太赫茲行波管質(zhì)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(qū)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(dá)和人員拒止等系統(tǒng)上的應(yīng)用需求廣泛，然而缺少大功率輻射源是限制太赫茲技術(shù)發(fā)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(diǎn)，是太赫茲新體制系統(tǒng)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(yīng)用價值。本文結(jié)合 220GHz 和340GHz行波管的研制生產(chǎn)情況，對太赫茲行波管與傳統(tǒng)行波管在關(guān)鍵工藝和原材料上存在的差異進(jìn)行分析，針對太赫茲行波管特點(diǎn)提出了其質(zhì)量控制特殊要求。

1太赫茲行波管與傳統(tǒng)行波管的差異

1.1行波管關(guān)鍵工藝和原材料

行波管的結(jié)構(gòu)主要包括電子槍、慢波結(jié)構(gòu)、磁聚焦系統(tǒng)、收集極、輸能裝置等，所采用的關(guān)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(fù)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(tǒng)行波管的差異

太赫茲行波管的結(jié)構(gòu)和工藝與傳統(tǒng)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(tǒng)行波管存在較大差異。

（1）結(jié)構(gòu)尺度與制造精度

傳統(tǒng)行波管核心部件特征尺寸一般為毫米級，通常使用傳統(tǒng)精密機(jī)械加工技術(shù)（如：數(shù)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(yīng)離子刻蝕、光刻等微納加工技術(shù)，確保結(jié)構(gòu)精度達(dá)亞微米級。

（2）慢波結(jié)構(gòu)與聚焦系統(tǒng)

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

太赫茲行波管常采用折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，通過周期性彎曲波導(dǎo)延長電磁波傳輸路徑達(dá)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(shè)計跳變聚焦磁場（如：梯度磁場或分階段增強(qiáng)磁場），以解決動態(tài)散焦問題。

（3）熱管理與散熱技術(shù)

傳統(tǒng)行波管通常采用常規(guī)散熱片或風(fēng)冷即可 滿足需求。

太赫茲行波管可能需采用高熱導(dǎo)率材料或微流道散熱技術(shù)。

2 太赫茲行波管關(guān)鍵工藝控制要求

太赫茲行波管的制造工藝與傳統(tǒng)行波管基本相同，在電子槍裝架、冷測、排氣和熱測等關(guān)鍵工藝可執(zhí)行傳統(tǒng)微波行波管控制要求。太赫茲行波管在高頻慢波結(jié)構(gòu)精密加工、精細(xì)電子束的產(chǎn)生與調(diào)控等關(guān)鍵工藝有其特殊控制要求，具體內(nèi)容如下。

2.1高頻慢波結(jié)構(gòu)精密加工

慢波結(jié)構(gòu)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?，F(xiàn)階段，太赫茲行波管采用折疊波導(dǎo)慢波系統(tǒng)作為電子注與微波進(jìn)行能量交換的場所。折疊波導(dǎo)可采用以下工藝進(jìn)行加工。

（1）高精度數(shù)控銑削機(jī)加工，可用于工作頻率在340GHz以下的行波管。

（2）LIGA/UV-LIGA技術(shù)是制作行波管折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的一項重要技術(shù)，它能夠滿足行波管對于慢波結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，適用于太赫茲行波管的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)（如慢波結(jié)構(gòu)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(tǒng)LIGA，適用于中等精度需求的結(jié)構(gòu)。一般用于工作瀕率在340GHz 以上的行波管。

（3）深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）通過高深寬比的刻蝕技術(shù)加工硅基或金屬基的慢波結(jié)構(gòu)，例如折疊波導(dǎo)的周期性槽形結(jié)構(gòu)，刻蝕深度可達(dá)數(shù)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(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)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(dǎo)中電場的分布，使得軸向運(yùn)動的電子注上有不同的空間電荷效應(yīng)，從而引起折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特性的不同。對于折疊波導(dǎo)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(dāng)表面粗糙度與導(dǎo)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(jìn)行的研究表明，折疊波導(dǎo)加工精度需達(dá)到以下要求。

（1）加工尺寸精度：槽深： ±5μm ；節(jié)距： ±2 μm ： （2）表面粗糙度：優(yōu)于 50nm 5 （3）側(cè)壁垂直度：優(yōu)于 89.5^°

