大功率太赫茲電真空器件的研究現(xiàn)狀與應用

馬 燕,謝 輝,鄢 揚

(1.空軍駐川西地區(qū)軍事代表室,成都610041;2.空軍駐成都地區(qū)軍事代表局,成都 610041;3.電子科技大學 物理電子學院,成都 610054)

1 引 言

太赫茲頻段是指頻率從100GHz到10 THz,相應的波長從3 mm至30 μ m,介于微波和紅外線之間的電磁波譜區(qū)域。處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)及電子學向光子學的過渡領域,是電磁波譜中唯一沒有獲得全面研究的頻段,長期以來,由于缺乏有效的太赫茲輻射產(chǎn)生和檢測方法,導致太赫茲頻段的電磁波未得到充分的研究和應用[1-5]。

軍事電子技術在發(fā)展過程中一直不斷開拓新的頻譜資源,其工作頻段已擴展到100 GHz,進一步開發(fā)更高的太赫茲頻段頻譜資源是必然的發(fā)展趨勢,太赫茲波具有以下主要特點。

(1)極寬的帶寬。太赫茲波頻率范圍超過從直流到微波、毫米波全部帶寬的100倍。即使考慮大氣吸收,在大氣中傳播時只能使用部分大氣窗口,其總帶寬也遠大于微波、毫米波全部帶寬。

(2)波束窄。在相同天線尺寸下太赫茲波的波束要比微波的波束窄得多,可以分辨相距更近的小目標或者更為清晰地觀察目標的細節(jié)。

(3)信噪比高,保密性好。因而太赫茲波在高分辨率雷達、精密制導、保密通信、目標探測和極高頻率電子對抗等方面具有重要的應用前景。

目前發(fā)現(xiàn)有多種不同的機制都能產(chǎn)生太赫茲輻射,如光電導天線中光生載流子的加速、光電晶體中的二階非線性效應、量子級聯(lián)激光器及半導體器件等。但目前這些方法的轉(zhuǎn)換效率很低,輻射功率多在毫瓦量級。而對于許多重要應用,如雷達、遠程通信、遠距離成像及未來的太赫茲電子對抗等應用中需要瓦級以上高功率太赫茲輻射源,因此大功率太赫茲輻射源對太赫茲科學技術的發(fā)展有特殊的意義。但到目前為止,僅真空電子學的方法可以產(chǎn)生高功率太赫茲輻射,可滿足太赫茲雷達、電子對抗和遠距離目標探測等軍事應用中對大功率太赫茲輻射源的要求。太赫茲電真空器件的工作原理與工作在微波、毫米波頻段的器件相似,但高頻系統(tǒng)加工精度要求更高,陰極發(fā)射電流密度的要求高,自2000年以來,太赫茲真空電子學有了很快的發(fā)展并取得了重要的成果,可以工作在太赫茲頻段的真空電子學的大功率太赫茲源主要有回旋管、行波管、Smith-Purcell效應器件、擴展互作用振蕩器、返波管等。本文綜述了大功率太赫茲電真空器件的研究現(xiàn)狀,同時分析了其應用前景。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 太赫茲行波管

行波管是以電子注和行波場相互作用從而放大電磁場能量為工作原理的真空電子器件。電子注與行波場必須相速同步才能進行有效的相互作用,這就需要降低行波場的相速。行波場相速的降低通過慢波系統(tǒng)來實現(xiàn),故慢波系統(tǒng)是行波管不可或缺的重要組成部分,行波管最常采用的慢波系統(tǒng)是螺旋線,由于工藝條件的限制,該慢波系統(tǒng)大約最高能工作在40 GHz左右,耦合腔系統(tǒng)能夠工作到100GHz左右,梯形慢波系統(tǒng)工作頻率更高一些。美國通信與功率工業(yè)公司(CPI)于20世紀80年代研制出一系列基于梯形慢波系統(tǒng)的行波管,稱為Millitron,工作頻率30～100GHz,其中在95 GHz的脈沖輸出功率最大8 kW,占空比10%(VTW-5795)。

