太赫茲行波管質量控制要求研究

Research on Quality Control Requirements for THz Traveling Wave Tubes

ZHANG Peng1 ZHANG Shan1 BIAN Xingwang2 ZHANG Lin2

（1.China Electronics Standardization Institute; 2.Thel2th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation） Abstract：This paper introduces the similarities and diferences between THz traveling wavetubes andtraditional raveling wavetubes intrmsofkeyprocessesandrawmaterialcontrol，andproposesqualitycontrolrequirementsforTHztraveling wave tubes，withthe main focus oncontrolling theraw materialsand key processs ofTHz traveling wave tubes.

Keywords： THz; traveling wave tubes; quality control

0 引言

太赫茲波和微波都是電磁波譜的一部分，但它們處于不同的頻率區域。太赫茲波是頻率介于 0.1～10THz 范圍的電磁波，微波是頻率為300MHz～300GHz 之間的電磁波。太赫茲波在大容量高速通信、精密探測、高分辨率成像雷達和人員拒止等系統上的應用需求廣泛，然而缺少大功率輻射源是限制太赫茲技術發展的瓶頸。太赫茲行波管是一類電真空放大器，作為太赫茲輻射源，能夠把微弱的太赫茲信號放大，具備大功率、寬帶寬、高效率等顯著特點，是太赫茲新體制系統核心器件。

在太赫茲頻率低端，220GHz和340GHz是兩個典型的大氣窗口，具有極高的應用價值。本文結合 220GHz 和340GHz行波管的研制生產情況，對太赫茲行波管與傳統行波管在關鍵工藝和原材料上存在的差異進行分析，針對太赫茲行波管特點提出了其質量控制特殊要求。

1太赫茲行波管與傳統行波管的差異

1.1行波管關鍵工藝和原材料

行波管的結構主要包括電子槍、慢波結構、磁聚焦系統、收集極、輸能裝置等，所采用的關鍵原材料主要有鎢、錸、無氧銅、純鐵、鐵鈷鎳合金、鎳銅合金、釹鐵硼、鉍鈷、不銹鋼、鈦合金、可伐合金、氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁和金剛石等。

行波管的制造工藝非常復雜，包括100多道工藝，將其概括提煉，最主要的制造工藝過程見圖1。

1.2太赫茲行波管與傳統行波管的差異

太赫茲行波管的結構和工藝與傳統行波管大致相同，但由于其工作頻率更高，在以下幾方面與傳統行波管存在較大差異。

（1）結構尺度與制造精度

傳統行波管核心部件特征尺寸一般為毫米級，通常使用傳統精密機械加工技術（如：數控銑削），對表面粗糙度的要求相對較低。

太赫茲行波管核心部件特征尺寸為亞毫米級，需采用深反應離子刻蝕、光刻等微納加工技術，確保結構精度達亞微米級。

（2）慢波結構與聚焦系統

傳統行波管一般為螺旋線或耦合腔慢波結構，多采用周期永磁聚焦系統（PPM），磁場分布均勻，靜態聚焦即可滿足需求。

太赫茲行波管常采用折疊波導慢波結構，通過周期性彎曲波導延長電磁波傳輸路徑達到降低電磁波相速作用。由于高頻場對電子注擾動劇烈，需設計跳變聚焦磁場（如：梯度磁場或分階段增強磁場），以解決動態散焦問題。

（3）熱管理與散熱技術

傳統行波管通常采用常規散熱片或風冷即可 滿足需求。

太赫茲行波管可能需采用高熱導率材料或微流道散熱技術。

2 太赫茲行波管關鍵工藝控制要求

太赫茲行波管的制造工藝與傳統行波管基本相同，在電子槍裝架、冷測、排氣和熱測等關鍵工藝可執行傳統微波行波管控制要求。太赫茲行波管在高頻慢波結構精密加工、精細電子束的產生與調控等關鍵工藝有其特殊控制要求，具體內容如下。

