真空电子器件作为大功率源，在雷达、通信、电子对抗、遥测遥控和精密制导等武器装备中发挥了核心作用[1]。特别是雷达系统的发展，从诞生之日起便与真空电子器件的发展紧密联系在一起。雷达技术的发展推动着真空电子器件不断进步，而真空电子器件性能的提升以及新型真空电子器件的出现又会带来新的雷达功能，甚至产生新的雷达体制。从上世纪80年代起，随着分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)和金属有机化合物汽相淀积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)等先进技术的发展，相关的微波毫米波单片集成电路(Microwave Millimeter wave Monolithic Integrated Circuit, MIMIC)得到了快速发展[2]。特别是近十几年来随着以SiC, GaN为代表的宽禁带半导体器件的快速发展，真空电子器件在雷达系统中的作用被越来越忽视和低估。关于真空电子器件和固态器件的相互关系也在各种学术会议上不断地被研究和讨论[3]，在低频率、低功率有源相控阵应用的情况下，固态器件占据主导地位。但在大功率和高频率情况下，真空电子器件将会具有更大的优势，并将长期与固态器件并存和相互竞争。随着材料科学的发展、设计仿真能力的加强以及加工制造技术的进步，真空电子器件将依然保持持续的繁荣和活力[4]。本文将结合雷达系统的应用需求，介绍真空电子器件新的发展趋势以及目前相关器件所取得的最新研究进展。
2 微波毫米波器件及功率模块微波功率模块(Microwave Power Module, MPM)是美国国防部电子器件领导小组于1989年提出的一种新的功率器件概念[5]，其原理和内部组成结构如图 1和图 2所示。
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图 1 微波功率模块框图 Fig.1 Block diagram of Microwave Power Module |
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图 2 微波功率模块内部结构 Fig.2 Internal structure of MPM |
它集成了真空电子器件和固态器件两者各自优点，代表了一种新的微波、毫米波放大器技术，它既可以用作单独的发射源，也可用于多单元功率合成进行组阵应用。特别是随着无人机的作用越来越凸显，在体积、尺寸以及成本等方面具有很大优势的微波毫米波功率模块的重要性也越来越显著。其中著名的“捕食者”B型无人机中的合成孔径/动目标检测(Synthetic Aperture Radar/Ground Moving Target Indication, SAR/GMTI)雷达采用的就是dB-Control公司生产的功率模块[6]。
采用行波管作为末级功放，可以得到比较高的效率，减小了热负荷，而且可以在更高的环境温度下有效工作。由于采用MMIC固态放大器分担了部分增益，所以行波管的增益要求没那么高，可以采用小型化行波管，减小了模块体积和重量。另外由于采用了低噪声MMIC固态放大器，与单独行波管相比具有更低的噪声水平。
目前美国的CPI, L-3, Northrop Grumman, Triton，法国的Thales，日本的NEC等多个公司都能提供比较齐全的小型化行波管和MPM系列产品。如Triton公司的小型化行波管产品覆盖了2.0～32.5 GHz频率范围，连续波功率从50 W到200 W，并在2～6 GHz和6～18 GHz两个频率系列上提供连续波输出功率50 W到100 W的MPM产品；CPI公司在2～6 GHz，2～8 GHz，4.5～11.0 GHz，6～18 GHz等系列上提供连续波50～100 W的MPM产品。国内虽然起步较晚，但也已经初步掌握了MPM小型化行波管、微型EPC电源技术、MPM模块集成等关键技术，具备了6～18 GHz 30～100 W连续波功率模块研制能力[7]。
针对雷达应用的脉冲功率模块也得到了重视和快速发展。美国、日本等多个公司开发了脉冲小型化行波管以及功率模块[8]。典型的MPM可以在X或Ku频段25%占空比的情况下提供小于150 W的输出功率，用于小型的无人机合成孔径雷达系统。针对更远探测距离的无人机雷达，美国L-3公司开发了1000 W峰值功率脉冲MPM。工作脉宽80μs，重复频率1600 Hz，相位噪声达到–110 dBc/Hz[9]。国内也开展了X波段脉冲功率模块的工作，所研制的小型化行波管功率大于500 W、带宽2 GHz、占空比20%、效率35%[10]。
