大功率太赫兹电真空器件的研究现状与应用

马 燕,谢 辉,鄢 扬

(1.空军驻川西地区军事代表室,成都610041;2.空军驻成都地区军事代表局,成都 610041;3.电子科技大学 物理电子学院,成都 610054)

1 引 言

太赫兹频段是指频率从100GHz到10 THz,相应的波长从3 mm至30 μ m,介于微波和红外线之间的电磁波谱区域。处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区及电子学向光子学的过渡领域,是电磁波谱中唯一没有获得全面研究的频段,长期以来,由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法,导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用[1-5]。

军事电子技术在发展过程中一直不断开拓新的频谱资源,其工作频段已扩展到100 GHz,进一步开发更高的太赫兹频段频谱资源是必然的发展趋势,太赫兹波具有以下主要特点。

(1)极宽的带宽。太赫兹波频率范围超过从直流到微波、毫米波全部带宽的100倍。即使考虑大气吸收,在大气中传播时只能使用部分大气窗口,其总带宽也远大于微波、毫米波全部带宽。

(2)波束窄。在相同天线尺寸下太赫兹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标或者更为清晰地观察目标的细节。

(3)信噪比高,保密性好。因而太赫兹波在高分辨率雷达、精密制导、保密通信、目标探测和极高频率电子对抗等方面具有重要的应用前景。

目前发现有多种不同的机制都能产生太赫兹辐射,如光电导天线中光生载流子的加速、光电晶体中的二阶非线性效应、量子级联激光器及半导体器件等。但目前这些方法的转换效率很低,辐射功率多在毫瓦量级。而对于许多重要应用,如雷达、远程通信、远距离成像及未来的太赫兹电子对抗等应用中需要瓦级以上高功率太赫兹辐射源,因此大功率太赫兹辐射源对太赫兹科学技术的发展有特殊的意义。但到目前为止,仅真空电子学的方法可以产生高功率太赫兹辐射,可满足太赫兹雷达、电子对抗和远距离目标探测等军事应用中对大功率太赫兹辐射源的要求。太赫兹电真空器件的工作原理与工作在微波、毫米波频段的器件相似,但高频系统加工精度要求更高,阴极发射电流密度的要求高,自2000年以来,太赫兹真空电子学有了很快的发展并取得了重要的成果,可以工作在太赫兹频段的真空电子学的大功率太赫兹源主要有回旋管、行波管、Smith-Purcell效应器件、扩展互作用振荡器、返波管等。本文综述了大功率太赫兹电真空器件的研究现状,同时分析了其应用前景。

2 研究现状

2.1 太赫兹行波管

行波管是以电子注和行波场相互作用从而放大电磁场能量为工作原理的真空电子器件。电子注与行波场必须相速同步才能进行有效的相互作用,这就需要降低行波场的相速。行波场相速的降低通过慢波系统来实现,故慢波系统是行波管不可或缺的重要组成部分,行波管最常采用的慢波系统是螺旋线,由于工艺条件的限制,该慢波系统大约最高能工作在40 GHz左右,耦合腔系统能够工作到100GHz左右,梯形慢波系统工作频率更高一些。美国通信与功率工业公司(CPI)于20世纪80年代研制出一系列基于梯形慢波系统的行波管,称为Millitron,工作频率30～100GHz,其中在95 GHz的脉冲输出功率最大8 kW,占空比10%(VTW-5795)。

表1 3 mm Millitron主要参数Table 1 Parameters of 3 mm Millitron

折叠波导慢波系统是目前短厘米频段、毫米波段宽带大功率行波管中极具应用前景的新型慢波系统,它具有全金属结构、色散较平坦、高频损耗小、功率容量大、耦合匹配好、制造成本低等诸多优点。折叠波导慢波系统是一种近年来广泛研究的慢波系统,结构简单、坚固,加工方便,带宽较宽。美国休斯公司和诺斯诺普公司对这种结构的大功率行波管进行了研究和生产,在94 GHz频率连续波输出功率可达100 W。2010年,美国的NGC公司提出一种基于功率合成的5注折叠波导行波管,以实现在0.22 THz输出50 W连续波、增益大于30 dB的目标。目前器件的加工正在阿贡实验室等单位进行[6]。

图1 折叠波导慢波系统Fig.1 Slow wave structure of folded waveguide

当工作频率进一步升高时,由于慢波系统尺寸过小,普通机械加工技术难以达到要求,近年来国内外将微加工技术,包括MEMS和LIGA技术用于制造微型真空电子器件[7-8]。这种器件工作频率可达500GHz以上,有可能带来微波管技术的重大革新。威斯康星大学研制出560 GHz、56 mW输出的折叠波导行波管振荡器示实验装置。理论分析和数值模拟表明,这种小型太赫兹源可以实现20%的带宽和10 mW～1 W的功率输出。2010年,白俄罗斯的研究者简要报道了对0.6～3 THz折叠波导行波管频率特性的研究,他们给出了描述其慢波电路的数学模型,研究了结构参数改变对频率特性的影响[9]。预期能在0.6～3 THz得到30～40 dB增益和5～18 W的输出。