太赫茲行波管高頻由于其內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，多加工成對稱的兩個折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)半腔，因此需要采用擴(kuò)散焊工藝來焊接為折疊波導(dǎo)高頻，如圖2所示。擴(kuò)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(kuò)大待焊面的物理接觸，再經(jīng)過待焊面間較長時間的原子相互擴(kuò)散而實現(xiàn)冶金結(jié)合的一種精密焊接方法。采用擴(kuò)散焊變形小，焊后可以不需要機(jī)械加工，既能夠?qū)崿F(xiàn)對幾何形狀復(fù)雜的空心結(jié)構(gòu)進(jìn)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(kuò)散焊作為行波管裝配的關(guān)鍵工藝，是部件高頻裝配的基礎(chǔ)。 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(dǎo)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(dǎo)端口的錯位，會增大電磁波的反射系數(shù)。

（1）在兩個半腔壓力擴(kuò)散焊中，兩個接觸的待焊表面通過設(shè)計精確的模具固定在相對位置，但在擴(kuò)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(diào)節(jié)難度。另一方面，端口錯位會導(dǎo)致慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的錯位，從而影響高頻與輸能系統(tǒng)連接端口的匹配情況。

（2）波導(dǎo)端口后續(xù)通過過渡波導(dǎo)與輸能系統(tǒng)連接，是能量輸入與輸出的端口，理想的波導(dǎo)端口狀態(tài)一一對齊，但經(jīng)過高溫擴(kuò)散焊后，兩個半腔有可能出現(xiàn)縱向錯位情況，如圖4所示。波導(dǎo)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(chǎn)生高能電子束、保持電子束的緊密性和準(zhǔn)直性、提供穩(wěn)定的電流密度、調(diào)節(jié)加速電壓或電子注形狀，優(yōu)化與慢波結(jié)構(gòu)的匹配。通過研究，太赫茲行波管電子槍裝配精度需達(dá)到以下要求。

（1）裝配精度優(yōu)于 10μm 5（2）同軸度優(yōu)于 15μm 。

3 太赫茲行波管關(guān)鍵原材料

慢波結(jié)構(gòu)是行波管注波互作用發(fā)生的場所，是行波管最為關(guān)鍵的部件，要求具備低損耗和高導(dǎo)熱的特性。輸能窗是行波管中連接真空環(huán)境與外界的介質(zhì)窗口，需要兼具高機(jī)械強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率和低介電損耗。衰減器能吸收高頻系統(tǒng)反射信號，保障行波管穩(wěn)定工作，需要具備高導(dǎo)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(jù)太赫茲行波管的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，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(fù)合材料等。

（1）高純度無氧銅

太赫茲行波管的高頻慢波結(jié)構(gòu)是波導(dǎo)類結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)利用高純度無氧銅進(jìn)行加工。該材料一方面具備超高的導(dǎo)電導(dǎo)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(wěn)定性，從而支持三維復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的成型。

根據(jù)仿真計算和實際經(jīng)驗，錯位可接受的公差范圍在 0.005mm 以內(nèi)。

2.2精細(xì)電子束產(chǎn)生與調(diào)控

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

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(tǒng)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(shù)低，介質(zhì)損耗小，易于在太赫茲頻段實現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的良好匹配，是輸能窗窗片的一種理想介質(zhì)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(diǎn)，是太赫茲行波管的最佳選擇

（3）氮化鋁-碳化硅復(fù)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(dǎo)兩項關(guān)鍵技術(shù)難題，對衰減材料的熱學(xué)和力學(xué)性能提出了更高的要求。氮化鋁-碳化硅復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率和斷裂強(qiáng)度，因此特別適用于衰減材料。目前已研制出反射系數(shù)和傳輸系數(shù)分別低于-15dB和-70dB的氮化鋁-碳化硅衰減器，并應(yīng)用于樣管研制。

4結(jié)語

綜上所述，太赫茲行波管在質(zhì)量控制要求方面，可執(zhí)行傳統(tǒng)微波行波管的原材料控制要求、關(guān)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(jié)構(gòu)精密加工、精細(xì)電子束的產(chǎn)生與調(diào)控等關(guān)鍵工藝特殊控制要求，基本形成了適用于 340GHz 行波管的質(zhì)量控制要求。后續(xù)還將根據(jù)產(chǎn)品情況繼續(xù)完善和固化。

參考文獻(xiàn)

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