加速发展毫米波/太赫兹频域

2018-12-07 来源:真空电子作者:廖复疆 蔡军 我要评论(0) 字号:

由于微波频段的拥挤,近年来国内外信息技术界都更加关注毫米波和太赫兹频域的利用和发展[1-3]。毫米波频域的应用可追朔到上世纪70年代,美国Milstar通信卫星正式使用Ka波段毫米波技术,使毫米波技术应用取得突破。近年来,高速数据通信和5G移动通信的发展,要求更高的工作频率和更宽的频带宽度。促使我们开辟从Ka波段到太赫兹频段整个毫米波到亚毫米波频域。随着频率的升高,电磁波的传输损耗也在增加。图1给出了300GHz频率以下电磁波的衰减情况。可以看到,除了高峰值的衰减之外,有的地方大气窗口的衰减也可以达到1dB以下。

图1、300GHz以下频率电磁波在不同地点大气中的衰减情况

美国海军实验室研制的W波段大孔径无线电定位器(WARLOC),雷达发射机使用了回旋速调管放大器,输出峰值功率100kW,平均功率10kW,瞬时带宽600MHz。位于林肯空间观察室的Haystack超宽带卫星成像雷达(HUSIR)就是依托WARLOC雷达组建而成的。其主要作用是观察空间的卫星碎片,观察距离可以达到上千公里。事实上,新型成像雷达技术的发展,要求雷达工作在太赫兹频域[4],其成像速率可以达到30帧/秒,图像的分辨率也得到极大提高。美海军实验室又研制出W波段脉冲输出功率大于7.5kW的分布作用速调管[5],可以作为该波段雷达应用。太赫兹频谱在ViSAR雷达中的应用,将会改变战场的侦察态势。太赫兹雷达在精确制导、精密气象探测、防撞、障碍物探测、安全检测等方面的应用也在发展[6]

2016年11月25日DARPA报道,测试了100Gb/s通信能力,范围是空-空距离200km,空-地距离100km; 100Gb/s通信速率的突破将给国防和国民经济带来重大影响。这项试验是利用70GHz输出功率100W的行波管完成的,因为至今固态器件尚未能在70GHz提供20W CW功率输出。DARPA正在构建100Gb/s高速射频骨干网,为200km距离和100km高度的设备之间提供高速通信能力。

5G通信是移动通信系统发展的前沿[7]。美国和欧洲正在部署和发展用于5G点对点、点对多点通信干线的E波段行波管放大器[8-13]制造。鉴于中国的城市化率没有西方的高,我国广大城市郊区、农村和边远地区还占有很大比例。因此在发展E波段通信行波管的同时,还应当发展Ka、Q、V波段通信行波管。

正是这些有源相控阵雷达、高速数据通信和5G(甚至6G)移动通信技术的发展,促进了毫米波和太赫兹频域的开拓。首先遇到的是功率放大器的发展。太赫兹频域是介于光波和微波之间的频域。从光波产生太赫兹功率源的方法是通过两束不同波长激光源的差频来实现。这种方法很难获得大的功率输出。而半导体在E波段产生大功率输出已十分困难。唯有真空电子器件,在太赫兹频段可以获得较大的功率输出[1,13]。目前在E、W波段都可以获得100W以上的脉冲功率输出,在G波段也可以获得50W脉冲功率输出[14]。在1THz可以获得29毫瓦功率输出[15]。即使如此,我们还在探索如何在太赫兹频率获得更大的功率输出。表1是诺斯罗普-格鲁曼公司研制的THz放大器一览表。图2是THz放大器微加工慢波电路。

表1、诺斯罗普-格鲁曼公司研制的THz放大器

图2、THz功率放大器微加工慢波电路

2015年,DARPA发布了两项基础研究计划。一项是INVEST,另一项是HAVOC[16,17]。这两项基础研究计划都是从根本上开发出一种全新的真空功率放大器,有较大的功率输出,可以低成本批量制造,不是工艺品式的实验室产品,是规模制造产品。从这几年探索来看,获得大功率输出的途径并没有出现新的突破,仍然在尝试加大电压的相对论电子学方法、多电子注和带状注方法、以及集成制造方法等。但是在3D打印和新型慢波结构方面做了很好的探索[18-21]

