太赫茲真空電子器件的發(fā)展及其在雷達(dá)中的應(yīng)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(fā)現(xiàn)它處于電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)域，因此既具有波的特性同時(shí)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(kāi)發(fā)的區(qū)域。近些年來(lái)隨著電磁波譜資源的緊張，太赫茲波的技術(shù)得到了廣泛的重視和迅猛的發(fā)展，在很多領(lǐng)域開(kāi)始展現(xiàn)出巨大應(yīng)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(zhǎng)，因此它有著更顯著的多普勒效應(yīng)，能夠更好地探測(cè)低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。由于太赫茲波有著較強(qiáng)的穿透性，因此他對(duì)目標(biāo)的細(xì)節(jié)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?；谶@些優(yōu)異的特性，太赫茲波在?？盏托÷繕?biāo)和隱身目標(biāo)的探測(cè)及高分辨率的雷達(dá)成像上有著極大的應(yīng)用潛力[4]。而上述太赫茲雷達(dá)功能的實(shí)現(xiàn)取決于微波輻射源的性能，近些年來(lái)，隨著半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，基于該器件優(yōu)秀的可靠性和穩(wěn)定性，全固態(tài)發(fā)射機(jī)在低頻率、低功率的有源相控陣應(yīng)用的情況下已經(jīng)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(yōu)勢(shì)，隨著頻率逐漸進(jìn)入太赫茲波段，國(guó)內(nèi)的固態(tài)器件還在起步階段，因此真空電子器件與固態(tài)器件將長(zhǎng)期并存和相互競(jìng)爭(zhēng)[5]。本文對(duì)目前太赫茲波段真空電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)以及它在雷達(dá)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對(duì)太赫茲真空電子器件和太赫茲雷達(dá)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 太赫茲電真空器件

1.1 常規(guī)電真空器件

經(jīng)過(guò)近1個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，真空電子器件已經(jīng)發(fā)展成為了一個(gè)非常龐大的家族，其中主要包括傳統(tǒng)的微波管，如行波管、速調(diào)管、反波管、擴(kuò)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(yīng)的影響，其結(jié)構(gòu)尺寸急劇縮小，這給器件加工帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[6]。而加工的粗糙度也會(huì)對(duì)該波段器件的性能造成很大影響。但隨著微細(xì)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(xiàn)出巨大的潛力。返波振蕩器具有快速電調(diào)諧實(shí)現(xiàn)頻率掃描的功能，是一種廣泛使用的實(shí)用化真空電子器件類型。俄羅斯應(yīng)用物理研究所(IAP)研制的返波管(BWO)，其工作頻率高達(dá)0.25 THz[7],并且已經(jīng)成功應(yīng)用于太赫茲成像系統(tǒng)。其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。目前返波管的工作頻率最高可以達(dá)到3 THz，連續(xù)波輸出功率達(dá)到MW級(jí)別。為了進(jìn)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(kāi)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(dá)到的性能指標(biāo)。

圖1 俄羅斯IAP基于0.25 THz BWO的太赫茲成像系統(tǒng)

圖2 返波管性能參數(shù)

隨著微細(xì)加工工藝的漸趨成熟以及太赫茲固態(tài)源的進(jìn)步給測(cè)試帶來(lái)的便利，太赫茲行波管的性能指標(biāo)獲得了巨大進(jìn)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(dá)的一種理想輻射源。美國(guó)的科研機(jī)構(gòu)與諾格公司基于HIFIVE計(jì)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(nèi)的輸出功率能達(dá)到50 W[8]，將其應(yīng)用于視頻合成孔徑雷達(dá)，諾格公司在2013年成功研制了采用0.22 THz折疊波導(dǎo)行波管的功率放大器，其示意圖見(jiàn)圖3。它采用5個(gè)圓形電子注并行排列，各自獨(dú)立通過(guò)5個(gè)折疊波導(dǎo)高頻放大鏈路，輸入信號(hào)通過(guò)金剛石輸能窗分成5路，分別進(jìn)入5路折疊波導(dǎo)高頻放大鏈路，與電子注進(jìn)行強(qiáng)烈的互作用，最后將放大信號(hào)在波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行合成。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)工作頻率為0.214 THz 的時(shí)候，輸出功率能達(dá)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(jié)構(gòu)圖

目前諾格公司已經(jīng)將行波管的工作頻率成功提升至1 THz，該行波管的高頻結(jié)構(gòu)為折疊波導(dǎo)，通過(guò)深反應(yīng)離子刻蝕加工大大降低了波導(dǎo)中的傳輸損耗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該行波管在頻率為1.03 THz時(shí)，輸出功率為29 mW，在0.642 THz時(shí)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(cè)試圖[9]。

圖4 1.03 THz行波管測(cè)試圖

速調(diào)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(fā)展?；趥鹘y(tǒng)速調(diào)管，科學(xué)家們研制出了一種新型的常規(guī)電真空器件——擴(kuò)展互作用器件，主要包括擴(kuò)展互作用振蕩管和擴(kuò)展互作用速調(diào)管兩種，作為一種結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)，因此受到了廣泛關(guān)注，尤其是在高頻率波段。目前美國(guó)的CPI公司在擴(kuò)展互作用器件的研制中占據(jù)主導(dǎo)地位，其0.1 THz的擴(kuò)展互作用器件的峰值功率能達(dá)到3 kW，平均功率為1 kW。由于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，目前在衛(wèi)星通訊、雷達(dá)、氣候觀測(cè)等方面有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。目前CPI公司已經(jīng)成功研制出工作頻率為0.22 THz的擴(kuò)展互作用振蕩器(EIO)器件，其輸出功率達(dá)到6 kW，其實(shí)物如圖5所示[10]。但目前擴(kuò)展互作用速調(diào)管的工作頻率還未突破至太赫茲波段。

