历久弥新的行波管:毫米波及更高频率仍是行波管的创新领地

2018-08-16 来源:真空电子 我要评论(0) 字号:

本文由(微信公众号:真空电子)编译自美国《电子防务》2018年3月(The Journal of Electronic Defense,JED)封面文章。

毫米波及更高频率是行波管的领地

2017年9月15日,北京时间下午7:55,美国的卡西尼号飞船降落在土星,向地球传输了最后一批数据。卡西尼号飞船经历了20年太阳系旅行,其中包含了环绕土星的13年。

卡西尼飞船上所有的射频系统几乎都是由行波管实现,包括科研仪器、遥感、控制和回传地球数据链。飞船在1997年发射,当时的最大争议是:其系统应该基于固态器件,而不是真空管,原因主要是直觉上的“真空管技术不可靠”。然而,结果却是飞船在2004年抵达土星后,美国国家航天局NASA两次延长了卡西尼计划,直到其坠毁。毫无疑问,真空管技术支撑了卡西尼飞船的生存及可靠性,基于真空管技术的系统实现了长达20年的实际深空环境寿命。

行波管仍是目前在役的绝大多数干扰机的柱石。图为美国空军A-10,其左翼外武库的干扰吊舱,其功率器件为行波管。

行波管对射频领域下一代需求至关重要

今天对真空器件和固态器件的争论仍在继续,后者的倡导者依旧时常提及的可靠性问题。但是,正如前美国国防预研局官员的W. D. Palmer博士指出的,“真空管和固态电子器件之间的争论已经持续了几十年,你会发现争论的中心处在功率/频率的领先边界。”,技术发展针对了满足工作在微波频谱时代的需求,而历史原因存在于这一过程中。“在GaAs晶体管功率问世之前,真空管是唯一解决方案。后来,GaAs晶体管开始在低频段替代真空管,但是总有应用需求领先于商用市场的需求,这就意味着要进一步推进频率和功率产生的能力,这一推动边界区域将一直成为真空器件的领地。”

Palmer博士同时讲到,行波管对于固态器件有两大优势。第一,真空管工作在真空环境,这意味着电子传输换能过程中,不与半导体晶格发生碰撞并产生热量;第二,行波管可以使用“多级降压收集极”部件,能够获取互作用后电子的剩余能量,通过将其回收到系统中,从而进一步提升放大器总效率。Palmer博士指出功率产生的效率是太空应用中真空管尤其受到欢迎的主要原因。“一旦降低了放大器的功率效率,就要增加其电源的尺寸,因此,采用真空管可以使整个系统的尺寸更小。”

实现毫米波大功率的必经之途

领先商用市场的需求,造就了真空管的应用领域,这一观点,被今天的很多事实验证,例如,频谱中30-300GHz的毫米波正在逐渐深入应用并受到持续的关注。毫米波位于微波和红外频谱之间,具有持续增长的需求,尤其是在国防应用中,数据链路对更大容量的针对性需求以及不断增长的无人机的特定需求。Palmer博士总结道,“只有你工作在别人不能工作的高端区域,毫米波会为你提供实现这个想法的机会。同时,它还可以在高速率大容量数据传输中发挥效能。为了开展这项工作,你需要大功率、线性化放大器,正如你从真空电子学中所获得的那样。”

由于随着频率的升高,微波射频的大气损耗也大大增加,这时更需要的大功率的微波源。这也是行波管对毫米波应用有吸引力的另一原因。“如果你想目标收到足够的功率,就需要一个更大功率的放大器。因此,如果你想在毫米波段实现更大功率的覆盖,需要提升输出功率量级,必须而且只能由行波管来完成。”

持续创新的真空电子学

HAVOC和INVEST两个项目

DARPA是美国国防高级研究计划署(Defense Advanced Research Project Agency)的英语简写。DARPA发起支持了HAVOC和INVEST两个项目。HAVOC是High Power Amplifier using Vacuum electronics for Overmatch Capability 的简写,“具有碾压性的高功率真空电子放大器项目”,正在用革命性的方法研发和验证具有线性放大功能的新型紧凑型、高功率、宽带毫米波放大器,形式要素具备移动和机载平台兼容性。