2.2 太赫兹返波管

返波振荡器(BWO)是目前发展比较成熟的一种小型、造价低廉的真空电子学太赫兹源,是目前工作频率最高的器件,俄罗斯和美国居于领先地位,均已实现商品化,在太赫兹技术研究中广泛用作太赫兹辐射源[10-12]。俄罗斯于20世纪80年代即研制出频率高达2.4 THz的返波管。表2是美国Microtech Instruments,Inc.所研制的太赫兹返波管(图2)的频率和输出功率,表3为俄罗斯ISTOK生产的太赫兹返波管(图3)参数。

图2 Microtech Instruments Inc.太赫兹返波管Fig.2 Terahertz BWO by Microtech Instruments Inc.

表2 Microtech Instruments Inc.返波管参数Table 2 Parameters of BWO by Microtech Instruments Inc.

图3 俄罗斯ISTOK太赫兹返波管Fig.3 Terahertz BWO by ISTOK(Russia)

表3 俄罗斯ISTOK返波管参数Table 3 Parameters of BWO by ISTOK(Russia)

美国CCR公司在NASA的资助下开发工作频率300 GHz～1.5THz的BWO,采用类似于液晶显示器的工艺在金刚石基片上制造慢波系统,阴极为场致发射阴极,系统十分紧凑,输出功率为数十毫瓦。

2.3 太赫兹绕射辐射器件

1953年,美国哈佛大学的Smith和Purcell两人发现当电子沿光栅表面运动时有电磁波辐射出来(绕射辐射),这就是Smith-Purcell效应,以这种效应为基础发展成为一类新型的绕射辐射器件,其高频结构采用准光学谐振腔和光栅,可工作在毫米波及太赫兹频段。

20世纪80年代初,美国提出了基于Smith-Purcell效应的绕射辐射自由电子激光的概念。美国陆军戴蒙德实验室报道了在4 mm波段Orotron的实验结果,脉冲功率10 W。前苏联在20世纪80年代中期发展了一系列Ortron产品,频率从30～230GHz,其中3 mm波段器件参量为:f=100～140GHz,平均功率为0.2～2 W。2004年,俄罗斯报道了工作频率范围为320～380 GHz的可调谐Orotron,工作电压4 kV,电流150 mA,脉冲功率大于20 mW,重量仅为25 kg。1998年,美国 Dartmouth大学的 J.Urata等人利用扫描电镜产生低能散度、低发射度的电子注驱动周期性光栅结构,在实验中观测到了Smith-Purcell效应的超辐射现象,辐射波的频率为 0.33～1.0 THz,实验中电子注电压为40 kV,电流小于1 mA,是一种结构简单、易于实现小型化的太赫兹辐射源[13]。

2.4 扩展互作用器件

扩展互作用速调管振荡器(EIO)及放大器(EIA)把行波管及速调管的优点结合起来,是一种既有高的增益和效率,又有足够带宽的器件,扩展互作用速调管采用由慢波系统构成的谐振腔,由于电子注的调制在慢波系统上进行,因而具有较宽的频带及较高的互作用效率,经研究发现扩展互作用速调管更适合工作在毫米波频段,目前工作频率高达220GHz,有60 W的峰值功率输出(平均功率0.5 W),在95 GHz处有2.8 kW的峰值功率输出(平均功率100 W),增益38 dB。瓦里安公司研制了一系列的EIO,从30 GHz直到300GHz,机械调谐带宽为2%～4%。EIO及EIA已经发展成为一类重要的大功率毫米波器件,当前正在向更高频率发展,已将频率扩展到400～500 GHz,功率可达1 W,因而EIO及EIA有希望发展成为一类重要的低频段太赫兹器件[14-15]。图4为CPI公司生产的EIO和EIA。

