太赫茲真空電子器件的發展及其在雷達中的應用

皇甫一江

(海軍裝備部，北京 100036)

0 引 言

太赫茲波指的是頻率范圍在0.1～10 THz的電磁波。從電磁波頻譜中可以發現它處于電子學向光子學的過渡區域，因此既具有波的特性同時又具有光的特性[1-2]。太赫茲波也是電磁波譜中唯一一段還未被人類充分研究和開發的區域。近些年來隨著電磁波譜資源的緊張，太赫茲波的技術得到了廣泛的重視和迅猛的發展，在很多領域開始展現出巨大應用前景[2-3]。相比于低頻段的微波，太赫茲波有著更短的波長，因此它有著更顯著的多普勒效應，能夠更好地探測低速運動目標。由于太赫茲波有著較強的穿透性，因此他對目標的細節較為敏感，有更好的反隱身能力。在相同天線孔徑下，太赫茲波束更窄，具有極高的空間分辨力和較高的跟蹤精度。基于這些優異的特性，太赫茲波在海空低小慢目標和隱身目標的探測及高分辨率的雷達成像上有著極大的應用潛力[4]。而上述太赫茲雷達功能的實現取決于微波輻射源的性能，近些年來，隨著半導體器件的快速發展，基于該器件優秀的可靠性和穩定性，全固態發射機在低頻率、低功率的有源相控陣應用的情況下已經逐步取代了電真空器件。但是在高頻率、高功率的情況下，真空電子器件還有更大的優勢，隨著頻率逐漸進入太赫茲波段，國內的固態器件還在起步階段，因此真空電子器件與固態器件將長期并存和相互競爭[5]。本文對目前太赫茲波段真空電子器件的發展現狀和趨勢以及它在雷達中的應用進行介紹，并對太赫茲真空電子器件和太赫茲雷達的發展進行了展望。

1 太赫茲電真空器件

1.1 常規電真空器件

經過近1個世紀的發展，真空電子器件已經發展成為了一個非常龐大的家族，其中主要包括傳統的微波管，如行波管、速調管、反波管、擴展互作用器件等。隨著工作頻率上升到太赫茲波段,由于它們受到尺寸共度效應的影響，其結構尺寸急劇縮小，這給器件加工帶來了嚴峻的挑戰[6]。而加工的粗糙度也會對該波段器件的性能造成很大影響。但隨著微細加工工藝的引入，真空電子器件在大功率太赫茲輻射源的研究中展現出巨大的潛力。返波振蕩器具有快速電調諧實現頻率掃描的功能，是一種廣泛使用的實用化真空電子器件類型。俄羅斯應用物理研究所(IAP)研制的返波管(BWO)，其工作頻率高達0.25 THz[7],并且已經成功應用于太赫茲成像系統。其系統示意圖如圖1所示。目前返波管的工作頻率最高可以達到3 THz，連續波輸出功率達到MW級別。為了進一步提高功率，相繼提出了利用傾斜電子注互作用的斜注管以及開放諧振腔互作用的奧羅管等新型返波管器件。圖2是目前返波管能達到的性能指標。

圖1 俄羅斯IAP基于0.25 THz BWO的太赫茲成像系統

圖2 返波管性能參數

隨著微細加工工藝的漸趨成熟以及太赫茲固態源的進步給測試帶來的便利，太赫茲行波管的性能指標獲得了巨大進步。由于其相比于其他真空電子器件有著更大的帶寬，因此它是太赫茲雷達的一種理想輻射源。美國的科研機構與諾格公司基于HIFIVE計劃的支持，研制了0.22 THz行波管，它要求器件在G波段10 GHz帶寬范圍內的輸出功率能達到50 W[8]，將其應用于視頻合成孔徑雷達，諾格公司在2013年成功研制了采用0.22 THz折疊波導行波管的功率放大器，其示意圖見圖3。它采用5個圓形電子注并行排列，各自獨立通過5個折疊波導高頻放大鏈路，輸入信號通過金剛石輸能窗分成5路，分別進入5路折疊波導高頻放大鏈路，與電子注進行強烈的互作用，最后將放大信號在波導內進行合成。測試結果表明，當工作頻率為0.214 THz 的時候，輸出功率能達到55.5 W，由于硅片的散熱局限，其工作比僅為0.1%。

圖3 0.22 THz行波管放大器件的結構圖

目前諾格公司已經將行波管的工作頻率成功提升至1 THz，該行波管的高頻結構為折疊波導，通過深反應離子刻蝕加工大大降低了波導中的傳輸損耗，實驗結果表明該行波管在頻率為1.03 THz時，輸出功率為29 mW，在0.642 THz時最大輸出功率為259 mW，其中占空比為0.3%，脈寬為30 μs。圖4為該行波管的測試圖[9]。

圖4 1.03 THz行波管測試圖

速調管作為一種高增益的真空放大管，在太赫茲波段同樣得到了高速發展。基于傳統速調管，科學家們研制出了一種新型的常規電真空器件——擴展互作用器件，主要包括擴展互作用振蕩管和擴展互作用速調管兩種，作為一種結構緊湊的電真空器件，它們有著體積小、重量輕、功率較大、帶寬大等優點，因此受到了廣泛關注，尤其是在高頻率波段。目前美國的CPI公司在擴展互作用器件的研制中占據主導地位，其0.1 THz的擴展互作用器件的峰值功率能達到3 kW，平均功率為1 kW。由于其結構的優勢，目前在衛星通訊、雷達、氣候觀測等方面有著廣闊的應用市場。目前CPI公司已經成功研制出工作頻率為0.22 THz的擴展互作用振蕩器(EIO)器件，其輸出功率達到6 kW，其實物如圖5所示[10]。但目前擴展互作用速調管的工作頻率還未突破至太赫茲波段。

