毫米波及更高頻率是行波管的領地

2017年9月15日，北京時間下午7:55，美國的卡西尼號飛船降落在土星，向地球傳輸了最后一批數據。卡西尼號飛船經歷了20年太陽系旅行，其中包含了環繞土星的13年。

卡西尼飛船上所有的射頻系統幾乎都是由行波管實現，包括科研儀器、遙感、控制和回傳地球數據鏈。飛船在1997年發射，當時的最大爭議是：其系統應該基于固態器件，而不是真空管，原因主要是直覺上的“真空管技術不可靠”。然而，結果卻是飛船在2004年抵達土星后，美國國家航天局NASA兩次延長了卡西尼計劃，直到其墜毀。毫無疑問，真空管技術支撐了卡西尼飛船的生存及可靠性，基于真空管技術的系統實現了長達20年的實際深空環境壽命。

行波管仍是目前在役的絕大多數干擾機的柱石。圖為美國空軍A-10，其左翼外武庫的干擾吊艙，其功率器件為行波管。

行波管對射頻領域下一代需求至關重要

今天對真空器件和固態器件的爭論仍在繼續，后者的倡導者依舊時常提及的可靠性問題。但是，正如前美國國防預研局官員的W. D. Palmer博士指出的，“真空管和固態電子器件之間的爭論已經持續了幾十年，你會發現爭論的中心處在功率/頻率的領先邊界。”，技術發展針對了滿足工作在微波頻譜時代的需求，而歷史原因存在于這一過程中。“在GaAs晶體管功率問世之前，真空管是唯一解決方案。后來，GaAs晶體管開始在低頻段替代真空管，但是總有應用需求領先于商用市場的需求，這就意味著要進一步推進頻率和功率產生的能力，這一推動邊界區域將一直成為真空器件的領地。”

Palmer博士同時講到，行波管對于固態器件有兩大優勢。第一，真空管工作在真空環境，這意味著電子傳輸換能過程中，不與半導體晶格發生碰撞并產生熱量；第二，行波管可以使用“多級降壓收集極”部件，能夠獲取互作用后電子的剩余能量，通過將其回收到系統中，從而進一步提升放大器總效率。Palmer博士指出功率產生的效率是太空應用中真空管尤其受到歡迎的主要原因。“一旦降低了放大器的功率效率，就要增加其電源的尺寸，因此，采用真空管可以使整個系統的尺寸更小。”

實現毫米波大功率的必經之途

領先商用市場的需求，造就了真空管的應用領域，這一觀點，被今天的很多事實驗證，例如，頻譜中30-300GHz的毫米波正在逐漸深入應用并受到持續的關注。毫米波位于微波和紅外頻譜之間，具有持續增長的需求，尤其是在國防應用中，數據鏈路對更大容量的針對性需求以及不斷增長的無人機的特定需求。Palmer博士總結道，“只有你工作在別人不能工作的高端區域，毫米波會為你提供實現這個想法的機會。同時，它還可以在高速率大容量數據傳輸中發揮效能。為了開展這項工作，你需要大功率、線性化放大器，正如你從真空電子學中所獲得的那樣。”

由于隨著頻率的升高，微波射頻的大氣損耗也大大增加，這時更需要的大功率的微波源。這也是行波管對毫米波應用有吸引力的另一原因。“如果你想目標收到足夠的功率，就需要一個更大功率的放大器。因此，如果你想在毫米波段實現更大功率的覆蓋，需要提升輸出功率量級，必須而且只能由行波管來完成。”

持續創新的真空電子學

HAVOC和INVEST兩個項目

DARPA是美國國防高級研究計劃署(Defense Advanced Research Project Agency)的英語簡寫。DARPA發起支持了HAVOC和INVEST兩個項目。HAVOC是High Power Amplifier using Vacuum electronics for Overmatch Capability 的簡寫，“具有碾壓性的高功率真空電子放大器項目”，正在用革命性的方法研發和驗證具有線性放大功能的新型緊湊型、高功率、寬帶毫米波放大器，形式要素具備移動和機載平臺兼容性。