图 3所示为L-3公司开发的第1代Nano-MMPM，在Ka频段可以输出50 W以上功率，尺寸只有25 mm×76 mm×125 mm左右，重量小于1.2 kg[4]。L-3公司正在开发的第2代Ka波段MMPM输出功率提高一倍，达到100 W，效率达到33%以上[3]。日本NEC公司也开发了Ka波段100 W脉冲MMPM[11]。
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图 3 L-3公司研发的Ka频段Nano-MPM Fig.3 The Ka-band Nano-MPM developed by L-3 |
中国电子科技集团公司第十二研究所成功研制出Ka波段100 W和500 W行波管以及Ka波段100 W连续波MMPM。该MMPM带宽2 GHz，增益大于39 dB，效率大于50%。模块如图 4所示，整体尺寸为395 mm×220 mm×50 mm，重量＜5 kg，功率测试曲线如图 5所示[12, 13]。
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图 4 中电十二所开发的Ka频段100 W MMPM Fig.4 Ka-band 100 W MMPM developed by CETC-12 |
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图 5 100 W MMPM性能测试曲线 Fig.5 Test results of Ka-band 100 W MMPM |
短毫米波行波管近年来也渐趋成熟，并初步形成了相关的系列产品。美国L-3公司针对通讯开发了E波段MPM，在5 GHz带宽范围内功率大于200 W[14]。为W波段毫米波功率模块所研制的W波段脉冲行波管。器件工作中心频率为94 GHz，得到了大于100 W的脉冲输出功率，工作带宽大于4 GHz，外形尺寸为267 mm×66 mm×66 mm，重量仅为2.3 kg[15]。中国电子科技集团公司第十二研究所也开展了W波段脉冲和连续波两种管型的研究。其中脉冲行波管在工作电压和电流分别为22 kV, 180 mA时，瞬时带宽达到10 GHz，脉冲输出功率大于100 W，全频带小信号增益大于40 dB；工作比为1%，流通率大于96%[16]。W波段连续波行波管已经覆盖了10 W, 30 W, 50 W等几个不同功率量级的产品[17–19]。通过采用相速跳变的技术方案，大大提升了W波段折叠波导行波管的电子效率[20]，图 6所示为最新的功率和增益测试曲线。图 7为测试所得的总效率曲线。
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图 6 相速跳变W波段折叠波导行波管测试功率和增益 Fig.6 The power and gain results of phase-tapered W-band folded waveguide TWT |
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图 7 W波段行波管总效率 Fig.7 The global efficiency of W-band TWT |
目前正在上述W波段50 W连续波行波管的基础上进行W波段毫米波功率模块的研制工作。
3 集成真空电子器件有源相控阵系统通过电扫的方式实现波束扫描，灵活、快速，可以形成多个独立的波束，具有多目标、多功能的特点，已经成为雷达发展的一个主流趋势。由于行波管相比于固态器件在功率、带宽、效率、散热等方面均具有较明显的优势，如能将行波管应用到有源相控阵系统上将很大程度上提高现有有源相控阵雷达的性能。美国海军实验室在X波段(8～12 GHz)研制出了横截面积只有12.5 mm×12.5 mm的小型化行波管，带内输出功率84～93 W，效率35%，占空比20%，验证了行波管应用到有源相控阵系统的可行性[21]。日本NEC等公司也研制出了有源相控阵系统应用的X波段800 W脉冲小型化行波管，体积尺寸只有20 mm×20 mm×195 mm[22]。
国外这些研究工作都是基于常规单个行波管在工程上的结构优化，均未有工作机理上根本的创新。为了能够进一步实现微型化、阵列化的行波管器件，中国电子科技集团公司第十二研究所在国际上首次提出了集成真空电子器件的概念。通过集成的方法使行波管进一步微型化和阵列化，满足相控阵天线对于末级功率放大器的尺寸要求。图 8所示为集成行波管的概念示意图。它的基本原理是多束独立的电子注在一个共用的永磁聚焦系统中传输。它们在各自的螺旋线内进行注波互作用。这种多路输入、多路输出的集成行波管共用同一电子枪、收集极，这样可以使它的结构更加紧凑。这种集成行波管在平均截面上可以减少50%。