2.1高頻慢波結構精密加工

慢波結構作為行波管器件的核心部件，其電磁特性決定了行波管整管的性能上限。現階段，太赫茲行波管采用折疊波導慢波系統作為電子注與微波進行能量交換的場所。折疊波導可采用以下工藝進行加工。

（1）高精度數控銑削機加工，可用于工作頻率在340GHz以下的行波管。

（2）LIGA/UV-LIGA技術是制作行波管折疊波導慢波結構的一項重要技術，它能夠滿足行波管對于慢波結構小尺寸、高精度和低表面粗糙度的加工要求。LIGA（光刻、電鑄、注塑）利用同步輻射光刻制造高深寬比微結構，適用于太赫茲行波管的復雜三維結構（如慢波結構的周期性柵格）；UV-LIGA采用紫外光刻替代同步輻射光源，成本更低，但深寬比和精度略遜于傳統LIGA，適用于中等精度需求的結構。一般用于工作瀕率在340GHz 以上的行波管。

（3）深反應離子刻蝕（DRIE）通過高深寬比的刻蝕技術加工硅基或金屬基的慢波結構，例如折疊波導的周期性槽形結構，刻蝕深度可達數百微米，精度控制在亞微米級。一般用于工作頻率在670GHz以上的行波管。

在太赫茲頻段，折疊波導慢波結構的電子注通道截面一般為圓形。電子注通道形貌的不同，在一定程度上會改變波導中電場的分布，使得軸向運動的電子注上有不同的空間電荷效應，從而引起折疊波導結構特性的不同。對于折疊波導的微加工，其表面粗糙度是不可避免的。特別在太赫茲頻段，當表面粗糙度與導體的趨膚深度在相同量級時，損耗將隨著表面粗糙度增大而增大，因此必須考慮表面粗糙度的影響[2]。通過對 220GHz 和340GHz行波管進行的研究表明，折疊波導加工精度需達到以下要求。

（1）加工尺寸精度：槽深： ±5μm ；節距： ±2 μm ： （2）表面粗糙度：優于 50nm 5 （3）側壁垂直度：優于 89.5^°

太赫茲行波管高頻由于其內部的復雜結構，多加工成對稱的兩個折疊波導慢波結構半腔，因此需要采用擴散焊工藝來焊接為折疊波導高頻，如圖2所示。擴散焊是在一定的溫度和壓力下使零件的待焊界面相互接觸，通過待焊面的微觀塑性變形擴大待焊面的物理接觸，再經過待焊面間較長時間的原子相互擴散而實現冶金結合的一種精密焊接方法。采用擴散焊變形小，焊后可以不需要機械加工，既能夠實現對幾何形狀復雜的空心結構進行精密焊接，形成與母材性能及顯微組織非常接近的焊接接頭，又可避免焊接面被釬料融解。

擴散焊作為行波管裝配的關鍵工藝，是部件高頻裝配的基礎。 340GHz 行波管對高頻兩個半腔的焊接提出了很高的要求：一是兩個半腔的橫向電子注通道對齊，二是兩個半腔的縱向波導端口對齊。但在實際操作過程中，兩個半腔的焊接面會有錯位情況，兩個半腔電子注通道錯位，會影響行波管流通率的提升；波導端口的錯位，會增大電磁波的反射系數。

（1）在兩個半腔壓力擴散焊中，兩個接觸的待焊表面通過設計精確的模具固定在相對位置，但在擴散焊后依然存在橫向存在錯位情況，如圖3所示。這樣的錯位直觀反映出電子注通道有效直徑的減小，大大增加了行波管流通率的調節難度。另一方面，端口錯位會導致慢波結構內部結構尺寸的錯位，從而影響高頻與輸能系統連接端口的匹配情況。