表1 3 mm Millitron主要參數(shù)Table 1 Parameters of 3 mm Millitron

折疊波導慢波系統(tǒng)是目前短厘米頻段、毫米波段寬帶大功率行波管中極具應用前景的新型慢波系統(tǒng),它具有全金屬結構、色散較平坦、高頻損耗小、功率容量大、耦合匹配好、制造成本低等諸多優(yōu)點。折疊波導慢波系統(tǒng)是一種近年來廣泛研究的慢波系統(tǒng),結構簡單、堅固,加工方便,帶寬較寬。美國休斯公司和諾斯諾普公司對這種結構的大功率行波管進行了研究和生產(chǎn),在94 GHz頻率連續(xù)波輸出功率可達100 W。2010年,美國的NGC公司提出一種基于功率合成的5注折疊波導行波管,以實現(xiàn)在0.22 THz輸出50 W連續(xù)波、增益大于30 dB的目標。目前器件的加工正在阿貢實驗室等單位進行[6]。

圖1 折疊波導慢波系統(tǒng)Fig.1 Slow wave structure of folded waveguide

當工作頻率進一步升高時,由于慢波系統(tǒng)尺寸過小,普通機械加工技術難以達到要求,近年來國內(nèi)外將微加工技術,包括MEMS和LIGA技術用于制造微型真空電子器件[7-8]。這種器件工作頻率可達500GHz以上,有可能帶來微波管技術的重大革新。威斯康星大學研制出560 GHz、56 mW輸出的折疊波導行波管振蕩器示實驗裝置。理論分析和數(shù)值模擬表明,這種小型太赫茲源可以實現(xiàn)20%的帶寬和10 mW～1 W的功率輸出。2010年,白俄羅斯的研究者簡要報道了對0.6～3 THz折疊波導行波管頻率特性的研究,他們給出了描述其慢波電路的數(shù)學模型,研究了結構參數(shù)改變對頻率特性的影響[9]。預期能在0.6～3 THz得到30～40 dB增益和5～18 W的輸出。

2.2 太赫茲返波管

返波振蕩器(BWO)是目前發(fā)展比較成熟的一種小型、造價低廉的真空電子學太赫茲源,是目前工作頻率最高的器件,俄羅斯和美國居于領先地位,均已實現(xiàn)商品化,在太赫茲技術研究中廣泛用作太赫茲輻射源[10-12]。俄羅斯于20世紀80年代即研制出頻率高達2.4 THz的返波管。表2是美國Microtech Instruments,Inc.所研制的太赫茲返波管(圖2)的頻率和輸出功率,表3為俄羅斯ISTOK生產(chǎn)的太赫茲返波管(圖3)參數(shù)。

圖2 Microtech Instruments Inc.太赫茲返波管Fig.2 Terahertz BWO by Microtech Instruments Inc.

表2 Microtech Instruments Inc.返波管參數(shù)Table 2 Parameters of BWO by Microtech Instruments Inc.

圖3 俄羅斯ISTOK太赫茲返波管Fig.3 Terahertz BWO by ISTOK(Russia)

表3 俄羅斯ISTOK返波管參數(shù)Table 3 Parameters of BWO by ISTOK(Russia)

美國CCR公司在NASA的資助下開發(fā)工作頻率300 GHz～1.5THz的BWO,采用類似于液晶顯示器的工藝在金剛石基片上制造慢波系統(tǒng),陰極為場致發(fā)射陰極,系統(tǒng)十分緊湊,輸出功率為數(shù)十毫瓦。

2.3 太赫茲繞射輻射器件

1953年,美國哈佛大學的Smith和Purcell兩人發(fā)現(xiàn)當電子沿光柵表面運動時有電磁波輻射出來(繞射輻射),這就是Smith-Purcell效應,以這種效應為基礎發(fā)展成為一類新型的繞射輻射器件,其高頻結構采用準光學諧振腔和光柵,可工作在毫米波及太赫茲頻段。