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图 8 集成行波管概念示意图 Fig.8 Schematic diagram of integrated TWT |
中电十二所提出了集成行波管的概念并完成了Ku频段三路集成行波管的实验验证[23]。图 9所示为该集成行波管与性能相似行波管结构对比，该集成行波管总的横截面积约为289 mm2，平均每路所占用横截面积小于100 mm2，约为常规行波管的1/3。三路性能参数如图 10所示，每路在14～16 GHz范围内得到了90 W以上输出功率，电子注流通率大于96%[24]。
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图 9 三路集成行波管与常规行波管对比 Fig.9 Three channels integrated TWT compared with traditional TWT |
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图 10 三路集成行波管测试功率曲线 Fig.10 Tested power curve of three channels integrated TWT |
为解决现有行波管侧向输能结构的缺点，实现快速插拔结构，正在开展轴向输能四路集成行波管的研制。图 11所示为利用OPERA软件仿真的4注电子光学系统，在周期永磁聚焦系统中可以得到很好的电子注流通。图 12、图 13所示为4路集成行波管外形图以及剖面图。图 14所示为初步设想的2维阵面布局结构，可以实现单元间距小于15 mm左右。
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图 11 四路集成行波管电子轨迹 Fig.11 Beam trajectories of four channels integrated TWT |
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图 12 四路轴向输出行波管外形结构 Fig.12 The contour of four channels integrated TWT with axial input and output |
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图 13 四路集成行波管剖面图 Fig.13 The cross section view of four channels integrated TWT |
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图 14 基于四路集成行波管的2维阵面布局 Fig.14 The layout of two-dimensional array with four channels integrated TWT |
该结构集成行波管可以解决常规行波管体积尺寸过大无法应用于2维密集阵面的难题，能够极大提升行波管的集成度和功率密度。非常适合应用于微波和毫米波频段中、大功率有源相控阵系统。为了能真正应用于有源相控阵系统，除了上述高流通率多注电子光学技术、轴向输能技术，还需进一步解决以下一些关键技术：(1)集成行波管高效散热技术；(2)批量制造工艺技术；(3)集成行波管TR模块集成技术等。
在集成行波管的基础之上可以构建全集成行波管TR模块，原理框图如图 15所示。该模块集成了功率分配网络、移相器、前级固态放大器、集成行波管末级功放、环行器以及开关、限幅器、低噪声放大器等构成的接收通道。1个模块可以包含1个或多个四路集成行波管，通过1路高压电源对模块中所有集成行波管放大通道进行集中供电。
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图 15 基于集成行波管的全集成TR模块框图 Fig.15 Block diagram of integrated TR module based on integrated TWT |
太赫兹波由于具有频率高、宽带宽、波束窄等特点，使得其在雷达探测领域具有重大的应用潜力。频率高意味着具有较高的多普勒带宽，具有良好的多普勒分辨力，测速精度更高；由于太赫兹波对目标形状细节敏感，因而具有很好的反隐身功能；在相同天线孔径下，太赫兹波束更窄，具有极高的空间分辨力，跟踪精度高；另外由于太赫兹波具有穿透云层、烟雾、沙尘实现复杂战场环境下的高分辨率和高帧率侦察，使得“视频合成孔径雷达(ViSAR)”有望取代现有的光学传感器实现准视频SAR成像[25]。但上述相关太赫兹雷达的应用能否实用最为关键的是大功率太赫兹真空电子器件所能达到的性能参数。