通過(guò)對(duì)上述幾類常規(guī)電真空器件的介紹，可以發(fā)現(xiàn)MEMS微細(xì)加工工藝的應(yīng)用給真空電子器件的制造工藝和性能參數(shù)帶來(lái)了一個(gè)全新的變革。

1.2 回旋電真空器件

為了解決常規(guī)電真空器件在太赫茲波段所遇到的尺度共度效應(yīng)，各國(guó)科學(xué)家基于電子回旋脈塞機(jī)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(dá)探測(cè)和成像方面同樣具有很大的應(yīng)用前景?；匦骷饕直环譃榛匦袷幑芎突匦胁ü埽渲谢匦袷幑艿陌l(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛。

俄羅斯應(yīng)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(dá)1.3 THz，脈沖功率為500 W，其實(shí)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(guó)的卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)研制出的0.17 THz的同軸開(kāi)槽回旋振蕩管，其輸出功率達(dá)到2.2 MW，其實(shí)物見(jiàn)圖7[12]。各國(guó)對(duì)太赫茲回旋管的研究進(jìn)展如表1所示。

圖6 俄羅斯應(yīng)用物理研究院(IAP)的1.3 THz回旋振蕩管

圖7 0.17 THz同軸開(kāi)槽回旋振蕩管

目前國(guó)內(nèi)對(duì)太赫茲回旋器件的研究也取得了很大進(jìn)展并成功應(yīng)用于生物醫(yī)療和物體檢測(cè)等方面。

相比于回旋振蕩管，回旋行波管在太赫茲波段的發(fā)展則要遜色很多。這是因?yàn)殡S著頻率的上升，波導(dǎo)內(nèi)的損耗急劇升高，這給輸入與輸出結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，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(duì)回旋行波管的穩(wěn)定工作造成了很大的影響。因此目前對(duì)于回旋行波管的研究進(jìn)展還不多。目前只有美國(guó)的麻省理工大學(xué)先后研制出了工作在 0.14 THz 的共焦波導(dǎo)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(jié)構(gòu)來(lái)抑制寄生振蕩，從而保證放大器性能的穩(wěn)定。0.14 THz的共焦波導(dǎo)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(jiàn)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(dǎo)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(dá)中的應(yīng)用

通過(guò)上一節(jié)對(duì)太赫茲頻段真空電子器件的介紹，可以發(fā)現(xiàn)真空電子器件在太赫茲頻段的輸出功率相比于固態(tài)器件要高很多個(gè)量級(jí)。因此它是太赫茲雷達(dá)的一種理想輻射源。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Mcmillan等人在1991年成功研制出了世界上第一臺(tái)工作在0.225 THz的相參雷達(dá)，其發(fā)射機(jī)就是基于電真空器件——擴(kuò)展互作用振蕩管(EIO)[15]。歐洲和美國(guó)隨后分別對(duì)太赫茲合成孔徑雷達(dá)(SAR)和逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)的成像展開(kāi)了一系列研究，歐洲研究機(jī)構(gòu)首先研發(fā)了 COBRA-220 雷達(dá)系統(tǒng)，其中心頻率為 0.22 THz。利用該系統(tǒng)開(kāi)展了對(duì)自行車、汽車等復(fù)雜目標(biāo)的高分辨 SAR、ISAR 成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì) 135 m 距離處的目標(biāo)成像分辨率達(dá) 1.8 cm，其系統(tǒng)成像見(jiàn)圖10[16]。

圖10 太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)成像圖

美國(guó)的科研機(jī)構(gòu)于2008年研制了一部主動(dòng)相參太赫茲雷達(dá)，中心工作頻率為0.585 THz，采用線性調(diào)頻信號(hào)，掃頻帶寬為 12.6 GHz，其 ISAR 成像分辨率達(dá)到了亞厘米級(jí)。以上2種成像系統(tǒng)同樣基于太赫茲波段的擴(kuò)展互作用振蕩管。2012 年 5 月，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局發(fā)布了一項(xiàng)名為視頻合成孔徑雷達(dá)(VISAR)的研究項(xiàng)目，該雷達(dá)工作頻段為0.23～0.235 THz，采用一發(fā)四收的天線收發(fā)模式，設(shè)計(jì)的成像幀率為5 Hz。2017 年 9 月，DARPA的官網(wǎng)報(bào)道稱：利用該系統(tǒng)成功獲取了被云層遮蔽的地面目標(biāo)實(shí)時(shí)、全運(yùn)動(dòng)的視頻圖像。而該成像系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)就是基于上一節(jié)介紹的0.22 THz折疊行波管。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)太赫茲波段的電真空器件的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，介紹了相關(guān)器件在該波段的最新研究進(jìn)展。同時(shí)對(duì)目前基于電真空器件的太赫茲雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展和研究進(jìn)展做了介紹。隨著模擬仿真能力的加強(qiáng)、新型材料的出現(xiàn)以及加工制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，真空電子器件性能也會(huì)不斷提升，各類新型器件將會(huì)不斷涌現(xiàn)，在未來(lái)太赫茲雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。真空電子器件主要發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾點(diǎn)：

(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(fā)展，以適應(yīng)各類平臺(tái)的發(fā)展需求，如無(wú)人機(jī)平臺(tái)、雷達(dá)和有源相控陣?yán)走_(dá)；

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

(3) 高功率真空電子器件的研究將會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)，固態(tài)和真空器件之間的聯(lián)合能夠更好發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，有望在多功能一體化雷達(dá)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。