太赫茲返波振蕩器的應(yīng)用及研究進(jìn)展

胡林林，蔡金赤，陳洪斌

（中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川綿陽621900）

太赫茲返波振蕩器的應(yīng)用及研究進(jìn)展

胡林林，蔡金赤，陳洪斌

（中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川綿陽621900）

太赫茲返波振蕩器是一種功率高、寬帶可調(diào)諧、可在常溫下連續(xù)波工作的輻射源.本文介紹了太赫茲返波振蕩器在太赫茲技術(shù)研究中的應(yīng)用需求及其發(fā)展現(xiàn)狀，說明返波振蕩器在太赫茲技術(shù)研究中的重要作用和前景，并對(duì)太赫茲返波振蕩器的最新動(dòng)態(tài)、技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，可供該種管型研究的參考.

返波振蕩器；太赫茲

1 引言

太赫茲（Terahertz，THz）波具有寬瞬時(shí)帶寬、高信噪比、低輻射能量等獨(dú)特性質(zhì).太赫茲波對(duì)非極性物質(zhì)有很強(qiáng)穿透性，許多大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率均落于此波段.因此，太赫茲波可應(yīng)用于雷達(dá)、通信、探測(cè)成像、光譜分析、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域.太赫茲技術(shù)已成為對(duì)國(guó)防建設(shè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展有重要影響的前沿學(xué)科，世界上主要發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)太赫茲技術(shù)的研究給予了高度重視［1～3］.

隨著太赫茲技術(shù)應(yīng)用的迅速發(fā)展，太赫茲信號(hào)源已成為技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素.在太赫茲探測(cè)成像、透射波譜分析、太赫茲波與物質(zhì)的非線性作用現(xiàn)象研究、以及太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)研制等方面都需要大功率、寬帶可調(diào)諧、常溫工作、結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低廉的太赫茲信號(hào)源.返波振蕩器（Backward Wave Oscillator，BWO）作為經(jīng)典的電真空器件，具有較高的功率水平、極佳的單色特性和極化性能［3］，通過改變工作電壓可實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)諧，相對(duì)帶寬能達(dá)到30%以上.BWO為全金屬結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，熱力性能良好，可在常溫下以連續(xù)波狀態(tài)工作.通過結(jié)合LIGA、DRIE、MEMS等微加工工藝，BWO工作頻率能延伸到1.0THz以上，采用倍頻技術(shù)頻率能達(dá)到2.0THz以上.因此，開展對(duì)THz-BWO的研究與應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義.本文將對(duì)THz-BWO目前的應(yīng)用需求和研究狀況進(jìn)行介紹，并對(duì)其發(fā)展過程中的難點(diǎn)進(jìn)行分析，期望能夠?yàn)槲磥硌芯抗ぷ魈峁﹨⒖己蛶椭?

2 返波振蕩器在太赫茲技術(shù)中的應(yīng)用

2.1基于THz-BWO的連續(xù)波成像系統(tǒng)

太赫茲波光子能量低，與X射線相比不會(huì)造成電離損傷，并且可以穿透大多數(shù)非極性的電介質(zhì)，因此可以通過太赫茲成像來進(jìn)行無損探測(cè)、安全檢查、質(zhì)量監(jiān)測(cè)等.太赫茲成像技術(shù)還具有較高的圖像分辨率和景深，在許多研究領(lǐng)域顯示出無與倫比的實(shí)用價(jià)值.

鑒于THz-BWO可連續(xù)波工作、功率大，而且成本較低，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都建立起基于THz-BWO的連續(xù)波成像系統(tǒng).太赫茲連續(xù)波成像系統(tǒng)不需要采用泵浦探測(cè)，因此系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本相比脈沖成像系統(tǒng)大大降低.同時(shí)，由于不需要像脈沖系統(tǒng)那樣獲得光譜數(shù)據(jù)，因此成像速度更快.

早在2004年，日本物理化學(xué)研究所、太赫茲遙感與成像實(shí)驗(yàn)室和名古屋大學(xué)就已經(jīng)建立了基于THz-BWO的成像系統(tǒng)［4］.該系統(tǒng)調(diào)頻范圍0.52～0.71THz，信噪比可達(dá)到10000∶1，具有良好的波前特性和穩(wěn)定的功率輸出，最高輸出功率15mW.日本利用這套基于 THz-BWO的成像系統(tǒng)進(jìn)行了多種成像實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)了非透明材料制成的包裹、信封和其他包裝物中的物體，以此演示了太赫茲波具有對(duì)非透明材料的透射成像能力.在此基礎(chǔ)上，開展了許多太赫茲成像的應(yīng)用研究，如對(duì)材料的無損探測(cè)、水吸收參數(shù)的檢測(cè)、生物樣本的成像以及對(duì)器官組織的成像.