根据缩尺原理，当工作频率进入到太赫兹频段，传统机械加工能力已经很难满足真空电子器件结构尺寸和加工精度的要求。但随着MEMS微细加工工艺的引入，真空电子器件正在大功率太赫兹辐射源方面表现出巨大的潜力。与半导体微细加工工艺不同的是，真空电子器件结构的宽高比并不是非常大，但是绝对深度很深，这也导致真空电子器件所需要的微细加工工艺有着自己的特殊性和难点[26]。常用的微加工技术有X射线光刻、电镀和铸造(Lithographie, Galanoformung, Abformung, LIGA)、紫外LIGA(Ultra Violet-LIGA, UV-LIGA)和深反应离子离子蚀刻(Deep ReactiveIon Etching, DRIE)技术。相比X射线LIGA的昂贵以及长时间等待X射线设备的耗时，使用SU-8和KMPR的UV-LIGA可在一到两周内完成，过程包括曝光、电铸、研磨和去胶等。利用硅晶片的DRIE是在体硅加工的结构上再镀上一层金属膜，构成金属波导，在结构成型方面更为容易控制，但存在散热特性差，薄膜容易脱落等问题。
根据不同工作原理，太赫兹真空电子器件主要分为振荡器和放大器。振荡器包括返波振荡器，正反馈振荡器，止带振荡器等，放大器主要包括行波管、扩展互作用速调管、回旋行波管等。
返波振荡器由于具有快速电调谐实现频率扫描的功能，是一种广泛使用的实用化真空电子器件类型。近年来在太赫兹成像[27, 28]以及波谱方面[29]得到了大量应用。返波管目前工作频率最高能够达到1 THz，连续波输出功率约1 mW左右。为了进一步提高功率，相继提出了利用倾斜电子注互作用的斜注管[30]以及开放谐振腔互作用的奥罗管[31]等新型返波管器件。
目前返波振荡器件所能达到的主要性能参数如图 16所示[32]。
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图 16 返波管性能参数 Fig.16 The performance of BWOs |
Northrop Grumann(诺格)公司在2008年第1次利用折叠波导行波管实现了正反馈振荡器，在656 GHz处得到50 mW的输出功率[33]。利用折叠波导带边耦合阻抗高，较易发生止带振荡的特性，可能在单个频点得到较大的功率输出。文献[34]利用W波段行波管的折叠波导电路研制了止带振荡器，在124.4 GHz附近得到了最大32.5 W的输出功率。
得益于微细加工工艺的渐趋成熟以及太赫兹固态源的进步给测试带来的便利，太赫兹行波管的性能参数在最近五年取得了巨大的进步。
美国通过HIFIVE计划支持了220 GHz行波管的研制，目标是在G波段10 GHz带宽范围内实现50 W的功率输出。该器件正是应用于前文所述目前美国DARPAR正在资助的视频合成孔径雷达。诺格公司在2013年成功研制出了220 GHz的折叠波导行波管功率放大器。器件结构如图 17和图 18所示。它采用5个圆形电子注并行排列，各电子注独立通过5个折叠波导高频电路，输入信号经过金刚石输能窗分成5路，分别进入5路折叠波导高频电路进行互作用，最后将放大的信号在波导内进行合成。折叠波导高频电路采用深反应离子刻蚀微加工工艺进行加工，实验结果表明微细加工所能达到的加工精度和表面粗糙度可以满足220 GHz行波管放大器的研制需求。该放大器采用5注并行排列的结构，主要目的是为了降低阴极发射电流密度，它采用Semicon公司的M型阴极，阴极发射电流密度达到25 A/cm2。测试结果表明，最大输出功率在214 GHz处达到55.5 W。但该5注高频电路采用的是DRIE加工工艺，由于硅片散热极差，所以只是在0.1%的占空比下进行了测试，最终该器件由于阴极热丝失效而损坏[35]。
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图 17 诺格公司220 GHz行波管外形结构 Fig.17 The view of 220 GHz TWT from Northrop Grumman |
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图 18 220 GHz行波管内部结构布局 Fig.18 The layout of 220 GHz TWT |
国内中国电子科技集团公司第十二研究所以及中国工程物理研究院都开展了220 GHz行波管的研究工作。中物院的样管工作电压14.6 kV，工作电流9 mA，最大输出功率达到了252 mW[36]。中电十二所设计目标是工作电压22 kV，设计电流50 mA，输出功率10 W[37]。目前已经攻克折叠波导微细加工，强流细束电子光学系统，宽带输能窗等一系列关键技术[38]，所研制样管测试系统照片如图 19所示。
