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發(fā)的區(qū)域。近些年來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，因此它有著更顯著的多普勒效應(yīng)，能夠更好地探測低速運(yùn)動目標(biāo)。由于太赫茲波有著較強(qiáng)的穿透性，因此他對目標(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，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，隨著頻率逐漸進(jìn)入太赫茲波段，國內(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)器件將長期并存和相互競爭[5]。本文對目前太赫茲波段真空電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢以及它在雷達(dá)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對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，這給器件加工帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[6]。而加工的粗糙度也會對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)步給測試帶來的便利，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，其示意圖見圖3。它采用5個(gè)圓形電子注并行排列，各自獨(dú)立通過5個(gè)折疊波導(dǎo)高頻放大鏈路，輸入信號通過金剛石輸能窗分成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，最后將放大信號在波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行合成。測試結(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為該行波管的測試圖[9]。

圖4 1.03 THz行波管測試圖

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，目前在衛(wèi)星通訊、雷達(dá)、氣候觀測等方面有著廣闊的應(yīng)用市場。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。

通過對上述幾類常規(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)探測和成像方面同樣具有很大的應(yīng)用前景。回旋器件主要又被分為回旋振蕩管和回旋行波管，其中回旋振蕩管的發(fā)展態(tài)勢迅猛。

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的卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)研制出的0.17 THz的同軸開槽回旋振蕩管，其輸出功率達(dá)到2.2 MW，其實(shí)物見圖7[12]。各國對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同軸開槽回旋振蕩管

目前國內(nèi)對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，這對回旋行波管的穩(wěn)定工作造成了很大的影響。因此目前對于回旋行波管的研究進(jìn)展還不多。目前只有美國的麻省理工大學(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

通過上一節(jié)對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。因此它是太赫茲雷達(dá)的一種理想輻射源。美國佐治亞理工學(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]。歐洲和美國隨后分別對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)開展了對自行車、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 135 m 距離處的目標(biāo)成像分辨率達(dá) 1.8 cm，其系統(tǒng)成像見圖10[16]。

圖10 太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)成像圖

美國的科研機(jī)構(gòu)于2008年研制了一部主動相參太赫茲雷達(dá)，中心工作頻率為0.585 THz，采用線性調(diào)頻信號，掃頻帶寬為 12.6 GHz，其 ISAR 成像分辨率達(dá)到了亞厘米級。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，美國國防部先進(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

本文針對太赫茲波段的電真空器件的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了簡要闡述，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不斷提升，各類新型器件將會不斷涌現(xiàn)，在未來太赫茲雷達(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)各類平臺的發(fā)展需求，如無人機(jī)平臺、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，有望在多功能一體化雷達(dá)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。