面的研究任务：第一是新型太赫兹器件的研究与发展。因为在G波段及其以上频率，器件的输出功率还不是很高，需要寻找提高输出功率的途径；第二是要打造E和W波段低成本行波管批量制造的平台。这是牵涉到真空电子器件能否应用于高速数据通信系统和5G移动通信系统的关键所在。为此要简化行波管结构，适合于批量制造，还要找到智能制造方法；第三是进一步加强基础研究，争取基本原理上的突破，真正使真空电子、微电子、光电子融合为一体，推动信息技术的发展。
编者按：2018年10月10日廖复疆教授逝世。廖复疆教授一生从事行波管研制并关注真空电子学科的发展，直到生命最后一刻。本文是廖复疆教授逝世前发表的最后一篇文章，转载以飨读者，以志纪念。敬爱的廖总，一路走好。
参考文献
[1]MarkJ. Rosker and H. Bruce Wallace, “Vacuum Electronics and the World Above 100GHz”, IVEC2008, PL.3.
[2]H.Bruce Wallace, “Revisiting the World Above 100 GHz: What Has Changed in SixYears”, IVEC2014, P.5.
[3]廖复疆，“真空电子器件在100GHz以上频域的应用”，真空电子技术，2011年第5期，10月23日，第50-53页.
[4]Christopher
A.Schuetz, Charles Harrity, GarrettJ. Schneider, Janusz Murakowski,
Shouyuan Shi, Joseph Deroba, and Dennis W.Prather, “A Promising Outlook
for ImagingRadar,” IEEE Microwave Magazine, May2018, pp.91-101.
[5]J.
Pasour, E. Wright, K. T. Nguyen, A. Balkcum,F. N. Wood, R. E. Myers, B.
Levush, “Demonstration of aMultikilowatt,Solenoidally Focused Sheet
Beam Amplifier at 94 GHz”, IEEE Trans.on ED, VOL. 61, NO. 6,
pp.1630-1636, June 2014.
[6]廖复疆，“超小型器件和微波功率模块的发展，”真空电子技术，2018年第一期，第1-9页.
[7]W.
Roh, J. Y. Seol, J. H. Park, B. K.Kyungwhoon,“Millimeter-Wave Beam
-forming as an EnablingTechnology for 5G Cellular Communications:
Theoretical Feasibility andPrototype Results,”IEEE Communication
Magazine, February 2014,pp.106-113.
[8]N. Ayllon, P. Angeletti, M.
Ludwig, R. Dioniso, “An overview of European Spaceborne Vacuum
TubeAmplifiers and System Needs,”IEEE IVEC2017 Proceedings, session:
Space TWTs.
[9]A. N. Vlasov, J. C. Rodgers, J. A. Pasour
et.al.,“Design of Low Voltage Folded Waveguide MultipleBeam
mini-TWTs”IEEE IVEC2017 Proceedings, Session TWTs .
[10]C. K. Chong,
D. A. Layman, W. L. McGeary, et.al., “L-3 Technologies EDD Q/V-Band
Helix TWT for FutureHigh-Data-Rate Communications Uplink
Applications,”IEEE IVEC2017Proceedings, Session Helix TWT.
[11]F.
Andre, S. Kohler, V. Krozer, et. al.,“Fabricion of W-band TWT for 5G
small cells backhaul,” IEEE IVEC2017 Proceedings, Session Design ofmm
wave Vacuum Devices.
[12]X. Li, X. Huang, R. Letizia, C. Paoloni,
“71-76GHz Traveling Wave Tube for High Data Rate Satellite
Communication,” IEEE IVEC2017Proceedings, Session Design of mm-wave
Vacuum Devices.
[13]Richard Kowalczyk, Andrew Zubyk, Clark
Meadows,Tom Schoemehl, Richard True, Mike Martin, Mark Kirshner, Carter
Armstrong,“High Efficiency E-Band MPM for Communications Applications”,
IVEC2016Proceedings, pp.513-514.
[14]M. A. Basten, J. C. Tucek, D. A.