20世紀80年代初,美國提出了基于Smith-Purcell效應的繞射輻射自由電子激光的概念。美國陸軍戴蒙德實驗室報道了在4 mm波段Orotron的實驗結果,脈沖功率10 W。前蘇聯(lián)在20世紀80年代中期發(fā)展了一系列Ortron產(chǎn)品,頻率從30～230GHz,其中3 mm波段器件參量為:f=100～140GHz,平均功率為0.2～2 W。2004年,俄羅斯報道了工作頻率范圍為320～380 GHz的可調(diào)諧Orotron,工作電壓4 kV,電流150 mA,脈沖功率大于20 mW,重量僅為25 kg。1998年,美國 Dartmouth大學的 J.Urata等人利用掃描電鏡產(chǎn)生低能散度、低發(fā)射度的電子注驅(qū)動周期性光柵結構,在實驗中觀測到了Smith-Purcell效應的超輻射現(xiàn)象,輻射波的頻率為 0.33～1.0 THz,實驗中電子注電壓為40 kV,電流小于1 mA,是一種結構簡單、易于實現(xiàn)小型化的太赫茲輻射源[13]。

2.4 擴展互作用器件

擴展互作用速調(diào)管振蕩器(EIO)及放大器(EIA)把行波管及速調(diào)管的優(yōu)點結合起來,是一種既有高的增益和效率,又有足夠帶寬的器件,擴展互作用速調(diào)管采用由慢波系統(tǒng)構成的諧振腔,由于電子注的調(diào)制在慢波系統(tǒng)上進行,因而具有較寬的頻帶及較高的互作用效率,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)擴展互作用速調(diào)管更適合工作在毫米波頻段,目前工作頻率高達220GHz,有60 W的峰值功率輸出(平均功率0.5 W),在95 GHz處有2.8 kW的峰值功率輸出(平均功率100 W),增益38 dB。瓦里安公司研制了一系列的EIO,從30 GHz直到300GHz,機械調(diào)諧帶寬為2%～4%。EIO及EIA已經(jīng)發(fā)展成為一類重要的大功率毫米波器件,當前正在向更高頻率發(fā)展,已將頻率擴展到400～500 GHz,功率可達1 W,因而EIO及EIA有希望發(fā)展成為一類重要的低頻段太赫茲器件[14-15]。圖4為CPI公司生產(chǎn)的EIO和EIA。

圖4 CPI公司生產(chǎn)的EIO和EIAFig.4 EIO and EIA made by CPI

2.5 太赫茲回旋管

回旋管是一種重要的大功率毫米波、亞毫米波器件,是目前工作在毫米波及太赫茲頻段功率最高的真空電子學器件[16]。由于國際核聚變反應堆計劃(ITER)的需要和推動,回旋管研究在毫米波及太赫茲低頻段取得了重大進展,頻率集中在0.11 THz、0.14 THz和0.17 THz 3個頻率。俄羅斯應用物理研究所研制的0.14 THz和0.17 THz回旋管輸出功率分別達到0.7 MW和0.9 MW;德國技術物理研究所的0.14 THz回旋管輸出功率達到1.5 MW;美國CPI公司0.14 THz回旋管達到0.9MW,0.11 THz回旋管達到1.28MW。這些回旋管的技術水平已趨于成熟,進入實用階段,互作用效率可達50%左右。2000年以后,太赫茲頻段旋管引起了極大的重視。俄國國家科學院應用物理研究所正在研究1 THz回旋管(如圖 5 所示),脈沖磁場40 T,脈寬100 μ s,電壓30 kV,電流5 A,輸出功率10 kW,采用普通圓柱波導開放諧振腔,工作模式分別為TE16,4(0.991 THz),TE19,4(1.209 THz)。此種用于微波頻段的圓柱波導開放諧振腔在1 THz頻率上仍能保持良好的特性。從目前情況來看,回旋管可工作在厘米波直到1 THz的寬廣頻率范圍。對于太赫茲回旋管,俄羅斯和日本居于領先地位,其中俄羅斯應用物理研究所在0.65 THz頻率處得到40 kW、4%效率,2008年該所采用脈沖磁場研制成功第一只1 THz回旋管,輸出功率達到1.5 kW[17]。日本Fukui大學多年來一直致力于太赫茲回旋管研究,所研制的0.3 THz回旋管連續(xù)波輸出功率達到4 kW,采用17 T超導磁場系統(tǒng),獲得了0.9 THz、0.1 kW的太赫茲輻射。國內(nèi)在太赫茲回旋管研究方面取得較大進展,電子科技大學于2005年研制成功0.1 THz、100 kW回旋管振蕩器,于2007年研制成功的0.22 THz回旋管振蕩器,脈沖輸出功率達到10 kW,如圖6所示。