本文的目的是进一步确认毫米波/太赫兹频域对于信息技术发展的重要作用; 讨论加速开拓毫米波/太赫兹频域的技术途径, 特别是结合真空电子器件的发展, 讨论器件和应用相互促进的可能性;讨论新型器件的发展, 对信息处理技术发展的重要作用。

I. 太赫兹功率放大器技术发展

太赫兹功率放大器是支撑太赫兹频域发展的核心器件。近十年来,真空电子和半导体器件都在太赫兹频域发展新型器件,这两种器件的不同之处在于,真空电子器件具有大功率输出能力,但它的制造技术仍然是单管制造,未实现批量制造;半导体器件在毫米波和太赫兹频段都难以获得大功率输出,只能通过功率合成达到瓦级功率输出[22],但它可以实现批量制造。

为了满足70GHz 5G移动通信技术发展的需要,近年来发展了一系列E波段通信用行波管[8-13]。图3是L-3公司制造的E波段MPM照片,图4是相应的参数。该器件脉冲输出功率为100W。在空中高速数据通信试验中,获得了100Gb/s的通信速率。图5是诺斯罗普公司研制的G波段(233GHz)行波管照片、采用的电路和50W输出功率-带宽曲线,其带宽还可以再扩大。图6是中国电科第12研究所研制的W波段行波管照片和大于100W脉冲输出功率随频率的变化情况[23]。随着工作频率的提高,输出功率会进一步降低。

图3、L-3通信公司用线性化MPM照片,frequency(GHz)体积为37.6×26.6×7.6cm3,重量10kg.

图4a、在20.8kV,200mA条件下,放大器饱和输出功率

图4b、在20.8kV,200mA条件下,放大器效率。

图4c、在20.8kV,200mA条件下,放大器电子注流通率

图5a、是诺-格公司研制的G波段行波管照片

图5b、是G波段行波管采用的微加工慢波结构

图5c、是G波段行波管50W输出功率和带宽

图6a、中国电科第12研究所研制的W波段行波管照片

图6b、是两支试验管输出功率和频率的关系曲线

其原因不仅互作用电路的耦合阻抗降低,电子注通道也变得更小。因此,近年来在探索扩大电子注通道和采用多电子注实现大功率输出的可能性。

II 微加工制造技术

真空电子器件最大的问题是手工制造和对中,尚未实现批量制造技术。要实现毫米波和太赫兹频段的开拓,必须解决真空电子器件的批量制造问题。真空电子器件在历史发展上,本来就属于批量制造产品,否则它也不可能在上世纪构建完整的信息社会。当时的小型化三、四极管都是年产几千万支的产品。显示器件(CRT)也是年产四千多万台的批量制造产品。今天的微波炉磁控管年产量达到四千多万支,成本很低,保证了全球对微波炉的需求。

实现批量制造,需要从几方面入手:首先是器件结构的简化。微波炉磁控管从复杂的结构简化到批量制造结构,从谐振腔结构到阴极处理都发生了很大的变化。那么,工作在太赫兹频段的行波管,其结构也要发生变化,有利于微加工和自动对中技术的实现;其次是加工制造技术。微加工是当前电子器件发展的主流,真空电子也不能例外,必须采用微加工制造,才能实现微型化和组件化;美国海军实验室和Teraphysics公司在这方面做了很好的探索[24-25]。表2是海军实验室G波段行波管参数。图7是所采用的慢波电路加工过程。第一步是在金属基片上涂满光刻胶;第二步刻蚀出折叠波导的芯子;第三步铸铜;第四步放置电子注通道的介质线;第五步刻蚀上半部折叠波导芯子;第六步再铸铜,去除光刻胶芯子,加盖板,形成慢波结构。图8是采用3D打印完成的折叠波导慢波电路[20]。所不同的是折叠波导芯子和铸铜过程,都由3D打印过程代替。这里加工的仅仅是慢波结构,尚未牵涉到整管装配。图9是Teraphysics公司制造的94GHz螺旋线行波管的过程[25]。该公司称,这是对螺旋线的再发明。因为螺旋线过去只能用到60GHz。现在可以将螺旋线用到1THz。螺旋线的加工是用微加工实现的,其一致性和批量制造技术都是很好的。但是,整管的装配仍然存在对中精度问题,需要进一步解决。