通過對上述幾類常規電真空器件的介紹，可以發現MEMS微細加工工藝的應用給真空電子器件的制造工藝和性能參數帶來了一個全新的變革。

1.2 回旋電真空器件

為了解決常規電真空器件在太赫茲波段所遇到的尺度共度效應，各國科學家基于電子回旋脈塞機理提出了一種新型真空電子器件——回旋器件。由于回旋器件擁有較大的功率容量，因此它是目前輸出功率最大的真空電子器件，在雷達探測和成像方面同樣具有很大的應用前景。回旋器件主要又被分為回旋振蕩管和回旋行波管，其中回旋振蕩管的發展態勢迅猛。

俄羅斯應用物理研究院(IAP)于2007年研制出了目前全世界頻率最高的太赫茲回旋振蕩管,其工作頻率高達1.3 THz，脈沖功率為500 W，其實物如圖6所示[11]。而目前輸出功率最大的回旋振蕩管是德國的卡爾斯魯厄理工學院(KIT)研制出的0.17 THz的同軸開槽回旋振蕩管，其輸出功率達到2.2 MW，其實物見圖7[12]。各國對太赫茲回旋管的研究進展如表1所示。

圖6 俄羅斯應用物理研究院(IAP)的1.3 THz回旋振蕩管

圖7 0.17 THz同軸開槽回旋振蕩管

目前國內對太赫茲回旋器件的研究也取得了很大進展并成功應用于生物醫療和物體檢測等方面。

相比于回旋振蕩管，回旋行波管在太赫茲波段的發展則要遜色很多。這是因為隨著頻率的上升，波導內的損耗急劇升高，這給輸入與輸出結構的設計帶來了很大的挑戰，并且在太赫茲波段，回旋行波管中的寄生振蕩也在增多，這對回旋行波管的穩定工作造成了很大的影響。因此目前對于回旋行波管的研究進展還不多。目前只有美國的麻省理工大學先后研制出了工作在 0.14 THz 的共焦波導行波放大管和0.22 THz的光子晶體行波放大管。它們都采用新型的高頻結構來抑制寄生振蕩，從而保證放大器性能的穩定。0.14 THz的共焦波導行波放大管的最大輸出功率為820 W[13]，3 dB帶寬為0.8 GHz，增益為 34 dB，其示意圖見圖8。0.22 THz的光子晶體行波放大管的最大輸出功率為45 W，3 dB帶寬為4.5 GHz，增益為 24 dB。圖9顯示的是 0.22 THz光子晶體的示意圖[14]。

圖8 0.14 THz共焦波導行波管的示意圖

圖9 0.22 THz光子晶體行波管的示意圖

2 電真空器件在太赫茲雷達中的應用

通過上一節對太赫茲頻段真空電子器件的介紹，可以發現真空電子器件在太赫茲頻段的輸出功率相比于固態器件要高很多個量級。因此它是太赫茲雷達的一種理想輻射源。美國佐治亞理工學院的Mcmillan等人在1991年成功研制出了世界上第一臺工作在0.225 THz的相參雷達，其發射機就是基于電真空器件——擴展互作用振蕩管(EIO)[15]。歐洲和美國隨后分別對太赫茲合成孔徑雷達(SAR)和逆合成孔徑雷達(ISAR)的成像展開了一系列研究，歐洲研究機構首先研發了 COBRA-220 雷達系統，其中心頻率為 0.22 THz。利用該系統開展了對自行車、汽車等復雜目標的高分辨 SAR、ISAR 成像實驗，實驗結果表明該系統對 135 m 距離處的目標成像分辨率達 1.8 cm，其系統成像見圖10[16]。

圖10 太赫茲雷達系統成像圖

美國的科研機構于2008年研制了一部主動相參太赫茲雷達，中心工作頻率為0.585 THz，采用線性調頻信號，掃頻帶寬為 12.6 GHz，其 ISAR 成像分辨率達到了亞厘米級。以上2種成像系統同樣基于太赫茲波段的擴展互作用振蕩管。2012 年 5 月，美國國防部先進研究項目局發布了一項名為視頻合成孔徑雷達(VISAR)的研究項目，該雷達工作頻段為0.23～0.235 THz，采用一發四收的天線收發模式，設計的成像幀率為5 Hz。2017 年 9 月，DARPA的官網報道稱：利用該系統成功獲取了被云層遮蔽的地面目標實時、全運動的視頻圖像。而該成像系統的發射機就是基于上一節介紹的0.22 THz折疊行波管。

3 結束語

本文針對太赫茲波段的電真空器件的現狀和發展進行了簡要闡述，介紹了相關器件在該波段的最新研究進展。同時對目前基于電真空器件的太赫茲雷達的技術發展和研究進展做了介紹。隨著模擬仿真能力的加強、新型材料的出現以及加工制造技術的不斷進步，真空電子器件性能也會不斷提升，各類新型器件將會不斷涌現，在未來太赫茲雷達應用領域發揮重要的作用。真空電子器件主要發展趨勢可以概括為以下幾點：

(1) 太赫茲波段中小功率行波管、振蕩管器件將不斷向微型化、集成陣列化、模塊化方向發展，以適應各類平臺的發展需求，如無人機平臺、雷達和有源相控陣雷達；

(2) MEMS微細加工工藝的全面引入將使真空電子器件的加工技術得到極大提升，使得各類器件的工作頻率全部進入到太赫茲頻段，可以為太赫茲雷達提供大功率輻射源；

(3) 高功率真空電子器件的研究將會繼續加強，固態和真空器件之間的聯合能夠更好發揮各自的優勢，有望在多功能一體化雷達應用中發揮重要作用。