2.2物質(zhì)的光譜分析與電參數(shù)測(cè)量

由于THz-BWO的頻率連續(xù)可調(diào)，因此基于THz-BWO成像系統(tǒng)能夠獲得物體的光譜信息，能進(jìn)行材料的時(shí)域光譜分析，特性分析及參數(shù)測(cè)量.

早在上世紀(jì)90年代起，俄羅斯科學(xué)院開始研究基于THz-BWO的光譜測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).利用基于BWO的光譜分析方法，可以獲得材料的入射/反射系數(shù)和介電參數(shù)（介電常數(shù)、吸收率、電導(dǎo)率等），從而分析出材料的物理特性［5～8］.俄羅斯科學(xué)院開展了大量的材料分析實(shí)驗(yàn)，研究了單晶材料、陶瓷、玻璃、粉末、液體、薄膜、纖維等多種材料在太赫茲頻段的電力學(xué)特性以及物質(zhì)寬頻介電特性.實(shí)驗(yàn)的成像系統(tǒng)采用了一系列頻段相銜接的THz-BWO，覆蓋頻率0.1～1.0THz、頻率分辨率10-5、動(dòng)態(tài)范圍（信噪比）10-4～10-6、極化率達(dá)到99.99%.

2.3射電天文觀測(cè)和遙感中的應(yīng)用

THz-BWO可作為低噪聲外差接收機(jī)的本振源，應(yīng)用于低背景的射電天文觀測(cè)，彗星、地球及其他行星大氣層的遙感.德國(guó)研制的第一代用于紅外天文學(xué)研究的平流層觀測(cè)天文臺(tái)SOFIA（the Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy）即裝備了太赫茲波段外差式接收機(jī)GREAT，采用的是俄羅斯ISTOK公司OB80型BWO（頻率0.62～0.65THz）和倍頻器作為本振信號(hào)源，可覆蓋頻率1.6～1.9THz、2.4～2.7THz及4.7THz［9］.如在低頻段，通過該BWO產(chǎn)生633GHz的信號(hào)，再經(jīng)過三倍頻器，產(chǎn)生1.9THz的本振信號(hào)，發(fā)送信號(hào)功率2.5μW.該外差式接收機(jī)初步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明其性能指標(biāo)已滿足德國(guó)聯(lián)邦航空局的安全標(biāo)準(zhǔn)和航空認(rèn)證要求.

2.4其他方面的應(yīng)用需求

（1）作為太赫茲放大器的前級(jí)驅(qū)動(dòng)源

在對(duì)太赫茲電真空器件，如回旋行波管放大器、折疊波導(dǎo)行波管、擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器的研究中，為獲得更大的功率，前級(jí)驅(qū)動(dòng)源要求具有足夠高的功率水平，并且能有足夠的帶寬且頻率可調(diào).THz-BWO是比較理想的太赫茲波段放大器前級(jí)驅(qū)動(dòng)源.從2009年至今，中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所一直在進(jìn)行對(duì)太赫茲電真空器件的研制［10，11］.在對(duì)0.14THz回旋行波管、0.14THz/0.22THz折疊波導(dǎo)行波管等實(shí)驗(yàn)中都采用了THz-BWO源作為驅(qū)動(dòng)前級(jí).

（2）作為太赫茲波段元件檢測(cè)與參數(shù)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源

由于THz-BWO能覆蓋頻率0.1THz～1.0THz，通過擴(kuò)頻能到更高的太赫頻段，且功率高，可調(diào)頻，單頻性能好.因此，THz-BWO能為太赫茲波段元件，如衰減器、檢波器、隔離器、波導(dǎo)等的檢測(cè)和標(biāo)定提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源［12］.

此外，THz-BWO還能用于太赫茲雷達(dá)通信的演示實(shí)驗(yàn).隨著太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)領(lǐng)域的深入研究，以及在寬帶通信、探測(cè)成像、材料表征、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用方面的技術(shù)成熟，由此帶動(dòng)的交叉研究將會(huì)有力的推動(dòng)和促進(jìn)相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展，THz-BWO將會(huì)有更大的科學(xué)價(jià)值和更廣闊的應(yīng)用前景［13］.

