用于雷达的新型真空电子器件（三）
4 太赫兹真空电子器件
太赫兹波由于具有频率高、宽带宽、波束窄等特点，使得其在雷达探测领域具有重大的应用潜力。频率高意味着具有较高的多普勒带宽，具有良好的多普勒分辨力，测速精度更高；由于太赫兹波对目标形状细节敏感，因而具有很好的反隐身功能；在相同天线孔径下，太赫兹波束更窄，具有极高的空间分辨力，跟踪精度高；另外由于太赫兹波具有穿透云层、烟雾、沙尘实现复杂战场环境下的高分辨率和高帧率侦察，使得“视频合成孔径雷达(ViSAR)”有望取代现有的光学传感器实现准视频SAR成像[25]。但上述相关太赫兹雷达的应用能否实用最为关键的是大功率太赫兹真空电子器件所能达到的性能参数。
根据缩尺原理，当工作频率进入到太赫兹频段，传统机械加工能力已经很难满足真空电子器件结构尺寸和加工精度的要求。但随着MEMS微细加工工艺的引入，真空电子器件正在大功率太赫兹辐射源方面表现出巨大的潜力。与半导体微细加工工艺不同的是，真空电子器件结构的宽高比并不是非常大，但是绝对深度很深，这也导致真空电子器件所需要的微细加工工艺有着自己的特殊性和难点[26]。常用的微加工技术有X射线光刻、电镀和铸造(Lithographie, Galanoformung, Abformung, LIGA)、紫外LIGA(Ultra Violet-LIGA, UV-LIGA)和深反应离子离子蚀刻(Deep ReactiveIon Etching, DRIE)技术。相比X射线LIGA的昂贵以及长时间等待X射线设备的耗时，使用SU-8和KMPR的UV-LIGA可在一到两周内完成，过程包括曝光、电铸、研磨和去胶等。利用硅晶片的DRIE是在体硅加工的结构上再镀上一层金属膜，构成金属波导，在结构成型方面更为容易控制，但存在散热特性差，薄膜容易脱落等问题。
根据不同工作原理，太赫兹真空电子器件主要分为振荡器和放大器。振荡器包括返波振荡器，正反馈振荡器，止带振荡器等，放大器主要包括行波管、扩展互作用速调管、回旋行波管等。
返波振荡器由于具有快速电调谐实现频率扫描的功能，是一种广泛使用的实用化真空电子器件类型。近年来在太赫兹成像[27, 28]以及波谱方面[29]得到了大量应用。返波管目前工作频率最高能够达到1 THz，连续波输出功率约1 mW左右。为了进一步提高功率，相继提出了利用倾斜电子注互作用的斜注管[30]以及开放谐振腔互作用的奥罗管[31]等新型返波管器件。
目前返波振荡器件所能达到的主要性能参数如图 16所示[32]。
Northrop Grumann(诺格)公司在2008年第1次利用折叠波导行波管实现了正反馈振荡器，在656 GHz处得到50 mW的输出功率[33]。利用折叠波导带边耦合阻抗高，较易发生止带振荡的特性，可能在单个频点得到较大的功率输出。文献[34]利用W波段行波管的折叠波导电路研制了止带振荡器，在124.4 GHz附近得到了最大32.5 W的输出功率。
得益于微细加工工艺的渐趋成熟以及太赫兹固态源的进步给测试带来的便利，太赫兹行波管的性能参数在最近五年取得了巨大的进步。
美国通过HIFIVE计划支持了220 GHz行波管的研制，目标是在G波段10 GHz带宽范围内实现50 W的功率输出。该器件正是应用于前文所述目前美国DARPAR正在资助的视频合成孔径雷达。诺格公司在2013年成功研制出了220 GHz的折叠波导行波管功率放大器。器件结构如图 17和图 18所示。它采用5个圆形电子注并行排列，各电子注独立通过5个折叠波导高频电路，输入信号经过金刚石输能窗分成5路，分别进入5路折叠波导高频电路进行互作用，最后将放大的信号在波导内进行合成。折叠波导高频电路采用深反应离子刻蚀微加工工艺进行加工，实验结果表明微细加工所能达到的加工精度和表面粗糙度可以满足220 GHz行波管放大器的研制需求。该放大器采用5注并行排列的结构，主要目的是为了降低阴极发射电流密度，它采用Semicon公司的M型阴极，阴极发射电流密度达到25 A/cm2。测试结果表明，最大输出功率在214 GHz处达到55.5 W。但该5注高频电路采用的是DRIE加工工艺，由于硅片散热极差，所以只是在0.1%的占空比下进行了测试，最终该器件由于阴极热丝失效而损坏[35]。
国内中国电子科技集团公司第十二研究所以及中国工程物理研究院都开展了220 GHz行波管的研究工作。中物院的样管工作电压14.6 kV，工作电流9 mA，最大输出功率达到了252 mW[36]。中电十二所设计目标是工作电压22 kV，设计电流50 mA，输出功率10 W[37]。目前已经攻克折叠波导微细加工，强流细束电子光学系统，宽带输能窗等一系列关键技术[38]，所研制样管测试系统照片如图 19所示。
最新测试结果表明，电子注通过高频电流已经达到53 mA，流通率大于75%。在208 GHz附近得到放大输出功率最大5.6 W。在工作电压24 kV时，带内增益过大发生自激振荡，最大振荡功率达到22 W，振荡频率212 GHz。目前正在针对测试结果进行相应的调整。
诺格公司研制的233 GHz行波管在2016年取得较好的进展[39]。该行波管外形结构如图 20所示，精密加工折叠波导高频电路如图 21所示。该行波管通过永磁透镜对电子注进行聚焦。采用传统Pierce电子枪结构，工作电压20 kV，电流110 mA，电子注流通率达到95～98%。行波管测试输出功率，在2.4 GHz带宽范围内输出功率大于50 W。
太赫兹电子学计划(THZ-E)支持了0.85 THz行波管放大器在2015年完成了样管研制。测试表明电子注流通率44%，在0.85 THz处得到39.4 mW的功率，瞬时带宽11 GHz。不同阴极电压下输出功率曲线如图 22所示[40]。
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