毫米波及更高頻率是行波管的領(lǐng)地

2017年9月15日，北京時(shí)間下午7:55，美國(guó)的卡西尼號(hào)飛船降落在土星，向地球傳輸了最后一批數(shù)據(jù)。卡西尼號(hào)飛船經(jīng)歷了20年太陽(yáng)系旅行，其中包含了環(huán)繞土星的13年。

卡西尼飛船上所有的射頻系統(tǒng)幾乎都是由行波管實(shí)現(xiàn)，包括科研儀器、遙感、控制和回傳地球數(shù)據(jù)鏈。飛船在1997年發(fā)射，當(dāng)時(shí)的最大爭(zhēng)議是：其系統(tǒng)應(yīng)該基于固態(tài)器件，而不是真空管，原因主要是直覺上的“真空管技術(shù)不可靠”。然而，結(jié)果卻是飛船在2004年抵達(dá)土星后，美國(guó)國(guó)家航天局NASA兩次延長(zhǎng)了卡西尼計(jì)劃，直到其墜毀。毫無(wú)疑問(wèn)，真空管技術(shù)支撐了卡西尼飛船的生存及可靠性，基于真空管技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)20年的實(shí)際深空環(huán)境壽命。

行波管仍是目前在役的絕大多數(shù)干擾機(jī)的柱石。圖為美國(guó)空軍A-10，其左翼外武庫(kù)的干擾吊艙，其功率器件為行波管。

行波管對(duì)射頻領(lǐng)域下一代需求至關(guān)重要

今天對(duì)真空器件和固態(tài)器件的爭(zhēng)論仍在繼續(xù)，后者的倡導(dǎo)者依舊時(shí)常提及的可靠性問(wèn)題。但是，正如前美國(guó)國(guó)防預(yù)研局官員的W. D. Palmer博士指出的，“真空管和固態(tài)電子器件之間的爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了幾十年，你會(huì)發(fā)現(xiàn)爭(zhēng)論的中心處在功率/頻率的領(lǐng)先邊界。”，技術(shù)發(fā)展針對(duì)了滿足工作在微波頻譜時(shí)代的需求，而歷史原因存在于這一過(guò)程中。“在GaAs晶體管功率問(wèn)世之前，真空管是唯一解決方案。后來(lái)，GaAs晶體管開始在低頻段替代真空管，但是總有應(yīng)用需求領(lǐng)先于商用市場(chǎng)的需求，這就意味著要進(jìn)一步推進(jìn)頻率和功率產(chǎn)生的能力，這一推動(dòng)邊界區(qū)域?qū)⒁恢背蔀檎婵掌骷念I(lǐng)地。”

Palmer博士同時(shí)講到，行波管對(duì)于固態(tài)器件有兩大優(yōu)勢(shì)。第一，真空管工作在真空環(huán)境，這意味著電子傳輸換能過(guò)程中，不與半導(dǎo)體晶格發(fā)生碰撞并產(chǎn)生熱量；第二，行波管可以使用“多級(jí)降壓收集極”部件，能夠獲取互作用后電子的剩余能量，通過(guò)將其回收到系統(tǒng)中，從而進(jìn)一步提升放大器總效率。Palmer博士指出功率產(chǎn)生的效率是太空應(yīng)用中真空管尤其受到歡迎的主要原因。“一旦降低了放大器的功率效率，就要增加其電源的尺寸，因此，采用真空管可以使整個(gè)系統(tǒng)的尺寸更小。”

實(shí)現(xiàn)毫米波大功率的必經(jīng)之途

領(lǐng)先商用市場(chǎng)的需求，造就了真空管的應(yīng)用領(lǐng)域，這一觀點(diǎn)，被今天的很多事實(shí)驗(yàn)證，例如，頻譜中30-300GHz的毫米波正在逐漸深入應(yīng)用并受到持續(xù)的關(guān)注。毫米波位于微波和紅外頻譜之間，具有持續(xù)增長(zhǎng)的需求，尤其是在國(guó)防應(yīng)用中，數(shù)據(jù)鏈路對(duì)更大容量的針對(duì)性需求以及不斷增長(zhǎng)的無(wú)人機(jī)的特定需求。Palmer博士總結(jié)道，“只有你工作在別人不能工作的高端區(qū)域，毫米波會(huì)為你提供實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法的機(jī)會(huì)。同時(shí)，它還可以在高速率大容量數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)揮效能。為了開展這項(xiàng)工作，你需要大功率、線性化放大器，正如你從真空電子學(xué)中所獲得的那樣。”