3 THz-BWO的研究進(jìn)展

3.1國(guó)外對(duì)THz-BWO的研究

隨著頻率進(jìn)入太赫茲頻段，BWO慢波系統(tǒng)尺寸急劇縮小，器件特征結(jié)構(gòu)尺寸在亞毫米甚至微米量級(jí)，THz-BWO必須采用新型的慢波結(jié)構(gòu).同時(shí)，THz-BWO慢波結(jié)構(gòu)越來越精密，已經(jīng)達(dá)到了微機(jī)械加工的極限，因此THz-BWO的研制必須結(jié)合先進(jìn)的微加工工藝，如MEMS技術(shù)、LIGA技術(shù)、DEM等工藝技術(shù)，引入固態(tài)加工技術(shù).而由于器件結(jié)構(gòu)小，焊接封裝工藝、陰極材料性能、磁場(chǎng)材料及裝配、散熱性能等都對(duì)制管有巨大影響.因此，目前世界上只有少數(shù)國(guó)家能完成THz-BWO的制管工作.

3.1.1俄羅斯

早在上世紀(jì)90年代，俄羅斯已經(jīng)報(bào)道有THz-BWO產(chǎn)品銷售［14］.俄羅斯ISTOK公司60年來一直在進(jìn)行電真空器件及固態(tài)器件的研制工作.目前，ISTOK公司研制的OB系列可調(diào)諧BWO產(chǎn)品，能覆蓋頻率36GHz～1.4THz，部分型號(hào)參數(shù)如表1所示［15，16］.OB系列BWO作為產(chǎn)品已經(jīng)出售到美國(guó)、加拿大、德國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家，用在各種設(shè)備上［9］.如圖1所示為OB-83型號(hào)BWO，工作于0.9THz～1.1THz，重量小于250g.近年來，ISTOK正在研究如何降低功率損耗，計(jì)劃從270W降低至40W，直到能用風(fēng)冷冷卻；同時(shí)增加輸出功率，減小磁系統(tǒng)體積，擴(kuò)展頻率到2THz～3THz.

表1　ISTOK公司部分THz-BWO參數(shù)（永磁聚焦）

3.1.2美國(guó)

美國(guó)Microtech Instruments公司擁有同ISTOK公司相同的太赫茲系列返波管產(chǎn)品，即QS系列THz-BWO，每種頻段的BWO應(yīng)用倍頻技術(shù)，形成可覆蓋頻率從0.1THz～2.2THz的信號(hào)源［17］.圖2為QS1-180型BWO的照片，圖3為QS系列THz-BWO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，顯示慢波結(jié)構(gòu)為一維光柵結(jié)構(gòu).

從本世紀(jì)初開始，美國(guó)Calabazas Creek Research （CCR）公司在NASA的支持下進(jìn)行高效率、輕型的0.3THz～1.5THz-BWO的研究［18～20］，這些BWO將用作外差接收機(jī)的本振源.2003年，Lawrence Ives報(bào)道了CCR公司對(duì) THz-BWO的研究情況，介紹了0.6THz～0.7THz-BWO的電子槍、慢波結(jié)構(gòu)、輸出耦合器以及輸出窗等各部分的設(shè)計(jì)情況.電子束為帶狀電子束，電流密度約125A/cm2，工作電壓3kV～6kV，電流15mA～40mA.慢波結(jié)構(gòu)為二維金屬柱陣列結(jié)構(gòu)，如圖4所示，它由五排垂直的矩形金屬柱組成，每個(gè)金屬柱橫截面20μm×20μm，高80μm，每排相鄰金屬柱之間的距離為30μm，排間隙34μm，每排由300個(gè)金屬柱組成.電子緊貼金屬柱陣列運(yùn)動(dòng)，由此得到更有效的相互作用.計(jì)算得到的功率為6mW～8mW，帶寬100GHz.慢波的制造采用的是LIGA工藝.

2004年11月CCR公司研制出了0.6THz～0.7THz-BWO樣管，并在NASA JPL實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試［19］，但遺憾的是測(cè)試沒有檢測(cè)到太赫茲信號(hào)，通過對(duì)BWO解剖判斷電子束產(chǎn)生了畸變，沒有沿慢波電路方向.隨后，2007年CCR公司對(duì)該BWO進(jìn)行了改進(jìn)和測(cè)試，樣管得到了近50%的束流傳輸率，但太赫茲信號(hào)的測(cè)試結(jié)果依然沒有報(bào)道［20］.到目前為止，作者尚未查詢到CCR公司關(guān)于該BWO的后續(xù)報(bào)道.