（2）波導端口后續通過過渡波導與輸能系統連接，是能量輸入與輸出的端口，理想的波導端口狀態一一對齊，但經過高溫擴散焊后，兩個半腔有可能出現縱向錯位情況，如圖4所示。波導端口錯位的情況，會引起反射增加，匹配變差，從而影響行波管的輸出性能。

電子槍產生高能電子束、保持電子束的緊密性和準直性、提供穩定的電流密度、調節加速電壓或電子注形狀，優化與慢波結構的匹配。通過研究，太赫茲行波管電子槍裝配精度需達到以下要求。

（1）裝配精度優于 10μm 5（2）同軸度優于 15μm 。

3 太赫茲行波管關鍵原材料

慢波結構是行波管注波互作用發生的場所，是行波管最為關鍵的部件，要求具備低損耗和高導熱的特性。輸能窗是行波管中連接真空環境與外界的介質窗口，需要兼具高機械強度、高熱導率和低介電損耗。衰減器能吸收高頻系統反射信號，保障行波管穩定工作，需要具備高導熱、高吸收、低反射的特定。由于太赫茲頻段波長更短（30μm～3mm ），對材料表面粗糙度和介電損耗要求極高，同時根據太赫茲行波管的結構和工藝特點，太赫茲行波管所采用的材料特有材料主要有高純度無氧銅、金剛石、氮化鋁-碳化硅復合材料等。

（1）高純度無氧銅

太赫茲行波管的高頻慢波結構是波導類結構，這種結構利用高純度無氧銅進行加工。該材料一方面具備超高的導電導熱性來降低損耗和高效散熱，另一方面其具備卓越的加工與穩定性，從而支持三維復雜微結構的成型。

根據仿真計算和實際經驗，錯位可接受的公差范圍在 0.005mm 以內。

2.2精細電子束產生與調控

電子槍為行波管提供高能、穩定的電子束，從而與微波信號進行能量交換，決定行波管的輸出功率、帶寬和效率等關鍵指標。

太赫茲行波管目前采用熱陰極。由于陰極尺寸小，對陰極形貌的要求與傳統行波管相比要高，要求無毛刺、無磕邊。

（2）金剛石

金剛石材料的介電常數低，介質損耗小，易于在太赫茲頻段實現寬頻帶范圍內的良好匹配，是輸能窗窗片的一種理想介質材料，研制的金剛石輸能窗兼具寬頻帶、低損耗、弱反射、高可靠的特點，是太赫茲行波管的最佳選擇

（3）氮化鋁-碳化硅復合材料

隨著太赫茲行波管頻率和功率的逐步提升，行波管用衰減器面臨微型尺寸加工和高熱流密度傳導兩項關鍵技術難題，對衰減材料的熱學和力學性能提出了更高的要求。氮化鋁-碳化硅復合材料具有優異的熱導率和斷裂強度，因此特別適用于衰減材料。目前已研制出反射系數和傳輸系數分別低于-15dB和-70dB的氮化鋁-碳化硅衰減器，并應用于樣管研制。

4結語

綜上所述，太赫茲行波管在質量控制要求方面，可執行傳統微波行波管的原材料控制要求、關鍵工藝控制要求（如：電子槍裝架、冷測、排氣和熱測等）、檢驗項目和方法等，同時，提出了太赫茲行波管高頻慢波結構精密加工、精細電子束的產生與調控等關鍵工藝特殊控制要求，基本形成了適用于 340GHz 行波管的質量控制要求。后續還將根據產品情況繼續完善和固化。

參考文獻

[1]張朋，閆美存，楊小萌，等.關鍵工藝過程控制標準對高可靠行波管的重要作用[J].真空電子技術，2020（1）：83-86.

[2]王亞軍，陳樟，施志貴.電子注通道形貌對折疊波導慢波結構的影響[J].激光與紅外，2013，43（6）：678-682.

[3]杜英華，胡銀富，丁明清，等.金剛石在太赫茲電真空器件中的應用[J].太赫茲科學與電子信息學報，2013，11（3）：350-353.