碾壓性(Overmatch)一詞主要是指，對比同樣頻段的其他競爭者，能夠產生更高的功率，為用戶提供容易使用的、具有顯著的優勢。HAVOC項目致力于極大提升真空電子技術的性能和批量制造能力。2016年5月，HAVOC第一階段的合同分配給CPI公司、L3公司和諾格公司，研發大功率、寬帶毫米波真空放大器。

HAVOC的撥款分為基礎研究(PE0601101E R-1 Electronic Science)和應用研究(PE0602716E ELT-01 Electronic Technology)兩部分。HAVOC的基礎研究資金在2017財年和2018財年分別為五百萬美元，而應用研究資金為兩年一千八百萬美元。

根據預算需求文件，基礎研究工作包括機載、地面和艦載緊湊型射頻放大器的研發、傳感、工作在75GHz以上的雷達系統。目標是提升對多種現象的理解，管理工作在75GHz以上毫米波頻段真空電子放大器。HAVOC關注的領域包括建模和仿真技術、先進制造方法、新型注波互作用結構以及大電流密度、長壽命陰極。2018財年，計劃要求驗證先進真空電子放大器的代表性結構的高精度、全三維、多物理場數值高效建模及仿真技術，以及寬帶大功率注波互作用結構的加工和測試以及大電流密度陰極的研究。

應用研究工作致力于建立一類新型寬帶毫米波大功率放大器，尺寸、重量和功率特性符合空軍和移動平臺的重復使用。2018財年文件要求“HAVOC放大器提供空軍、地面和艦載通信、傳感電子對抗系統的跨越式發展，但仍需要大電流長壽命陰極、寬帶大功率互作用電路、寬帶低損耗輸能真空窗和緊湊型聚焦磁系統等技術的顯著提升。”2018財年的目標包括設計、制造和測試寬帶真空窗、研究新型磁材料及磁鋼配置，以實現緊湊性、集成電子束聚焦和傳輸結構，最終將組件集成為放大器樣管進行初步測試。

INVEST是Innovative Vacuum Electronic Science and Technology 的簡寫，“革新的真空電子科學與技術”。目標是加強科學與技術基礎開發全新一代的真空管，包括真空電子器件基于物理的建模和模擬基礎研究、革命性的組件設計、電子發射過程及先進加工技術。

Palmer博士介紹說，“INVEST項目基于應用正在向更高頻率拓展的發現，這一變化一直持續、不會停止。人們預期的下一個大氣窗口是W波段94GHz左右(W波段是指75-110GHz)，當你從事這些頻段的研究，真空儀器設備及所有組件(例如高電流密度陰極、小真空腔室、輸出系統等)的尺度都變得很小，超高精度對中變得更加困難和重要。當你向上拓展頻率，已經不能再使用常規的加工技術。”

為了應對這些挑戰，INVEST項目正在尋找利用全新的、更先進的加工技術的方法，例如增材制造（增材制造是指采用數字3D設計、通過材料沉積構建組件的方法）。例如，試想能夠將整個器件的工程制圖輸入3D打印機，讓打印機直接輸出整個真空管結構，同時滿足精度及對中要求。實際上，最終且最受歡迎的輸出是：通過INVEST項目，將新的科學理解和工程專業知識轉換成新的工具，具有分析、綜合、優化新型真空電子器件設計能力，進而利用新的高端加工技術方法，包括3D打印，實際制造器件。

2015年8月，DARPA公布了INVEST項目的廣泛機構公告，因此給工業界和學術機構授予了一些合同開展工藝和技術研究。其中一項研究是由加州大學伯克利分校承擔的探尋純銅增材制造。

Palmer博士還指出了一些正在進行的項目，檢驗提升基礎熱陰極的方法。“熱陰極是從弗萊明真空管就在使用的組件”，弗萊明真空管又叫熱電子真空管，是在1904年由John Ambrose Fleming發明的，用于無線電報早期接收機的探測器，是首個實用化的真空電子器件。但是人們仍舊沒有真正對其工作原理和工作方式形成透徹的定量理解。