3.1.3韓國(guó)

除俄羅斯和美國(guó)外，其他國(guó)家如韓國(guó)、意大利和英國(guó)也在積極研究THz-BWO，提出了一些新的慢波結(jié)構(gòu)，做了很多理論與粒子模擬方面以及加工工藝方面的研究.

韓國(guó)學(xué)者Young-Min Shin對(duì)太赫茲微電真空器件理論設(shè)計(jì)和微加工工藝進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究.早在2006年，Young-Min Shin采用兩步X-LIGA工藝對(duì)兩種0.1THz-BWO的慢波電路進(jìn)行了加工和測(cè)試［21］.兩步X-LIGA加工得到耦合腔結(jié)構(gòu)本征頻率與計(jì)算相差1.1%，折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與計(jì)算相差1.4%，尺寸公差在2μm以下，測(cè)量得到表面粗糙度為20nm～70nm.2010年，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)報(bào)道了對(duì)0.1THz耦合腔返波管的研制情況，其制管工藝即采用了兩步 X-LIGA［22］.圖5為加工出的慢波線和整管照片，經(jīng)顯微鏡測(cè)量X-LIGA加工最大誤差小于5μm.整管的S11參數(shù)經(jīng)過矢網(wǎng)冷測(cè)，結(jié)果與計(jì)算相比較顯示在0.1THz附近平均偏差為2dB.管子采用收斂型電子槍，電壓12kV，電流50mA，采用PPM聚焦，降壓收集極回收效率75%.PIC模擬計(jì)算得到的輸出功率為15W，但文獻(xiàn)［22］中沒有報(bào)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2008年，Young-Min Shin及其合作者提出了一種交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)［23，24］，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，交錯(cuò)雙柵為兩個(gè)一維梳狀結(jié)構(gòu)，上下相對(duì)，交錯(cuò)半個(gè)周期的封閉金屬結(jié)構(gòu).Young-Min Shin認(rèn)為該結(jié)構(gòu)具有良好的傳輸特性，較寬的帶寬和較大的增益，其效率比一般太赫茲器件高，非常適用于研制太赫茲寬帶放大器或振蕩器. Young-Min Shin研究了用 UV-LIGA和DRIE工藝來加工該結(jié)構(gòu)［25］，研究表明：加工出的慢波結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)與模擬計(jì)算值相差小于1dB，工作模式的色散曲線偏差在2%以內(nèi).掃描電子顯微鏡和原子顯微鏡對(duì)加工的樣品分析顯示，兩種微電加工工藝方法的尺寸公差為±3μm～5μm，表面粗糙度～30nm.

3.1.4意大利和英國(guó)

在過去十多年的時(shí)間里，歐盟為研制太赫茲源啟動(dòng)了多個(gè)項(xiàng)目，其中 FP7 European Community Project“Optically Driven Terahertz Amplifiers（OPTHER）”項(xiàng)目目標(biāo)在于研制太赫茲領(lǐng)域特定應(yīng)用的元件，即基于行波管機(jī)理的小型化太赫茲放大器的設(shè)計(jì)與集成［26，27］，選擇的技術(shù)路線為返波放大器.在OPTHER支持下，意大利Roma Tor Vergata大學(xué)電子工程學(xué)院Claudio Paoloni、Mauro Mineo及英國(guó)Lancaster大學(xué)Rosa Letizia等人開展了對(duì)太赫茲真空器件，如返波振蕩器、返波放大器、行波管等的研究.

2010年，在THz-BWO和THz-TWT方面，Mauro Mineo和 Claudio Paoloni提出了矩形波紋-矩形波導(dǎo)（Corrugated Rectangular Waveguide）慢波結(jié)構(gòu)［28］，如圖7所示，即矩形波導(dǎo)內(nèi)部的一寬邊為光柵結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)具有較高的耦合阻抗能補(bǔ)償在太赫茲頻率下的高損耗，并且輸能耦合部分不需要結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，直接以波導(dǎo)方式輸出.這種結(jié)構(gòu)適合DRIE、LIGA或UV-LIGA微加工工藝.對(duì)采用此慢波結(jié)構(gòu)的0.9THz～1.1THz-BWO模擬計(jì)算表明：在電壓從8kV增加到16kV時(shí)，頻率從0.9THz增加到1.1THz，功率從100mW增大至420mW，互作用效率達(dá)到最大0.3%.