Gallagher, andK. E. Kreischer, “233 GHz High Power Amplifier
Development at NorthropGrumman,” IEEE IVEC2016 Proceedings, pp.43-44,
2016.
[15]Jack C. Tucek, Mark A. Basten, David A. Gallaggher,and
Kenneth E. Kreischer, “Operation of a Compact 1.03 THz Power Amplifier,”
IVEC2016Proceedings, pp.37-38.
[16]MicrosystemTechnologyOffice,DARPA-BAA-15-40,“InnovativeVacuum Electronics science and Technology（INV EST）”August 11, 2015.
[17]Microsystem
Technology Office, DARPA-BAA-15-50, “High power Amplifier using Vacuum
Electronics forOvermatch Capa-bility （HAVOC）”，September 21，2015.
[18]D.
Gamzina, N.C. Luhmann Jr., C. Ledford, T.Horm, I. Karakaut, L. Lin, P.
Frigola, “Additive Vacuum Electronics,” IEEEIVEC2017 Proceedings, ID108,
2017.
[19]A. M. Cook, C. D. Joye, B. S. Albright, J. P.Calame, D. K.
Abe,” Microfabrication Methodefor W-band TWT Circuits,” IEEE IVEC2016
Proceedings, pp.167-168.
[20]A. M. Cook, C. D. Joye, B. S. AlbrighJ.
P. Calame,D. K. Abe, “3D-Printed Mold Electroforming for
Microfabrication of W-band TWTCircuits,” IEEE IVEC2017 Proceedings,
ID147, 2017.
[21]Rosa Letizia, Muro Mineo, and Claudio
Paoloni,“Photonic Crystal-Structures for THz Vacuum Electron Devices,”
IEEE Trans. onED, VOL.62, NO.1, pp178-183. January 2015.
[22]James J. Komiak, “GaN HEMT,”IEEE MicrowaveMagazine, VOL.16, NO. 3, April 2015, pp.97-105.
[23]Cai
Jun, Jinjun Feng, Yinfu Hu, Yinghua Du, YeTang, Jingkai Liu, Ruitong
Dong, Ji Chen, Xianping Wu, “Development of W-bandFolded Waveguide
pulsed TWT”, IEEE IVEC2013 Proceedings, PID2680021,2013.
[24]Colin D.
Joye, Alan M. Cook, Jeffrey P. Calame,Khanh T. Nguyen, Edward L.
Wright, Jeremy M. Hanna, Dean E. Pershing, and DavidK. Abe, “Development
of q 233 GHz High-Gain Traveling Wave Amplifier,” IEEEIVEC 2014
Proceedings, pp.219-220.
[25]Carol L. Kory, James A. Dayton, Jr.,
Gerald T.Mearini and Matthew Lueck, “Microfabricated 94 GHz TWT,” IEEE
IVEC2014Proceedings, pp.175-176.
[26]Timothy Horn, llbey Karakurt,
ChristopherLedford, Michelle Gonzalez, Diana Gamzina, Neville C.
Luhmann, Jr., LiweiLin,”Additively Manufactured WR-10 Copper Waveguide,”
IEEE IVEC2017Proceedings, pp.409-410.
[27]廖复疆，“纳米真空沟道三极管”，真空电子技术，2017年第六期，第1-6页.
[28]Mark
Field, Zachary Griffith, Adam Yong,Christopher Hillman, Berinder Brar,
Diana Gamzina, Robert Barchfield, JinfengZhao, Alexander Spear, et.
al.,”Development of a 220 GHz 50W SheetBeamTraveling Wave Tube
Amplifier,” IEEE IVEC2014 Proceedings, pp.225-226.
[29]Colin D. Joye,
Reginald L. Jaynes,Jefferey P. Calame, John C. Rodgers, Alen M. Cook,
Scooter D. Johnson,Alexander T. Burke, “Monolithically Integrated 140
GHz TWT Arrays,” IEEEIVEC2018 Proceedings, pp.159-160.