图4 CPI公司生产的EIO和EIAFig.4 EIO and EIA made by CPI

2.5 太赫兹回旋管

回旋管是一种重要的大功率毫米波、亚毫米波器件,是目前工作在毫米波及太赫兹频段功率最高的真空电子学器件[16]。由于国际核聚变反应堆计划(ITER)的需要和推动,回旋管研究在毫米波及太赫兹低频段取得了重大进展,频率集中在0.11 THz、0.14 THz和0.17 THz 3个频率。俄罗斯应用物理研究所研制的0.14 THz和0.17 THz回旋管输出功率分别达到0.7 MW和0.9 MW;德国技术物理研究所的0.14 THz回旋管输出功率达到1.5 MW;美国CPI公司0.14 THz回旋管达到0.9MW,0.11 THz回旋管达到1.28MW。这些回旋管的技术水平已趋于成熟,进入实用阶段,互作用效率可达50%左右。2000年以后,太赫兹频段旋管引起了极大的重视。俄国国家科学院应用物理研究所正在研究1 THz回旋管(如图 5 所示),脉冲磁场40 T,脉宽100 μ s,电压30 kV,电流5 A,输出功率10 kW,采用普通圆柱波导开放谐振腔,工作模式分别为TE16,4(0.991 THz),TE19,4(1.209 THz)。此种用于微波频段的圆柱波导开放谐振腔在1 THz频率上仍能保持良好的特性。从目前情况来看,回旋管可工作在厘米波直到1 THz的宽广频率范围。对于太赫兹回旋管,俄罗斯和日本居于领先地位,其中俄罗斯应用物理研究所在0.65 THz频率处得到40 kW、4%效率,2008年该所采用脉冲磁场研制成功第一只1 THz回旋管,输出功率达到1.5 kW[17]。日本Fukui大学多年来一直致力于太赫兹回旋管研究,所研制的0.3 THz回旋管连续波输出功率达到4 kW,采用17 T超导磁场系统,获得了0.9 THz、0.1 kW的太赫兹辐射。国内在太赫兹回旋管研究方面取得较大进展,电子科技大学于2005年研制成功0.1 THz、100 kW回旋管振荡器,于2007年研制成功的0.22 THz回旋管振荡器,脉冲输出功率达到10 kW,如图6所示。

图5 俄罗斯研制的1 THz回旋管Fig.5 1 THz gyrotron developed by Russia

图6 电子科技大学研制的0.22 THz回旋管Fig.6 0.22 THz gyrotron developed by University of Electronic Science and Technology of China

3 太赫兹电真空器件应用情况

太赫兹返波管可作为低噪声外差接收机的本振源用于射电天文观测,彗星、地球和其他行星大气层的遥感。德国研究人员报道了他们研制的第一代紧凑型用于射电天文观测的太赫兹频段外差式接收机,该接收机利用了620～650 GHz的太赫兹BWO辐射源,再经过倍频后作接收机的本振源。美国NASA也在积极进行类似研究工作。日本设计了基于返波管的太赫兹成像系统,通过调节BWO电极的工作电压可以实现工作频率在520～710GHz范围调谐。俄罗斯科学院研究了基于BWO太赫兹辐射源的光谱测量方法和实验系统。

回旋管和扩展互作用器件可输出大功率,可望在太赫兹雷达方面有重要应用前景。美国陆军研究中心从20世纪80到90年代一直在研究0.225 THz相干雷达(如图7所示),采用CPI公司的EIO作为雷达发射机,EIO的频率0.225 THz,峰值功率60W,脉冲重复频率5～20 kHz,脉冲宽度50～500 ns,占空比 0.005[18]。该雷达性能很好,可以观察到3.5 km的目标,可测量移动目标(车辆)的多普勒谱,可以分辨出坦克车体和履带的多普勒信号,如图8所示。

图7 0.225 THz相干雷达Fig.7 0.225 THz coherent radar

图8 坦克的多普勒信号Fig.8 Doppler signal of tank

回旋管的脉冲输出功率可达100 kW以上,平均功率可达10 kW以上,可用于远程高分辨雷达系统[19]。目前美国采用94 GHz(0.1 THz)回旋速调管和回旋行波管研制了雷达系统,如图9所示,可以看到94 GHz回旋行波管雷达成像实验结果。要得到更清晰的图像,看到更小的物体,除需要高功率外,还需要高频率与高带宽。除了已有的94 GHz回旋放大器以外,美国、俄罗斯等更在加紧研究力争将其推进至太赫兹频段,占领这个新的制高点。美国通信与功率工业公司(CPI)报道了工作在105～140 GHz、118 GHz、127GHz和140 GHz具有很高的效率、输出功率在1.08 MW左右[20]的回旋放大器。日本国际原子能机构(JAEA)研究出回旋振荡管,得到频率170GHz,脉冲功率大于1.02MW时可持续800 s,总效率达55%[21]。

图9 94GHz回旋行波管雷达成像实验结果Fig.9 Experiment result of 94GHz gyro-TWT imaging radar

4 结束语

本文对太赫兹的现状及其发展作了综述。太赫兹波具有带宽极宽、波束窄、信噪比高等特性,在军事方面有着十分重要的应用前景。从目前情况来看,基于真空电子学的太赫兹器件在大功率应用方面具有明显优势,其输出功率远高于其他太赫兹器件,因而太赫兹电真空器件毫无疑问将在高分辨率雷达、精密制导、保密通信、目标探测和电子对抗等军事应用中发挥关键作用。

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