雖然波紋波導(dǎo)中的場(chǎng)分布適用于帶狀電子束，但是帶狀電子束畢竟不如圓形電子束成熟.然而，圓形電子束又由于局限在縱向電場(chǎng)分量分布的小區(qū)域范圍內(nèi)，束波互作用效率不高.因此，Mauro Mineo和Claudio Paoloni提出了另一種慢波結(jié)構(gòu)，即雙矩形波紋-矩形波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)［29，30］，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，即在矩形波導(dǎo)內(nèi)部的一寬邊面上中間沿縱向周期排列兩列矩形塊，在這兩排矩形塊之間為電子束通道.這種慢波結(jié)構(gòu)的明顯優(yōu)點(diǎn)在于能利用現(xiàn)有的成熟的Pierce電子槍產(chǎn)生圓形電子束，結(jié)構(gòu)的微加工也比較容易.兩排矩形塊之間的縱向電場(chǎng)分量呈準(zhǔn)圓形的橫向分布，保證了電子束與太赫茲波之間的強(qiáng)相互作用.他們?cè)?.65THz-BWO 和1.0THz-BWO的設(shè)計(jì)中采用了這種慢波結(jié)構(gòu).

從公開發(fā)表的文獻(xiàn)上看，盡管Claudio Paoloni和Mauro Mineo等人在THz-BWO研究上提出了一些新的慢波結(jié)構(gòu)，并做了很多粒子模擬的工作，但對(duì)器件的研究也僅限于束波互作用部分，并沒有考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)的損耗、輸能結(jié)構(gòu)的損耗、電子束質(zhì)量影響等問題.至今為止，尚沒有關(guān)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面的報(bào)道.

3.2國(guó)內(nèi)對(duì)THz-BWO的研究

自2005年后，國(guó)家對(duì)太赫茲技術(shù)研究給予了大力的支持，國(guó)內(nèi)的一些高校和研究院所相繼開展了太赫茲源方面的研究.在太赫茲電真空器件的研究方面，電子科技大學(xué)、北京真空電子技術(shù)研究所、中科院電子所、中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所等單位對(duì)太赫茲電真空器件，如太赫茲擴(kuò)展互作用器件、太赫茲折疊波導(dǎo)器件、THz-BWO以及制管工藝等方面開展了研究［31～34］，目前尚未有研制成功 THz-BWO的報(bào)道.

電子科技大學(xué)對(duì)矩形波導(dǎo)柵型慢波結(jié)構(gòu)、交錯(cuò)雙柵結(jié)構(gòu)等慢波電路進(jìn)行了理論研究，并開展了 PIC仿真設(shè)計(jì).例如，2008年路志剛的博士論文中對(duì)矩形波導(dǎo)柵型慢波結(jié)構(gòu)做了大量的理論工作并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究，提出了多種有利于提高性能的變形結(jié)構(gòu)［35］；2010年，殷勇在論文中對(duì)齒狀光柵結(jié)構(gòu)的慢波電路進(jìn)行了研究［36］，并設(shè)計(jì)了一種工作頻率360GHz的BWO.通過對(duì)互作用電路的耦合阻抗的分析認(rèn)為，齒狀光柵結(jié)構(gòu)可以減小輻射源對(duì)陰極發(fā)射電流密度的要求.在工作電壓為19.5kV，電流75mA時(shí)，PIC模擬得到8W的平均功率，考慮器件在脈沖狀態(tài)工作，該BWO可以得到4mW的平均功率輸出；2012年，賴劍強(qiáng)博士論文中對(duì)交錯(cuò)雙柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究［37］，并設(shè)計(jì)了交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)的W波段和140GHz頻段帶狀電子注BWO.但是，上述的研究目前都尚未見實(shí)驗(yàn)成功的報(bào)道.

由此可見，國(guó)內(nèi)的太赫茲技術(shù)研究的開展仍然受到缺乏大功率、寬帶可調(diào)諧、結(jié)構(gòu)緊湊、常溫工作、造價(jià)低的太赫茲輻射源的困擾.許多科研單位不得不進(jìn)口THz-BWO源以及元器件產(chǎn)品，然而這些產(chǎn)品價(jià)格昂貴，維護(hù)和檢修費(fèi)用高且極不方便.因此，自主研發(fā)以THz-BWO為代表的太赫茲輻射源是我國(guó)太赫茲研究領(lǐng)域的緊要任務(wù).