由于隨著頻率的升高，微波射頻的大氣損耗也大大增加，這時(shí)更需要的大功率的微波源。這也是行波管對(duì)毫米波應(yīng)用有吸引力的另一原因。“如果你想目標(biāo)收到足夠的功率，就需要一個(gè)更大功率的放大器。因此，如果你想在毫米波段實(shí)現(xiàn)更大功率的覆蓋，需要提升輸出功率量級(jí)，必須而且只能由行波管來(lái)完成。”

持續(xù)創(chuàng)新的真空電子學(xué)

HAVOC和INVEST兩個(gè)項(xiàng)目

DARPA是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署(Defense Advanced Research Project Agency)的英語(yǔ)簡(jiǎn)寫。DARPA發(fā)起支持了HAVOC和INVEST兩個(gè)項(xiàng)目。HAVOC是High Power Amplifier using Vacuum electronics for Overmatch Capability 的簡(jiǎn)寫，“具有碾壓性的高功率真空電子放大器項(xiàng)目”，正在用革命性的方法研發(fā)和驗(yàn)證具有線性放大功能的新型緊湊型、高功率、寬帶毫米波放大器，形式要素具備移動(dòng)和機(jī)載平臺(tái)兼容性。

碾壓性(Overmatch)一詞主要是指，對(duì)比同樣頻段的其他競(jìng)爭(zhēng)者，能夠產(chǎn)生更高的功率，為用戶提供容易使用的、具有顯著的優(yōu)勢(shì)。HAVOC項(xiàng)目致力于極大提升真空電子技術(shù)的性能和批量制造能力。2016年5月，HAVOC第一階段的合同分配給CPI公司、L3公司和諾格公司，研發(fā)大功率、寬帶毫米波真空放大器。

HAVOC的撥款分為基礎(chǔ)研究(PE0601101E R-1 Electronic Science)和應(yīng)用研究(PE0602716E ELT-01 Electronic Technology)兩部分。HAVOC的基礎(chǔ)研究資金在2017財(cái)年和2018財(cái)年分別為五百萬(wàn)美元，而應(yīng)用研究資金為兩年一千八百萬(wàn)美元。

根據(jù)預(yù)算需求文件，基礎(chǔ)研究工作包括機(jī)載、地面和艦載緊湊型射頻放大器的研發(fā)、傳感、工作在75GHz以上的雷達(dá)系統(tǒng)。目標(biāo)是提升對(duì)多種現(xiàn)象的理解，管理工作在75GHz以上毫米波頻段真空電子放大器。HAVOC關(guān)注的領(lǐng)域包括建模和仿真技術(shù)、先進(jìn)制造方法、新型注波互作用結(jié)構(gòu)以及大電流密度、長(zhǎng)壽命陰極。2018財(cái)年，計(jì)劃要求驗(yàn)證先進(jìn)真空電子放大器的代表性結(jié)構(gòu)的高精度、全三維、多物理場(chǎng)數(shù)值高效建模及仿真技術(shù)，以及寬帶大功率注波互作用結(jié)構(gòu)的加工和測(cè)試以及大電流密度陰極的研究。

應(yīng)用研究工作致力于建立一類新型寬帶毫米波大功率放大器，尺寸、重量和功率特性符合空軍和移動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)使用。2018財(cái)年文件要求“HAVOC放大器提供空軍、地面和艦載通信、傳感電子對(duì)抗系統(tǒng)的跨越式發(fā)展，但仍需要大電流長(zhǎng)壽命陰極、寬帶大功率互作用電路、寬帶低損耗輸能真空窗和緊湊型聚焦磁系統(tǒng)等技術(shù)的顯著提升。”2018財(cái)年的目標(biāo)包括設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試寬帶真空窗、研究新型磁材料及磁鋼配置，以實(shí)現(xiàn)緊湊性、集成電子束聚焦和傳輸結(jié)構(gòu)，最終將組件集成為放大器樣管進(jìn)行初步測(cè)試。