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图 19 中电十二所220 GHz行波管测试照片 Fig.19 Hot test system of 220 GHz TWT from CETC-12 |
最新测试结果表明，电子注通过高频电流已经达到53 mA，流通率大于75%。在208 GHz附近得到放大输出功率最大5.6 W。在工作电压24 kV时，带内增益过大发生自激振荡，最大振荡功率达到22 W，振荡频率212 GHz。目前正在针对测试结果进行相应的调整。
诺格公司研制的233 GHz行波管在2016年取得较好的进展[39]。该行波管外形结构如图 20所示，精密加工折叠波导高频电路如图 21所示。该行波管通过永磁透镜对电子注进行聚焦。采用传统Pierce电子枪结构，工作电压20 kV，电流110 mA，电子注流通率达到95～98%。行波管测试输出功率，在2.4 GHz带宽范围内输出功率大于50 W。
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图 20 诺格公司233 GHz行波管外形结构图 Fig.20 The layout of 233 GHz TWT from Northrop Grumman |
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图 21 精密加工折叠波导慢波结构 Fig.21 Precision-milled FWG circuit |
太赫兹电子学计划(THZ-E)支持了0.85 THz行波管放大器在2015年完成了样管研制。测试表明电子注流通率44%，在0.85 THz处得到39.4 mW的功率，瞬时带宽11 GHz。不同阴极电压下输出功率曲线如图 22所示[40]。
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图 22 0.85 THz行波管输出功率 Fig.22 Output power of 0.85 THz TWT |
诺格公司在2016年还首次将行波管工作频率提高到1 THz[41]。该行波管采用深反应离子刻蚀加工的折叠波导慢波结构，在表面电镀铜以降低太赫兹波的传输损耗，折叠波导电路如图 23所示。利用VDI公司的倍频源作为行波管的激励，测试图如图 24所示。固态倍频源最大输出功率0.7 mW。工作电压12 kV时电子注流通率约为57%。测试功率曲线如图 25所示，可见在1.03 THz输出功率29 mW，在0.642 THz处最大259 mW。最大工作占空比达到0.3%，脉宽30μs。
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图 23 两步深反应离子刻蚀加工的折叠波导慢波结构 Fig.23 The folded waveguide structure fabricated by two-step DRIE |
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图 24 1.03 THz行波管测试照片 Fig.24 Hot test system layout of 1.03 THz TWT |
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图 25 1.03 THz行波管测试曲线 Fig.25 The test result of 1.03 THz TWT |
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图 26 中电十二所研制的W波段回旋行波管 Fig.26 W-band gyro-TWT from CETC-12 |
MEMS微细加工工艺在真空电子器件领域的应用给真空电子器件的制造工艺以及性能参数带来了一个全新的变革。从现在已经取得的进展来看，真空电子器件的工作频率已经覆盖到1 THz以上，并且表现出了比其他光学和固态电子等器件大得多的功率输出潜力。为了进一步促进太赫兹频段各类应用的研究的进步和实用化，真空电子器件将会进一步在性能提升，微加工、微组装、批量制造工艺，与固态电路及电源集成的太赫兹功率模块等方向快速发展。
5 大功率真空电子器件大功率是真空电子器件的一个重要特点。在雷达上应用的大功率真空电子器件主要包括大功率行波管、速调管、回旋行波管以及前向波放大器等。这些大功率器件一方面可以构成单独的发射机在雷达上应用，另一方面可以作为子阵式发射机在无源相控阵雷达上应用。相比于全固态的有源相控阵雷达，基于大功率真空电子器件的无源相控阵雷达有着结构简单，使用方便，成本低的优势。