4 THz-BWO的研究新動(dòng)態(tài)與應(yīng)用新動(dòng)向

從前面分析看來，除了俄羅斯ISTOK公司和美國(guó)Microtech公司擁有成熟的THz-BWO產(chǎn)品外，還沒有其他國(guó)家有研制成功 THz-BWO的報(bào)道，也未見有實(shí)驗(yàn)結(jié)果.然而，最近幾年不少研究機(jī)構(gòu)提出了新的THz-BWO慢波結(jié)構(gòu)，并開辟了THz-BWO新的應(yīng)用領(lǐng)域，為THz-BWO的研究提供了新的思路.關(guān)于這方面的研究進(jìn)展，在最近幾年國(guó)際真空電子學(xué)會(huì)議（International Vacuum Electronics Conference，IVEC）上都有報(bào)道.

2014年IVEC會(huì)議上，韓國(guó)三星高等技術(shù)研究所和美國(guó)CCR公司Chan-Wook Baik等人提出了一種增強(qiáng)束波互作用效率，提高輻射功率的多通道BWO結(jié)構(gòu)［38］.如圖9所示，這種結(jié)構(gòu)是在返波管諧振腔慢波結(jié)構(gòu)電路基礎(chǔ)上，在電子束通道上方和下方各增加了一條通道，Chan-Wook Baik認(rèn)為這兩個(gè)輔助通道具有增強(qiáng)波傳輸效率、互作用阻抗和真空電導(dǎo)率的作用.這種電路的制作工藝也比較容易，即在硅基片上采用DRIE進(jìn)行多層微加工.PIC計(jì)算表明在電壓12kV～15kV、電流50mA～70mA時(shí)，輸出功率約9W、頻率在0.096THz～0.105THz，與無多通道結(jié)構(gòu)相比，功率提高了1.6倍.

2013年IVEC和2014年IVEC會(huì)議上，英國(guó)Lancaster大學(xué)的Rosa Letizia提出由光子晶體替代矩形波紋-矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)壁的慢波結(jié)構(gòu)［39，40］.Rosa Letizia認(rèn)為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于輸能結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)具有相同的尺寸，不需要另作結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，但是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)封閉且尺寸小，不利于管子排氣，較難獲得較高的真空度.光子晶體的禁帶特點(diǎn)可作為一種有效而靈活的頻率選擇技術(shù).用二維光子晶體結(jié)構(gòu)替代波導(dǎo)側(cè)壁，使波導(dǎo)由封閉結(jié)構(gòu)變成自然開敞結(jié)構(gòu)，但又不會(huì)影響波導(dǎo)中波的傳輸，因而擴(kuò)大了波導(dǎo)的空間，利于管子的排氣和裝配.光子晶體結(jié)構(gòu)如圖10所示，它由正方形金屬銅柱在平面上排列的周期方陣組成.在0.6THz～0.7THz頻率范圍內(nèi)，光子晶體限制了TE和TM模式的傳輸，將波的傳輸限制在矩形波紋內(nèi).通過PIC模擬表明：采用200 ×20μm2，10kV/6mA的帶狀電子束，0.6T的均勻磁場(chǎng)，110個(gè)周期結(jié)構(gòu)時(shí)，輸出峰值功率為90mW，頻率0.641THz.

值得關(guān)注的是在2015IVEC會(huì)議上，英國(guó)Lancaster大學(xué)Claudio Paoloni和美國(guó)California大學(xué)Davis分校的Branko Popovic報(bào)道了 THz-BWO新的應(yīng)用需求及目前的研究進(jìn)展［41］.太赫茲波由于能探測(cè)等離子體中電子的密度波動(dòng)，表征小尺度等離子體擾動(dòng)的特性，而廣泛地用于核聚變反應(yīng)堆中High-k等離子體collective scattering診斷.譬如，美國(guó)Princeton大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的NSTX-U裝置，診斷用太赫茲波的頻率要求在0.346THz～0.693THz.體積大、費(fèi)用昂貴的遠(yuǎn)紅外激光器是目前唯一可用的儀器.目前，一個(gè)由美國(guó)UC Davis、英國(guó)Lancaster大學(xué)、中國(guó)的電子科技大學(xué)和北京真空電子技術(shù)研究所參與的國(guó)際合作項(xiàng)目正在進(jìn)行，該項(xiàng)目計(jì)劃研制工作頻率0.346THz以上、輸出功率幾百毫瓦的BWO，替代目前在等離子體診斷中使用的光學(xué)泵浦遠(yuǎn)紅外激光器.