INVEST是Innovative Vacuum Electronic Science and Technology 的簡(jiǎn)寫，“革新的真空電子科學(xué)與技術(shù)”。目標(biāo)是加強(qiáng)科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)開發(fā)全新一代的真空管，包括真空電子器件基于物理的建模和模擬基礎(chǔ)研究、革命性的組件設(shè)計(jì)、電子發(fā)射過(guò)程及先進(jìn)加工技術(shù)。

Palmer博士介紹說(shuō)，“INVEST項(xiàng)目基于應(yīng)用正在向更高頻率拓展的發(fā)現(xiàn)，這一變化一直持續(xù)、不會(huì)停止。人們預(yù)期的下一個(gè)大氣窗口是W波段94GHz左右(W波段是指75-110GHz)，當(dāng)你從事這些頻段的研究，真空儀器設(shè)備及所有組件(例如高電流密度陰極、小真空腔室、輸出系統(tǒng)等)的尺度都變得很小，超高精度對(duì)中變得更加困難和重要。當(dāng)你向上拓展頻率，已經(jīng)不能再使用常規(guī)的加工技術(shù)。”

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，INVEST項(xiàng)目正在尋找利用全新的、更先進(jìn)的加工技術(shù)的方法，例如增材制造（增材制造是指采用數(shù)字3D設(shè)計(jì)、通過(guò)材料沉積構(gòu)建組件的方法）。例如，試想能夠?qū)⒄麄€(gè)器件的工程制圖輸入3D打印機(jī)，讓打印機(jī)直接輸出整個(gè)真空管結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足精度及對(duì)中要求。實(shí)際上，最終且最受歡迎的輸出是：通過(guò)INVEST項(xiàng)目，將新的科學(xué)理解和工程專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)換成新的工具，具有分析、綜合、優(yōu)化新型真空電子器件設(shè)計(jì)能力，進(jìn)而利用新的高端加工技術(shù)方法，包括3D打印，實(shí)際制造器件。

2015年8月，DARPA公布了INVEST項(xiàng)目的廣泛機(jī)構(gòu)公告，因此給工業(yè)界和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)授予了一些合同開展工藝和技術(shù)研究。其中一項(xiàng)研究是由加州大學(xué)伯克利分校承擔(dān)的探尋純銅增材制造。

Palmer博士還指出了一些正在進(jìn)行的項(xiàng)目，檢驗(yàn)提升基礎(chǔ)熱陰極的方法。“熱陰極是從弗萊明真空管就在使用的組件”，弗萊明真空管又叫熱電子真空管，是在1904年由John Ambrose Fleming發(fā)明的，用于無(wú)線電報(bào)早期接收機(jī)的探測(cè)器，是首個(gè)實(shí)用化的真空電子器件。但是人們?nèi)耘f沒有真正對(duì)其工作原理和工作方式形成透徹的定量理解。

為了考慮這一領(lǐng)域，INVEST囊括了包含大學(xué)及美國(guó)陰極生產(chǎn)商在內(nèi)一支廣泛的研究團(tuán)隊(duì)，尋找熱陰極背后的化學(xué)和材料科學(xué)，并試圖將其轉(zhuǎn)化為工藝及制造。Leidos公司正在建模分析加工誤差對(duì)器件性能和產(chǎn)量的影響。在某一時(shí)刻，也許我們真的能夠獲得熱陰極的先驗(yàn)設(shè)計(jì)，使其工作符合我們的預(yù)期。

另一個(gè)INVEST項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)是威斯康辛大學(xué)，他們研究除了陰極常用氧化物之外的其他組分或者一些新型氧化鈧陰極，尋找是否具有任何其他材料的組合可能提供更好的性能。為了完成這項(xiàng)工作，他們采用了一種計(jì)算機(jī)建模技術(shù)叫做“密度函數(shù)理論”（Density Functional Theory, DFT）掃描周期表的元素,其具有最低的功函數(shù)，是熱陰極的重要參數(shù)，定義了熱發(fā)射材料發(fā)射電子所需的溫度。

另外的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)新型的、不同的注-波互作用結(jié)構(gòu)，通過(guò)電子注和電磁場(chǎng)的換能實(shí)現(xiàn)的放大發(fā)生于此。“我們正在尋找一些新型且不同的想法，以構(gòu)建互作用結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)帶來(lái)的一些限制。”其中，麻省理工學(xué)院（MIT）研究可用于過(guò)尺寸和過(guò)模真空電子器件的光子帶隙結(jié)構(gòu)。