表2、G波段行波管的有关参数

图7、G波段行波管慢波结构加工过程

图8a、在铜基片上合成塑料3D打印的电路真空芯子

图8b、3D打印模型去除后铸铜的蛇形慢波电路

图8c、3D打印模型去除后铸铜的慢波电路

图9a、Ansys模拟94GHz螺旋线25W输出功率时的温度分布

图9b、加工的94GHz螺旋线

图9c、螺旋线加工过程

图9d、装配的94GHz螺旋线

近年来,正在加紧探索3D打印技术用于慢波结构和行波管制造的可能性[20,26]。可以看到行波管可以采用微加工制造,这是和微电子制造相同的地方。但是,它又有很多不同之处。铸造和增材制造是真空电子器件所特有的。无论如何,最终的目的是要实现批量低成本制造。

III新原理的探索

按照DARPA基础研究的目标是要研制全新性能的真空电子器件。从满足高速数据通信和有源相控阵雷达发展的角度看,寻找一种容易实现批量制造的慢波结构和大电子注通道半径是我们的近期目标,实现纳米真空沟道三极管也许是更远一些的目标[27]

文献[28]给出了一种G波段相移行波管。这种慢波结构分上下两部分,两者结构完全一样,安装时相错一个相位,中间留有带状电子注通道,结构简单,如图10。文献[29]给我们另一种采用光子带隙的慢波结构。图11给出了双绉折慢波结构的尺寸;构成光子带隙方柱的尺寸和这种慢波结构的示意图。可以看到,用3D打印可以实现这种慢波结构的制造。图10是相移行波管慢波结构的实现过程。其中,图10a是相移行波管慢波结构示意图;图10b是相移行波管慢波结构的三维造型;图10c是一半电路的加工。

图10、相移行波管慢波结构的实现过程

图11a、0.641THz皱褶波导慢波结构和尺寸

图11b、构成光子带隙方柱及有关尺寸

图11c、光子带隙皱褶波导示意图

随着工作频率的提升,器件的输出功率会降低。采用多电子注、带状注、和多器件集成仍然是我们需要探索的技术途径,以提高器件的输出功率。文献[29]给出了单片集成的140GHz行波管阵列制造计划。每个管子的输出功率为50-100W。这种探索对于开拓行波管在有源相控阵雷达中的应用是有益的。

 

图12、上图是单片集成的概念,包括电铸的极靴和磁铁;下图是平面磁系统结构,使其很容易堆积成阵列

IV 结论

由于微波波段的拥挤,高速数据通信和有源相控阵雷达等应用已经对毫米波和太赫兹频段提出需求。尽管5G通信目前还停留在微波波段,但很快将会发展到Ka波段,甚至E波段。真空电子器件是目前唯一能在E波段以上频率提供大功率输出的器件。加速毫米波和太赫兹频域的发展,对加强国防和国民经济建设都具有重要的作用。

加速E波段以上频域的发展,真空电子器件面临三方面的研究任务:第一是新型太赫兹器件的研究与发展。因为在G波段及其以上频率,器件的输出功率还不是很高,需要寻找提高输出功率的途径;第二是要打造E和W波段低成本行波管批量制造的平台。这是牵涉到真空电子器件能否应用于高速数据通信系统和5G移动通信系统的关键所在。为此要简化行波管结构,适合于批量制造,还要找到智能制造方法;第三是进一步加强基础研究,争取基本原理上的突破,真正使真空电子、微电子、光电子融合为一体,推动信息技术的发展。

编者按:2018年10月10日廖复疆教授逝世。廖复疆教授一生从事行波管研制并关注真空电子学科的发展,直到生命最后一刻。本文是廖复疆教授逝世前发表的最后一篇文章,转载以飨读者,以志纪念。敬爱的廖总,一路走好。

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