該項(xiàng)目的BWO慢波結(jié)構(gòu)采用交錯(cuò)雙柵結(jié)構(gòu)和雙波紋波導(dǎo)兩種候選結(jié)構(gòu)，交錯(cuò)雙柵結(jié)構(gòu)采用16mA、寬度300μm的橢圓電子束，PIC模擬功率為1W；雙波紋波導(dǎo)采用10mA，半徑50μm的圓形電子束，PIC模擬功率為0.45W.目前，這兩種結(jié)構(gòu)THz-BWO都在加工階段，由DMG-Mori-Seki下屬子公司Digital Technology Laboratory（DTL），采用最先進(jìn)的NN1000納米CNC機(jī)床加工，并已經(jīng)加工出了用于冷測(cè)的交錯(cuò)雙柵結(jié)構(gòu)［42］.

5 THz-BWO的技術(shù)難點(diǎn)

5.1加工工藝

工作頻率進(jìn)入太赫茲頻段后，通常的精密加工工藝很難達(dá)到微米乃至亞微米這樣的精度，因此必須采用新的加工工藝.目前，LIGA、DRIE、EDM等精密微加工技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了太赫茲器件的加工中，尤其是UVLIGA技術(shù)已成為太赫茲慢波結(jié)構(gòu)加工最有效的方法之一.國(guó)內(nèi)在UV-LIGA加工工藝研究方面，北京真空技術(shù)研究所具有較高的水平.2012年，他們對(duì)0.34THz折疊波導(dǎo)行波管慢波結(jié)構(gòu)UV-LIGA加工精度達(dá)到了0.1μm.2013年IVEC會(huì)議上，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室報(bào)道他們?cè)谔掌澛娐稶V-LIGA微加工方面取得了突破性的成果［43］，成功地加工出了670GHz-EIK階梯結(jié)構(gòu)，束通道直徑0.004inch（0.1016mm），精度在亞微米量級(jí).這 種工藝 還具 有 應(yīng)用于0.85THz、1.03THz、1.35THz、1.5THz器件加工的能力.另外，納米CNC也是目前正在嘗試的微加工工藝，如文獻(xiàn)［42］報(bào)道，采用納米CNC工藝加工出了0.346THz-BWO的交錯(cuò)雙柵結(jié)構(gòu)，但表面粗糙度較差，表征參數(shù)為100nm～200nm.

5.2陰極技術(shù)

THz-BWO的電子束靠強(qiáng)均勻磁場(chǎng)約束，電子槍通常為非收斂型電子槍.在保證起振及一定大小功率，且微細(xì)結(jié)構(gòu)的情況下，陰極發(fā)射電流密度需要達(dá)到上百安培每平方厘米，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)微波器件中的陰極電流發(fā)射密度.目前，國(guó)內(nèi)比較成熟穩(wěn)定的陰極發(fā)射電流密度在幾安培每平方厘米.北京真空電子技術(shù)研究所一直致力于對(duì)陰極性能的研究，最近報(bào)道的熱陰極研究結(jié)果為：采用溶膠-凝膠法制備的平均粒徑450nm含鈧擴(kuò)散陰極，在1050℃得到了超過100A/cm2的脈沖發(fā)射電流密度，重復(fù)頻率200Hz，脈寬10μs.這是目前國(guó)內(nèi)在脈沖狀態(tài)下最大陰極發(fā)射電流密度［44］.

值得注意的是在2013年IVEC會(huì)議上，美國(guó)California大學(xué)Davis分校 Anisullan Baig介紹了美國(guó)DARPA HiFIVE項(xiàng)目對(duì)220GHz超寬帶行波管放大器研究進(jìn)展［45］，其第一支HiFIVE-TWT器件的陰極采用的正是北京真空技術(shù)研究所的含鈧擴(kuò)散陰極.經(jīng)過用帶狀電子槍分析儀測(cè)試表明：在20kV脈沖電壓下，最大電流420mA，截面0.00747cm2（614μm×1550μm橢圓陰極），陰極發(fā)射電流密度達(dá)到56.2A/cm2［46］.

國(guó)外的陰極技術(shù)比國(guó)內(nèi)高，從俄羅斯ISTOK公司和美國(guó)Microtech公司的THz-BWO產(chǎn)品介紹中可以看出陰極發(fā)射電流密度能達(dá)到100A/cm2～300A/cm2.大電流密度陰極的另外一個(gè)發(fā)展方向是場(chǎng)致發(fā)射陰極，場(chǎng)致發(fā)射陰極具有啟動(dòng)速度快，電流密度大，容易實(shí)現(xiàn)小型化，和MEMS工藝兼容的特點(diǎn)，在常溫下就可以發(fā)射電子，不會(huì)產(chǎn)生熱變形問題，以場(chǎng)發(fā)射冷陰極作為太赫茲源有著十分誘人的前景，其缺點(diǎn)是工藝可靠性不高，工作過程中易發(fā)電弧損壞，目前還沒法替代熱陰極.

