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用于雷达的新型真空电子器件（四）

2020.10.06

诺格公司在2016年还首次将行波管工作频率提高到1 THz^[41]。该行波管采用深反应离子刻蚀加工的折叠波导慢波结构，在表面电镀铜以降低太赫兹波的传输损耗，折叠波导电路如图 23所示。利用VDI公司的倍频源作为行波管的激励，测试图如图 24所示。固态倍频源最大输出功率0.7 mW。工作电压12 kV时电子注流通率约为57%。测试功率曲线如图 25所示，可见在1.03 THz输出功率29 mW，在0.642 THz处最大259 mW。最大工作占空比达到0.3%，脉宽30μs。

MEMS微细加工工艺在真空电子器件领域的应用给真空电子器件的制造工艺以及性能参数带来了一个全新的变革。从现在已经取得的进展来看，真空电子器件的工作频率已经覆盖到1 THz以上，并且表现出了比其他光学和固态电子等器件大得多的功率输出潜力。为了进一步促进太赫兹频段各类应用的研究的进步和实用化，真空电子器件将会进一步在性能提升，微加工、微组装、批量制造工艺，与固态电路及电源集成的太赫兹功率模块等方向快速发展。

5 大功率真空电子器件

大功率是真空电子器件的一个重要特点。在雷达上应用的大功率真空电子器件主要包括大功率行波管、速调管、回旋行波管以及前向波放大器等。这些大功率器件一方面可以构成单独的发射机在雷达上应用，另一方面可以作为子阵式发射机在无源相控阵雷达上应用。相比于全固态的有源相控阵雷达，基于大功率真空电子器件的无源相控阵雷达有着结构简单，使用方便，成本低的优势。

大功率行波管一般具有上百千瓦的功率，存在散热、聚焦、振荡抑制、打火等一系列技术难题。美国CPI公司为代表的国外企业在各微波频段都有大功率行波管的产品。S波段以VTS-5753为代表，峰值功率170 kW，工作比16%。国内中电十二所在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)具有工作电压低、效率高、瞬时带宽较宽等优点，被广泛地应用在各种多功能无源相控阵雷达系统上。如美国宙斯盾(AGEIS)、爱国者导弹系统中应用的AN/SPY-1无源相控阵雷达等，其发射单元含有两组各32个SFD-261前向波放大器，输出功率125 kW。国内中电十二所在大功率前向波放大管方面具有丰富的研制经验，开发出了S波段脉冲250 kW，平均功率20 kW的前向波放大管^[43]。

速调管作为一种大功率真空电子器件，在大型科学装置、广播通信系统、导航雷达、气象雷达、深空探测雷达等方面都有着重要的应用。国内外一些主要速调管产品参数读者可参阅文献[44, 45]。

回旋行波管是另外一种大功率器件，在毫米波频段能得到峰值功率百千瓦量级。美国海军实验室研发成功的回旋速调放大器，它的平均功率为10 kW，是W-band(56～100 GHz)放大器的最高纪录。现正使用于该所装设的WARLOC(W-band Advanced Radar for Low Observable Control)雷达站^[46]。为了进行深空探测小的宇宙碎片，除了需要高功率及高频率之外，还要宽频带，回旋行波放大器则可提供足够频宽。由美国所研发的回旋行波放大器^[47]，其频宽达8.6%。国内中电十二所所研制的W波段回旋行波管得到了最大饱和输出功率110 kW, 6 GHz带宽范围内功率大于60 kW^[48]，整管外形如图 26所示。

6 高功率真空电子器件

随着装备信息系统向着一体化、集成化、多功能的方向发展，具有侦察能力的雷达系统和具有电磁打击能力的高功率系统将会更紧密的结合。这给高功率真空电子器件的应用带来了新的机遇。传统的高功率微波是指功率超过100 MW，频率在1～300 GHz之内的电磁波。主要用于高功率微波武器、超级干扰机、高功率雷达等。这些高功率真空电子器件大致可以分为两类，一类是相对论器件，如相对论速调管、相对论磁控管、相对论返波管、磁绝缘线振荡器等；另一类是非相对论器件，如回旋振荡管、虚阴极振荡器、多波切伦科夫振荡器等。

其中相对论磁控管可以较为容易地获得GW量级的输出功率和kHz量级的重复频率。其中俄罗斯托姆斯克研究所最高得到了10 GW的输出功率。国内电子科技大学在2.65 GHz处得到了0.43 GW的输出功率^[49]，中电十二所也开展了相对论磁控管的关键技术研究。相对论返波管也是一种重要的器件类型，国内国防科学技术大学和西北核技术研究所进行了大量的研究工作，分别最大得到了1.05 GW和2.5 GW的输出功率。磁绝缘线振荡器(Magnetic Insulation Line Oscillator, MILO)是一种典型的GW级低阻抗的高功率微波器件，也被认为有可能是美国CHAMP导弹所使用的器件类型^[50]。它利用高功率传输线的自磁场使阴极发射的电子不能直接越过间隙，它的一个实用特点是它不需要外加磁场，这样就省去了相关的线圈电源和冷却系统，使得该器件可以做的比较紧凑，具有较强的实用性。关于高功率真空电子器件比较全面的介绍读者可以参考文献[51, 52]。

7 总结及展望

本文针对雷达应用的新型真空电子器件的现状和发展进行了阐述，介绍了相关器件的最新研究进展。随着设计仿真能力的加强、新型材料的出现以及加工制造技术的不断进步，真空电子器件性能不断提升，新型器件不断涌现，将会在未来新型雷达应用领域发挥重要作用。

真空电子器件主要发展趋势可以概括为以下几点：(1)微波毫米波中小功率行波管器件将不断向微型化、集成阵列化、模块化方向发展，以适应无人机平台雷达以及有源相控阵雷达的发展需求；(2)MEMS微细加工工艺的全面引入将使得真空电子器件完全改变传统的加工制造工艺，使得器件工作频率进入到太赫兹频段，现有器件最高已经达到1 THz，可以为太赫兹雷达提供大功率辐射源；(3)大功率真空电子器件性能进一步提升，为低成本无源相控阵雷达的发展提供了器件支撑，工作频率已经进入到W波段，为远距离成像雷达和宇宙碎片探测雷达奠定了器件基础；(4)高功率真空电子器件的研究将会继续加强，固态和真空器件相互补充，有望在察打一体化雷达应用中发挥重要作用。

真空电子技术在雷达探测技术发展的历史上曾经发挥了重要作用，随着专业技术本身的持续进步并不断与固态电子和光电子进一步融合，将会有更多新型器件和新型应用场景出现。我们应该重视真空电子技术的专业发展，保持软硬件的持续投入，特别是加强专业技术人才的培养和保留。

胡银富, 冯进军

(北京真空电子技术研究所微波电真空器件国家级重点实验室北京 100015)

收稿日期：2016-06-02 ；改回日期：2016-07-18 ；网络出版：2016-08-18

基金项目：国家部委基金

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