加速發展的毫米波／太赫茲頻域（一）

由于微波頻段的擁擠，近年來國內外信息技術界都更加關注毫米波和太赫茲頻域的利用和發展^[1-3]。毫米波頻域的應用可追朔到上世紀70年代，美國Milstar通信衛星正式使用Ka波段毫米波技術，使毫米波技術應用取得突破。近年來，高速數據通信和5G移動通信的發展，要求更高的工作頻率和更寬的頻帶寬度。促使我們開辟從Ka波段到太赫茲頻段整個毫米波到亞毫米波頻域。隨著頻率的升高，電磁波的傳輸損耗也在增加。圖1給出了300GHz頻率以下電磁波的衰減情況。可以看到,除了高峰值的衰減之外，有的地方大氣窗口的衰減也可以達到1dB以下。

圖1、300GHz以下頻率電磁波在不同地點大氣中的衰減情況

美國海軍實驗室研制的W波段大孔徑無線電定位器（WARLOC）,雷達發射機使用了回旋速調管放大器，輸出峰值功率100kW,平均功率10kW,瞬時帶寬600MHz。位于林肯空間觀察室的Haystack超寬帶衛星成像雷達（HUSIR）就是依托WARLOC雷達組建而成的。其主要作用是觀察空間的衛星碎片，觀察距離可以達到上千公里。事實上,新型成像雷達技術的發展,要求雷達工作在太赫茲頻域^[4]，其成像速率可以達到30幀/秒，圖像的分辨率也得到極大提高。美海軍實驗室又研制出W波段脈沖輸出功率大于7.5kW的分布作用速調管^[5]，可以作為該波段雷達應用。太赫茲頻譜在ViSAR雷達中的應用，將會改變戰場的偵察態勢。太赫茲雷達在精確制導、精密氣象探測、防撞、障礙物探測、安全檢測等方面的應用也在發展^[6]。

2016年11月25日DARPA報道，測試了100Gb/s通信能力，范圍是空-空距離200km，空-地距離100km; 100Gb/s通信速率的突破將給國防和國民經濟帶來重大影響。這項試驗是利用70GHz輸出功率100W的行波管完成的，因為至今固態器件尚未能在70GHz提供20W CW功率輸出。DARPA正在構建100Gb/s高速射頻骨干網，為200km距離和100km高度的設備之間提供高速通信能力。

5G通信是移動通信系統發展的前沿^[7]。美國和歐洲正在部署和發展用于5G點對點、點對多點通信干線的E波段行波管放大器^[8-13]制造。鑒于中國的城市化率沒有西方的高，我國廣大城市郊區、農村和邊遠地區還占有很大比例。因此在發展E波段通信行波管的同時，還應當發展Ka、Q、V波段通信行波管。

正是這些有源相控陣雷達、高速數據通信和5G(甚至6G)移動通信技術的發展，促進了毫米波和太赫茲頻域的開拓。首先遇到的是功率放大器的發展。太赫茲頻域是介于光波和微波之間的頻域。從光波產生太赫茲功率源的方法是通過兩束不同波長激光源的差頻來實現。這種方法很難獲得大的功率輸出。而半導體在E波段產生大功率輸出已十分困難。唯有真空電子器件，在太赫茲頻段可以獲得較大的功率輸出^[1,13]。目前在E、W波段都可以獲得100W以上的脈沖功率輸出，在G波段也可以獲得50W脈沖功率輸出^[14]。在1THz可以獲得29毫瓦功率輸出^[15]。即使如此，我們還在探索如何在太赫茲頻率獲得更大的功率輸出。表1是諾斯羅普-格魯曼公司研制的THz放大器一覽表。圖2是THz放大器微加工慢波電路。

表1、諾斯羅普-格魯曼公司研制的THz放大器

圖2、THz功率放大器微加工慢波電路

2015年，DARPA發布了兩項基礎研究計劃。一項是INVEST,另一項是HAVOC^[16，17]。這兩項基礎研究計劃都是從根本上開發出一種全新的真空功率放大器，有較大的功率輸出，可以低成本批量制造，不是工藝品式的實驗室產品，是規模制造產品。從這幾年探索來看，獲得大功率輸出的途徑并沒有出現新的突破，仍然在嘗試加大電壓的相對論電子學方法、多電子注和帶狀注方法、以及集成制造方法等。但是在3D打印和新型慢波結構方面做了很好的探索^[18-21]。

本文的目的是進一步確認毫米波/太赫茲頻域對于信息技術發展的重要作用; 討論加速開拓毫米波/太赫茲頻域的技術途徑, 特別是結合真空電子器件的發展, 討論器件和應用相互促進的可能性;討論新型器件的發展, 對信息處理技術發展的重要作用。

I. 太赫茲功率放大器技術發展

太赫茲功率放大器是支撐太赫茲頻域發展的核心器件。近十年來，真空電子和半導體器件都在太赫茲頻域發展新型器件，這兩種器件的不同之處在于，真空電子器件具有大功率輸出能力，但它的制造技術仍然是單管制造，未實現批量制造；半導體器件在毫米波和太赫茲頻段都難以獲得大功率輸出，只能通過功率合成達到瓦級功率輸出^[22]，但它可以實現批量制造。

為了滿足70GHz 5G移動通信技術發展的需要,近年來發展了一系列E波段通信用行波管^[8-13]。圖3是L-3公司制造的E波段MPM照片，圖4是相應的參數。該器件脈沖輸出功率為100W。在空中高速數據通信試驗中，獲得了100Gb/s的通信速率。圖5是諾斯羅普公司研制的G波段（233GHz）行波管照片、采用的電路和50W輸出功率-帶寬曲線，其帶寬還可以再擴大。圖6是中國電科第12研究所研制的W波段行波管照片和大于100W脈沖輸出功率隨頻率的變化情況^[23]。隨著工作頻率的提高，輸出功率會進一步降低。

圖3、L-3通信公司用線性化MPM照片，frequency(GHz)體積為37.6×26.6×7.6cm³，重量10kg.

圖4a、在20.8kV,200mA條件下，放大器飽和輸出功率

圖4b、在20.8kV,200mA條件下，放大器效率。

圖4c、在20.8kV,200mA條件下，放大器電子注流通率

圖5a、是諾-格公司研制的G波段行波管照片

圖5b、是G波段行波管采用的微加工慢波結構

圖5c、是G波段行波管50W輸出功率和帶寬

圖6a、中國電科第12研究所研制的W波段行波管照片

圖6b、是兩支試驗管輸出功率和頻率的關系曲線

其原因不僅互作用電路的耦合阻抗降低，電子注通道也變得更小。因此，近年來在探索擴大電子注通道和采用多電子注實現大功率輸出的可能性。