5.3損耗問題

信號(hào)傳輸?shù)闹饕系K在于傳導(dǎo)損耗，尤其在太赫茲頻段，金屬壁的表面粗糙度接近或大于趨膚深度，會(huì)產(chǎn)生比理論損耗大得多且不可估量的損耗.因此，在互作用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須仔細(xì)評(píng)估損耗.損耗問題與加工工藝直接相關(guān)，在制造階段應(yīng)采用滿足表面粗糙度要求的加工工藝.

5.4磁場(chǎng)技術(shù)

THz-BWO需采用暴力聚焦的方式對(duì)電子束進(jìn)行聚束，磁場(chǎng)強(qiáng)度非常大，如 Microtech公司的QS1-710BWO，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1.2T.磁塊材料的選擇與磁場(chǎng)的安裝成為較大的難題，磁場(chǎng)的組裝需要克服巨大的吸引力或斥力，稍有不慎會(huì)造成人員傷害和磁鋼的破碎.因此，磁場(chǎng)系統(tǒng)需要精心的設(shè)計(jì)與裝配.

除上述幾點(diǎn)外，THz-BWO的技術(shù)難點(diǎn)還包括注波互作用的效率問題、小尺寸寬帶大功率容量輸能窗的設(shè)計(jì)問題、高效熱控制和高效散熱問題，以及制管時(shí)零部件的焊接、封裝、排氣等工藝.可以說THz-BWO的每一部分都存在很大的技術(shù)難度，制管過程的每一步都充滿了風(fēng)險(xiǎn).

6 結(jié)束語

本文對(duì)THz-BWO的技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展水平現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，介紹了THz-BWO在太赫茲技術(shù)研究領(lǐng)域的諸多方面的應(yīng)用，充分顯現(xiàn)了THz-BWO在太赫茲技術(shù)研究中的科學(xué)價(jià)值和光明的應(yīng)用前景.同時(shí)，對(duì)THz-BWO的研究現(xiàn)狀、新的動(dòng)態(tài)和應(yīng)用和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析或總結(jié).

我國(guó)在THz-BWO的研究上相對(duì)落后，許多關(guān)鍵技術(shù)和制管工藝有待突破，早日研制出能覆蓋全太赫茲電子學(xué)頻段0.1THz～1.0THz的返波管源，將擺脫對(duì)進(jìn)口THz-BWO源的依賴，為推動(dòng)我國(guó)太赫茲技術(shù)的發(fā)展起到巨大的促進(jìn)作用.

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胡林林 男，1979年7月出生，湖北荊州人.中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所副研究員.研究方向?yàn)樘掌濍娬婵掌骷?

E-mail：9970244@qq.com

蔡金赤 男，1987年6月出生，四川南充人.2011年畢業(yè)于清華大學(xué)，現(xiàn)為清華大學(xué)工程物理系在讀博士研究生，從事太赫茲技術(shù)方面的有關(guān)研究.

E-mail：caijinchino1@163.com

陳洪斌 男，1971年9月出生，重慶豐都人.中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所研究員.研究方向?yàn)楹撩撞?太赫茲電真空器件.

E-mail：ch-hongbin@126.com

Applications and Development of Terahertz Backward Wave Oscillators

HU Lin-lin，CAI Jin-chi，CHEN Hong-bin

（Institute of Applied Electronics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang，Sichuan 621900，China）

The terahertz backward wave oscillator（THz-BWO）is a THz radiation source with the virtue of high power，tunable broad bandwidth and continuous wave operating at normal temperature.The applications of terahertz backward wave oscillator and its development in THz technology were presented in this paper.It shows that the THz-BWO plays important roles and has bright future in THz research.The state of the art and difficulties of THz-BWO were summarized.It could be a reference for THz-BWO study.

backward wave oscillator；terahertz

TN24

A

0372-2112（2016）04-0974-09

電子學(xué)報(bào)URL：http：//www.ejournal.org.cn 10.3969/j.issn.0372-2112.2016.04.031

2014-10-10；

2015-07-31；責(zé)任編輯：孫瑤

國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（No.2013AA8122002B）