項(xiàng)目還資助了一些更廣泛且獨(dú)立的機(jī)構(gòu)開展其他真空電子器件關(guān)鍵技術(shù)研究，其中包括，Teraphysics公司開展的超小型E波段行波管，RTI 公司的納米柵發(fā)射陣列，eBeam公司的用于氧化物陰極的超小型電子槍，新墨西哥大學(xué)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的高頻速調(diào)管。

冷陰極行波管

也許通過(guò)INVEST計(jì)劃開發(fā)的最有前途的技術(shù)就是冷陰極技術(shù)。陰極是真空管中流通電子注的熱電子發(fā)射源，工作時(shí)要加熱到很高的溫度（大約1000℃）。陰極材料能否在更低溫度下產(chǎn)生電子發(fā)射，反應(yīng)在它的功函數(shù)上，而功函數(shù)，如上所述，取決于陰極所用材料本身。

很明顯陰極所需溫度越低，管子的效率和穩(wěn)定性越高。當(dāng)使用室溫工作的“圣杯”(Holy Grail)作為陰極時(shí)，不僅無(wú)需加熱，而且無(wú)需預(yù)熱。

L-3電子器件公司副總CarterArmstrong在2012年IEEE Spectrum雜志發(fā)表的“尋求終極的真空管”一文中說(shuō)道“冷陰極真空器件將引領(lǐng)新一代超小型、高精度、高效率放大器，它將會(huì)用于諸如小型衛(wèi)星上的使用的超小型大功率射頻發(fā)射機(jī)中”。

獲得冷陰極電子注發(fā)射的一個(gè)途徑是在發(fā)射體和真空界面上施加一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)。這種向內(nèi)朝向的電場(chǎng)對(duì)電子施加一個(gè)向外的引力，并且降低阻礙電子逸出的勢(shì)壘。然而，如果大量依靠目前現(xiàn)有技術(shù)來(lái)從這種途徑獲得場(chǎng)發(fā)射，則此時(shí)會(huì)需要太高的電壓。納米加工技術(shù)被認(rèn)為可以解決該問(wèn)題。既然電場(chǎng)強(qiáng)度隨電極間距減小而增強(qiáng)，那么通過(guò)將發(fā)射體構(gòu)造縮減至納米量級(jí)，則其場(chǎng)發(fā)射增強(qiáng)因素會(huì)顯著提高，使得它在很低電壓下即可實(shí)現(xiàn)工作。

有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在從事INVEST項(xiàng)目中的冷陰極技術(shù)。麻省理工學(xué)院在探索硅納米線冷陰極，斯坦福國(guó)際研究所在繼續(xù)研究“Spindt”場(chǎng)發(fā)射冷陰極。Palmer博士說(shuō)：“冷陰極技術(shù)是面向未來(lái)的技術(shù)。如果一種冷陰極能足以克服管子的“惡劣”工作環(huán)境，那將會(huì)大大簡(jiǎn)化管子的設(shè)計(jì)。目前在管子設(shè)計(jì)中，必須要使電子槍能耐受1000攝氏度的溫度沖擊，而且在冷熱狀態(tài)下，其中任何零件不能錯(cuò)位太多。如果能使用冷陰極替代熱陰極，將會(huì)是一個(gè)巨大的進(jìn)步。”

跨越式技術(shù)

DARPA支持發(fā)起的HAVOC和INVEST兩個(gè)項(xiàng)目，引人注目地前瞻了將來(lái)一段時(shí)期的探索和開發(fā)的技術(shù)，Palmer博士講到，DARPA的職責(zé)并不是直接投資支持制造業(yè)，“而是在呼吁關(guān)注上發(fā)揮了重要作用。制造基礎(chǔ)能夠?qū)⑦@些技術(shù)落在實(shí)處。而且，不只是當(dāng)前的技術(shù)能力，隨著持續(xù)向更高頻率的拓展，真空電子技術(shù)會(huì)獲得持續(xù)的發(fā)展。如果有緣，終其畢生，你將身臨其境于‘面朝大海，春暖花開'（到達(dá)真正理解其工作原理、欣賞他的非凡能力的境界）之中。"