圖5 俄羅斯研制的1 THz回旋管Fig.5 1 THz gyrotron developed by Russia

圖6 電子科技大學研制的0.22 THz回旋管Fig.6 0.22 THz gyrotron developed by University of Electronic Science and Technology of China

3 太赫茲電真空器件應用情況

太赫茲返波管可作為低噪聲外差接收機的本振源用于射電天文觀測,彗星、地球和其他行星大氣層的遙感。德國研究人員報道了他們研制的第一代緊湊型用于射電天文觀測的太赫茲頻段外差式接收機,該接收機利用了620～650 GHz的太赫茲BWO輻射源,再經(jīng)過倍頻后作接收機的本振源。美國NASA也在積極進行類似研究工作。日本設計了基于返波管的太赫茲成像系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)BWO電極的工作電壓可以實現(xiàn)工作頻率在520～710GHz范圍調(diào)諧。俄羅斯科學院研究了基于BWO太赫茲輻射源的光譜測量方法和實驗系統(tǒng)。

回旋管和擴展互作用器件可輸出大功率,可望在太赫茲雷達方面有重要應用前景。美國陸軍研究中心從20世紀80到90年代一直在研究0.225 THz相干雷達(如圖7所示),采用CPI公司的EIO作為雷達發(fā)射機,EIO的頻率0.225 THz,峰值功率60W,脈沖重復頻率5～20 kHz,脈沖寬度50～500 ns,占空比 0.005[18]。該雷達性能很好,可以觀察到3.5 km的目標,可測量移動目標(車輛)的多普勒譜,可以分辨出坦克車體和履帶的多普勒信號,如圖8所示。

圖7 0.225 THz相干雷達Fig.7 0.225 THz coherent radar

圖8 坦克的多普勒信號Fig.8 Doppler signal of tank

回旋管的脈沖輸出功率可達100 kW以上,平均功率可達10 kW以上,可用于遠程高分辨雷達系統(tǒng)[19]。目前美國采用94 GHz(0.1 THz)回旋速調(diào)管和回旋行波管研制了雷達系統(tǒng),如圖9所示,可以看到94 GHz回旋行波管雷達成像實驗結果。要得到更清晰的圖像,看到更小的物體,除需要高功率外,還需要高頻率與高帶寬。除了已有的94 GHz回旋放大器以外,美國、俄羅斯等更在加緊研究力爭將其推進至太赫茲頻段,占領這個新的制高點。美國通信與功率工業(yè)公司(CPI)報道了工作在105～140 GHz、118 GHz、127GHz和140 GHz具有很高的效率、輸出功率在1.08 MW左右[20]的回旋放大器。日本國際原子能機構(JAEA)研究出回旋振蕩管,得到頻率170GHz,脈沖功率大于1.02MW時可持續(xù)800 s,總效率達55%[21]。

圖9 94GHz回旋行波管雷達成像實驗結果Fig.9 Experiment result of 94GHz gyro-TWT imaging radar

4 結束語

本文對太赫茲的現(xiàn)狀及其發(fā)展作了綜述。太赫茲波具有帶寬極寬、波束窄、信噪比高等特性,在軍事方面有著十分重要的應用前景。從目前情況來看,基于真空電子學的太赫茲器件在大功率應用方面具有明顯優(yōu)勢,其輸出功率遠高于其他太赫茲器件,因而太赫茲電真空器件毫無疑問將在高分辨率雷達、精密制導、保密通信、目標探測和電子對抗等軍事應用中發(fā)揮關鍵作用。

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