碾压性(Overmatch)一词主要是指,对比同样频段的其他竞争者,能够产生更高的功率,为用户提供容易使用的、具有显著的优势。HAVOC项目致力于极大提升真空电子技术的性能和批量制造能力。2016年5月,HAVOC第一阶段的合同分配给CPI公司、L3公司和诺格公司,研发大功率、宽带毫米波真空放大器。

HAVOC的拨款分为基础研究(PE0601101E R-1 Electronic Science)和应用研究(PE0602716E ELT-01 Electronic Technology)两部分。HAVOC的基础研究资金在2017财年和2018财年分别为五百万美元,而应用研究资金为两年一千八百万美元。

根据预算需求文件,基础研究工作包括机载、地面和舰载紧凑型射频放大器的研发、传感、工作在75GHz以上的雷达系统。目标是提升对多种现象的理解,管理工作在75GHz以上毫米波频段真空电子放大器。HAVOC关注的领域包括建模和仿真技术、先进制造方法、新型注波互作用结构以及大电流密度、长寿命阴极。2018财年,计划要求验证先进真空电子放大器的代表性结构的高精度、全三维、多物理场数值高效建模及仿真技术,以及宽带大功率注波互作用结构的加工和测试以及大电流密度阴极的研究。

应用研究工作致力于建立一类新型宽带毫米波大功率放大器,尺寸、重量和功率特性符合空军和移动平台的重复使用。2018财年文件要求“HAVOC放大器提供空军、地面和舰载通信、传感电子对抗系统的跨越式发展,但仍需要大电流长寿命阴极、宽带大功率互作用电路、宽带低损耗输能真空窗和紧凑型聚焦磁系统等技术的显著提升。”2018财年的目标包括设计、制造和测试宽带真空窗、研究新型磁材料及磁钢配置,以实现紧凑性、集成电子束聚焦和传输结构,最终将组件集成为放大器样管进行初步测试。

INVEST是Innovative Vacuum Electronic Science and Technology 的简写,“革新的真空电子科学与技术”。目标是加强科学与技术基础开发全新一代的真空管,包括真空电子器件基于物理的建模和模拟基础研究、革命性的组件设计、电子发射过程及先进加工技术。

Palmer博士介绍说,“INVEST项目基于应用正在向更高频率拓展的发现,这一变化一直持续、不会停止。人们预期的下一个大气窗口是W波段94GHz左右(W波段是指75-110GHz),当你从事这些频段的研究,真空仪器设备及所有组件(例如高电流密度阴极、小真空腔室、输出系统等)的尺度都变得很小,超高精度对中变得更加困难和重要。当你向上拓展频率,已经不能再使用常规的加工技术。”

为了应对这些挑战,INVEST项目正在寻找利用全新的、更先进的加工技术的方法,例如增材制造(增材制造是指采用数字3D设计、通过材料沉积构建组件的方法)。例如,试想能够将整个器件的工程制图输入3D打印机,让打印机直接输出整个真空管结构,同时满足精度及对中要求。实际上,最终且最受欢迎的输出是:通过INVEST项目,将新的科学理解和工程专业知识转换成新的工具,具有分析、综合、优化新型真空电子器件设计能力,进而利用新的高端加工技术方法,包括3D打印,实际制造器件。

2015年8月,DARPA公布了INVEST项目的广泛机构公告,因此给工业界和学术机构授予了一些合同开展工艺和技术研究。其中一项研究是由加州大学伯克利分校承担的探寻纯铜增材制造。

Palmer博士还指出了一些正在进行的项目,检验提升基础热阴极的方法。“热阴极是从弗莱明真空管就在使用的组件”,弗莱明真空管又叫热电子真空管,是在1904年由John Ambrose Fleming发明的,用于无线电报早期接收机的探测器,是首个实用化的真空电子器件。但是人们仍旧没有真正对其工作原理和工作方式形成透彻的定量理解。

