用于雷达的新型真空电子器件（二）

短毫米波行波管近年来也渐趋成熟，并初步形成了相关的系列产品。美国L-3公司针对通讯开发了E波段MPM，在5 GHz带宽范围内功率大于200 W^[14]。为W波段毫米波功率模块所研制的W波段脉冲行波管。器件工作中心频率为94 GHz，得到了大于100 W的脉冲输出功率，工作带宽大于4 GHz，外形尺寸为267 mm×66 mm×66 mm，重量仅为2.3 kg^[15]。中国电子科技集团公司第十二研究所也开展了W波段脉冲和连续波两种管型的研究。其中脉冲行波管在工作电压和电流分别为22 kV, 180 mA时，瞬时带宽达到10 GHz，脉冲输出功率大于100 W，全频带小信号增益大于40 dB；工作比为1%，流通率大于96%^[16]。W波段连续波行波管已经覆盖了10 W, 30 W, 50 W等几个不同功率量级的产品^[17–19]。通过采用相速跳变的技术方案，大大提升了W波段折叠波导行波管的电子效率^[20]，图 6所示为最新的功率和增益测试曲线。图 7为测试所得的总效率曲线。

目前正在上述W波段50 W连续波行波管的基础上进行W波段毫米波功率模块的研制工作。

3 集成真空电子器件

有源相控阵系统通过电扫的方式实现波束扫描，灵活、快速，可以形成多个独立的波束，具有多目标、多功能的特点，已经成为雷达发展的一个主流趋势。由于行波管相比于固态器件在功率、带宽、效率、散热等方面均具有较明显的优势，如能将行波管应用到有源相控阵系统上将很大程度上提高现有有源相控阵雷达的性能。美国海军实验室在X波段(8～12 GHz)研制出了横截面积只有12.5 mm×12.5 mm的小型化行波管，带内输出功率84～93 W，效率35%，占空比20%，验证了行波管应用到有源相控阵系统的可行性^[21]。日本NEC等公司也研制出了有源相控阵系统应用的X波段800 W脉冲小型化行波管，体积尺寸只有20 mm×20 mm×195 mm^[22]。

国外这些研究工作都是基于常规单个行波管在工程上的结构优化，均未有工作机理上根本的创新。为了能够进一步实现微型化、阵列化的行波管器件，中国电子科技集团公司第十二研究所在国际上首次提出了集成真空电子器件的概念。通过集成的方法使行波管进一步微型化和阵列化，满足相控阵天线对于末级功率放大器的尺寸要求。图 8所示为集成行波管的概念示意图。它的基本原理是多束独立的电子注在一个共用的永磁聚焦系统中传输。它们在各自的螺旋线内进行注波互作用。这种多路输入、多路输出的集成行波管共用同一电子枪、收集极，这样可以使它的结构更加紧凑。这种集成行波管在平均截面上可以减少50%。

中电十二所提出了集成行波管的概念并完成了Ku频段三路集成行波管的实验验证^[23]。图 9所示为该集成行波管与性能相似行波管结构对比，该集成行波管总的横截面积约为289 mm²，平均每路所占用横截面积小于100 mm²，约为常规行波管的1/3。三路性能参数如图 10所示，每路在14～16 GHz范围内得到了90 W以上输出功率，电子注流通率大于96%^[24]。

为解决现有行波管侧向输能结构的缺点，实现快速插拔结构，正在开展轴向输能四路集成行波管的研制。图 11所示为利用OPERA软件仿真的4注电子光学系统，在周期永磁聚焦系统中可以得到很好的电子注流通。图 12、图 13所示为4路集成行波管外形图以及剖面图。图 14所示为初步设想的2维阵面布局结构，可以实现单元间距小于15 mm左右。

该结构集成行波管可以解决常规行波管体积尺寸过大无法应用于2维密集阵面的难题，能够极大提升行波管的集成度和功率密度。非常适合应用于微波和毫米波频段中、大功率有源相控阵系统。为了能真正应用于有源相控阵系统，除了上述高流通率多注电子光学技术、轴向输能技术，还需进一步解决以下一些关键技术：(1)集成行波管高效散热技术；(2)批量制造工艺技术；(3)集成行波管TR模块集成技术等。

在集成行波管的基础之上可以构建全集成行波管TR模块，原理框图如图 15所示。该模块集成了功率分配网络、移相器、前级固态放大器、集成行波管末级功放、环行器以及开关、限幅器、低噪声放大器等构成的接收通道。1个模块可以包含1个或多个四路集成行波管，通过1路高压电源对模块中所有集成行波管放大通道进行集中供电。