為了考慮這一領域，INVEST囊括了包含大學及美國陰極生產商在內一支廣泛的研究團隊，尋找熱陰極背后的化學和材料科學，并試圖將其轉化為工藝及制造。Leidos公司正在建模分析加工誤差對器件性能和產量的影響。在某一時刻，也許我們真的能夠獲得熱陰極的先驗設計，使其工作符合我們的預期。

另一個INVEST項目的團隊是威斯康辛大學，他們研究除了陰極常用氧化物之外的其他組分或者一些新型氧化鈧陰極，尋找是否具有任何其他材料的組合可能提供更好的性能。為了完成這項工作，他們采用了一種計算機建模技術叫做“密度函數理論”（Density Functional Theory, DFT）掃描周期表的元素,其具有最低的功函數，是熱陰極的重要參數，定義了熱發射材料發射電子所需的溫度。

另外的團隊正在開發新型的、不同的注-波互作用結構，通過電子注和電磁場的換能實現的放大發生于此。“我們正在尋找一些新型且不同的想法，以構建互作用結構，避免結構帶來的一些限制。”其中，麻省理工學院（MIT）研究可用于過尺寸和過模真空電子器件的光子帶隙結構。

項目還資助了一些更廣泛且獨立的機構開展其他真空電子器件關鍵技術研究，其中包括，Teraphysics公司開展的超小型E波段行波管，RTI 公司的納米柵發射陣列，eBeam公司的用于氧化物陰極的超小型電子槍，新墨西哥大學的簡單結構的高頻速調管。

冷陰極行波管

也許通過INVEST計劃開發的最有前途的技術就是冷陰極技術。陰極是真空管中流通電子注的熱電子發射源，工作時要加熱到很高的溫度（大約1000℃）。陰極材料能否在更低溫度下產生電子發射，反應在它的功函數上，而功函數，如上所述，取決于陰極所用材料本身。

很明顯陰極所需溫度越低，管子的效率和穩定性越高。當使用室溫工作的“圣杯”(Holy Grail)作為陰極時，不僅無需加熱，而且無需預熱。

L-3電子器件公司副總CarterArmstrong在2012年IEEE Spectrum雜志發表的“尋求終極的真空管”一文中說道“冷陰極真空器件將引領新一代超小型、高精度、高效率放大器，它將會用于諸如小型衛星上的使用的超小型大功率射頻發射機中”。

獲得冷陰極電子注發射的一個途徑是在發射體和真空界面上施加一個強電場。這種向內朝向的電場對電子施加一個向外的引力，并且降低阻礙電子逸出的勢壘。然而，如果大量依靠目前現有技術來從這種途徑獲得場發射，則此時會需要太高的電壓。納米加工技術被認為可以解決該問題。既然電場強度隨電極間距減小而增強，那么通過將發射體構造縮減至納米量級，則其場發射增強因素會顯著提高，使得它在很低電壓下即可實現工作。

有兩個團隊在從事INVEST項目中的冷陰極技術。麻省理工學院在探索硅納米線冷陰極，斯坦福國際研究所在繼續研究“Spindt”場發射冷陰極。Palmer博士說：“冷陰極技術是面向未來的技術。如果一種冷陰極能足以克服管子的“惡劣”工作環境，那將會大大簡化管子的設計。目前在管子設計中，必須要使電子槍能耐受1000攝氏度的溫度沖擊，而且在冷熱狀態下，其中任何零件不能錯位太多。如果能使用冷陰極替代熱陰極，將會是一個巨大的進步。”

跨越式技術

DARPA支持發起的HAVOC和INVEST兩個項目，引人注目地前瞻了將來一段時期的探索和開發的技術，Palmer博士講到，DARPA的職責并不是直接投資支持制造業，“而是在呼吁關注上發揮了重要作用。制造基礎能夠將這些技術落在實處。而且，不只是當前的技術能力，隨著持續向更高頻率的拓展，真空電子技術會獲得持續的發展。如果有緣，終其畢生，你將身臨其境于‘面朝大海，春暖花開'（到達真正理解其工作原理、欣賞他的非凡能力的境界）之中。"