为了考虑这一领域,INVEST囊括了包含大学及美国阴极生产商在内一支广泛的研究团队,寻找热阴极背后的化学和材料科学,并试图将其转化为工艺及制造。Leidos公司正在建模分析加工误差对器件性能和产量的影响。在某一时刻,也许我们真的能够获得热阴极的先验设计,使其工作符合我们的预期。

另一个INVEST项目的团队是威斯康辛大学,他们研究除了阴极常用氧化物之外的其他组分或者一些新型氧化钪阴极,寻找是否具有任何其他材料的组合可能提供更好的性能。为了完成这项工作,他们采用了一种计算机建模技术叫做“密度函数理论”(Density Functional Theory, DFT)扫描周期表的元素,其具有最低的功函数,是热阴极的重要参数,定义了热发射材料发射电子所需的温度。

另外的团队正在开发新型的、不同的注-波互作用结构,通过电子注和电磁场的换能实现的放大发生于此。“我们正在寻找一些新型且不同的想法,以构建互作用结构,避免结构带来的一些限制。”其中,麻省理工学院(MIT)研究可用于过尺寸和过模真空电子器件的光子带隙结构。

项目还资助了一些更广泛且独立的机构开展其他真空电子器件关键技术研究,其中包括,Teraphysics公司开展的超小型E波段行波管,RTI 公司的纳米栅发射阵列,eBeam公司的用于氧化物阴极的超小型电子枪,新墨西哥大学的简单结构的高频速调管。

冷阴极行波管

也许通过INVEST计划开发的最有前途的技术就是冷阴极技术。阴极是真空管中流通电子注的热电子发射源,工作时要加热到很高的温度(大约1000℃)。阴极材料能否在更低温度下产生电子发射,反应在它的功函数上,而功函数,如上所述,取决于阴极所用材料本身。

很明显阴极所需温度越低,管子的效率和稳定性越高。当使用室温工作的“圣杯”(Holy Grail)作为阴极时,不仅无需加热,而且无需预热。

L-3电子器件公司副总CarterArmstrong在2012年IEEE Spectrum杂志发表的“寻求终极的真空管”一文中说道“冷阴极真空器件将引领新一代超小型、高精度、高效率放大器,它将会用于诸如小型卫星上的使用的超小型大功率射频发射机中”。

获得冷阴极电子注发射的一个途径是在发射体和真空界面上施加一个强电场。这种向内朝向的电场对电子施加一个向外的引力,并且降低阻碍电子逸出的势垒。然而,如果大量依靠目前现有技术来从这种途径获得场发射,则此时会需要太高的电压。纳米加工技术被认为可以解决该问题。既然电场强度随电极间距减小而增强,那么通过将发射体构造缩减至纳米量级,则其场发射增强因素会显著提高,使得它在很低电压下即可实现工作。

有两个团队在从事INVEST项目中的冷阴极技术。麻省理工学院在探索硅纳米线冷阴极,斯坦福国际研究所在继续研究“Spindt”场发射冷阴极。Palmer博士说:“冷阴极技术是面向未来的技术。如果一种冷阴极能足以克服管子的“恶劣”工作环境,那将会大大简化管子的设计。目前在管子设计中,必须要使电子枪能耐受1000摄氏度的温度冲击,而且在冷热状态下,其中任何零件不能错位太多。如果能使用冷阴极替代热阴极,将会是一个巨大的进步。”

跨越式技术

DARPA支持发起的HAVOC和INVEST两个项目,引人注目地前瞻了将来一段时期的探索和开发的技术,Palmer博士讲到,DARPA的职责并不是直接投资支持制造业,“而是在呼吁关注上发挥了重要作用。制造基础能够将这些技术落在实处。而且,不只是当前的技术能力,随着持续向更高频率的拓展,真空电子技术会获得持续的发展。如果有缘,终其毕生,你将身临其境于‘面朝大海,春暖花开'(到达真正理解其工作原理、欣赏他的非凡能力的境界)之中。"

来源:真空电子 微信公众号

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