大功率行波管一般具有上百千瓦的功率，存在散热、聚焦、振荡抑制、打火等一系列技术难题。美国CPI公司为代表的国外企业在各微波频段都有大功率行波管的产品。S波段以VTS-5753为代表，峰值功率170 kW，工作比16%。国内中电十二所在X波段大功率行波管方面做了大量工作，曾成功研制出了120 kW行波管[42]。
前向波放大管(CFA)具有工作电压低、效率高、瞬时带宽较宽等优点，被广泛地应用在各种多功能无源相控阵雷达系统上。如美国宙斯盾(AGEIS)、爱国者导弹系统中应用的AN/SPY-1无源相控阵雷达等，其发射单元含有两组各32个SFD-261前向波放大器，输出功率125 kW。国内中电十二所在大功率前向波放大管方面具有丰富的研制经验，开发出了S波段脉冲250 kW，平均功率20 kW的前向波放大管[43]。
速调管作为一种大功率真空电子器件，在大型科学装置、广播通信系统、导航雷达、气象雷达、深空探测雷达等方面都有着重要的应用。国内外一些主要速调管产品参数读者可参阅文献[44, 45]。
回旋行波管是另外一种大功率器件，在毫米波频段能得到峰值功率百千瓦量级。美国海军实验室研发成功的回旋速调放大器，它的平均功率为10 kW，是W-band(56～100 GHz)放大器的最高纪录。现正使用于该所装设的WARLOC(W-band Advanced Radar for Low Observable Control)雷达站[46]。为了进行深空探测小的宇宙碎片，除了需要高功率及高频率之外，还要宽频带，回旋行波放大器则可提供足够频宽。由美国所研发的回旋行波放大器[47]，其频宽达8.6%。国内中电十二所所研制的W波段回旋行波管得到了最大饱和输出功率110 kW, 6 GHz带宽范围内功率大于60 kW[48]，整管外形如图 26所示。
6 高功率真空电子器件随着装备信息系统向着一体化、集成化、多功能的方向发展，具有侦察能力的雷达系统和具有电磁打击能力的高功率系统将会更紧密的结合。这给高功率真空电子器件的应用带来了新的机遇。传统的高功率微波是指功率超过100 MW，频率在1～300 GHz之内的电磁波。主要用于高功率微波武器、超级干扰机、高功率雷达等。这些高功率真空电子器件大致可以分为两类，一类是相对论器件，如相对论速调管、相对论磁控管、相对论返波管、磁绝缘线振荡器等；另一类是非相对论器件，如回旋振荡管、虚阴极振荡器、多波切伦科夫振荡器等。
其中相对论磁控管可以较为容易地获得GW量级的输出功率和kHz量级的重复频率。其中俄罗斯托姆斯克研究所最高得到了10 GW的输出功率。国内电子科技大学在2.65 GHz处得到了0.43 GW的输出功率[49]，中电十二所也开展了相对论磁控管的关键技术研究。相对论返波管也是一种重要的器件类型，国内国防科学技术大学和西北核技术研究所进行了大量的研究工作，分别最大得到了1.05 GW和2.5 GW的输出功率。磁绝缘线振荡器(Magnetic Insulation Line Oscillator, MILO)是一种典型的GW级低阻抗的高功率微波器件，也被认为有可能是美国CHAMP导弹所使用的器件类型[50]。它利用高功率传输线的自磁场使阴极发射的电子不能直接越过间隙，它的一个实用特点是它不需要外加磁场，这样就省去了相关的线圈电源和冷却系统，使得该器件可以做的比较紧凑，具有较强的实用性。关于高功率真空电子器件比较全面的介绍读者可以参考文献[51, 52]。
7 总结及展望本文针对雷达应用的新型真空电子器件的现状和发展进行了阐述，介绍了相关器件的最新研究进展。随着设计仿真能力的加强、新型材料的出现以及加工制造技术的不断进步，真空电子器件性能不断提升，新型器件不断涌现，将会在未来新型雷达应用领域发挥重要作用。
真空电子器件主要发展趋势可以概括为以下几点：(1)微波毫米波中小功率行波管器件将不断向微型化、集成阵列化、模块化方向发展，以适应无人机平台雷达以及有源相控阵雷达的发展需求；(2)MEMS微细加工工艺的全面引入将使得真空电子器件完全改变传统的加工制造工艺，使得器件工作频率进入到太赫兹频段，现有器件最高已经达到1 THz，可以为太赫兹雷达提供大功率辐射源；(3)大功率真空电子器件性能进一步提升，为低成本无源相控阵雷达的发展提供了器件支撑，工作频率已经进入到W波段，为远距离成像雷达和宇宙碎片探测雷达奠定了器件基础；(4)高功率真空电子器件的研究将会继续加强，固态和真空器件相互补充，有望在察打一体化雷达应用中发挥重要作用。
真空电子技术在雷达探测技术发展的历史上曾经发挥了重要作用，随着专业技术本身的持续进步并不断与固态电子和光电子进一步融合，将会有更多新型器件和新型应用场景出现。我们应该重视真空电子技术的专业发展，保持软硬件的持续投入，特别是加强专业技术人才的培养和保留。
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