毫米波技術應用及其進展（二）

3毫米波技術基礎研究的進展 毫米波技術應用的發展是建立在毫米波元器件發展的基礎上的。應用的需要又反過來推動了元器件的發展。同時材料、工藝和計算機輔助設計的發展也為元器件的發展創造了條件。這里介紹部分元器件的發展情況。 3.1半導體器件 在毫米波系統中應用的半導體器件有混頻器、低噪聲放大器、倍頻器、功率放大器及振蕩器等。在40GHz（有些器件可達60GHz）以下，這些器件已有批量生產的商品可供選用。

3.1.1混頻器 現在混頻器已可工作到1000GHz。例如日本報道了一種工作于200GHz的SIS混頻器，在4K的工作溫度下在204GHz處噪聲溫度為150K。而荷蘭則報道了能工作在1000GHz的 SIS混頻器，它在4K的工作溫度下，在950～1050GHz范圍內，噪聲溫度在1000～2000K 之間。

3.1.2 低噪聲放大器 在實驗室里可做出性能更好的放大器。例如在60GHz頻段可做到增益大于9dB、噪聲系數小于O.8dB；而在95GHZ頻段可做到增益大于8.2dB、噪聲系數小于1.3dB。
3.1.3集成接收前端 集成接收前端是將低噪聲放大器、混頻器和本振（有的還包括前置中放）做在一塊集成電路上。8mm波段已有商品。例如有一種產品可工作在26～40GHz，中頻輸出為 2～16GHz，噪聲系數3.5dB，增益高達42dB，射頻一本振隔離可達45dB。另外還有報道可工作到100GHz的接收前端，中頻輸出頻率在L波段。當工作在4K的條件下時，在 95GHz處噪聲溫度為20K。在邊頻（80和120GHz）處噪聲溫度為80K。

3.1.4功率放大器 半導體功率放大器現在的水平大致為在40GHz以下時輸出的平均功率為500mw（脈沖功率可達1W），增益20dB；在60GHz時輸出功率約500mw，增益降至14dB；在94GHz 時輸出功率為60mW增益約4dB。在目前情況下若不采用功率合成技術，毫米波半導體功率放大器的輸出功率只能在瓦級。但這并不妨礙它得到廣泛的應用，因為許多用量很大的應用例如汽車防撞雷達、本振和儀器等有瓦級的功率已經足夠了。

3.2真空器件 真空器件在需要高頻大功率的場合可發揮其優勢。真空器件可以分為傳統器件和相對論器件兩大類。

3.2.1互傳統器件 返波管是最早用來產生毫米波振蕩的器件。目前多用在500GHz以下產生5～50mw 的輸出功率。但也有輸出更大功率的，例如法國的TH4237就可在75～110GHz范圍里產生11W的輸出功率。返波管還是目前工作頻率最高的器件，美國猶他州大學研制了一個工作在600～1800GHz頻段可輸出1mW功率的近波管。實際已工作在亞毫米波段的高端了（從O.5mm到0.17mm）。 磁控管是大功率振蕩器，早期的毫米波雷達的發射機基本上都是用磁控管制成的，即使現在磁控管還是廣泛應用在要求不太高的雷達中。普通脈沖磁控管的峰值輸出功率在35GHz可達125kw，在70GHz時約10kw，95GHz時約8kw。但占空比較小，在千分之一左右。同軸磁控管的脈沖輸出功率與普通脈沖磁控管差不多，但占空比可達到10％以上，因此平均功率較普通磁控管高近百倍，大大提高了雷達的作用距離。為了提高雷達的抗干擾能力，和在微波波段一樣制成了電調諧的捷變頻磁控管。但由于磁控管的頻率穩定度較低，無法做成相參雷達。在毫米波行波管發展起來以后，許多要求高的雷達紛紛采用性能更好的行波管放大鏈做雷達發射機了。 行波管不僅用于雷達中，還大量用于電子對抗和激光光譜儀中。在微波波段中普遍使用的螺旋線行波管由于工作電壓的限制，只能做到8mm波段。目前已知功率最大的是湯姆遜公司的27.5～30GHz輸出200W的行波管，增益為55dB。工作在高頻端的代表是休斯公司的工作在41～45GHz輸出功率為80W的行波管。倍頻程大功率管的代表則是諾斯洛普公司的20～40GHz輸出功率為100W的行波管，其增益為40dB。雷聲公司研制了工作于42GHz輸出功率為160W的行波管，是已知的在8mm波段高頻端連續波輸出功率最大的行波管，但增益只有24dB。此外休斯公司還研制了一批脈沖工作的螺旋線行波管，但脈沖輸出功率也只在100～200W之間。在毫米波段沒有輸出功率從幾十毫瓦到見瓦的寬帶螺旋線行波管，這是因為在毫米波段，這類行波管的效率太低，而工作電壓又太高的緣故。 耦合腔行波管（包括其變形梯形線行波管）則工作頻率和輸出功率都可以高得多。8mm波段大功率的代表是VTAS700，工作在34.5～35.5GHz時脈沖輸出功率可達 30kW。大平均功率的代表則是YH1048，在28～30GHz范圍內可輸出1kw的平均功率。 VTW5795則是3mm波段大脈沖功率行波管的典型，它能在95～96GHz范圍輸出8kw的脈沖功率。而985H則可在84～86GHz的頻帶里輸出200W的平均功率，增益可達47dB。 分布互作用放大器和振蕩器（EIA和EIO）。EIA是一種大功率的毫米波放大器，其中有一種工作頻率在高達220GHz時仍可有60W的峰值功率輸出（平均功率0.5W）；另一種則在95GHz處有2.8kw的峰值功率輸出（平均功率100W），增益38dB，但帶寬只有400MHz。EIO則是一種大功率振蕩器。瓦里安公司研制了一系列的EIO，從 30GHz直到300GHz，機械調諧帶寬為2％～4％。在30～40GHz時輸出功率可達1kw。頻率升高時輸出功率將下降。 近年繼微波功率模塊之后又研制成了毫米波功率模塊（MMPM），即將小型化行波管、前置固態放大器、增益均衡器、調制器和高壓電源都集成在一起。它的體積很小，可以滿足相控陣系統的需要。使用也很方便，只要接上電源，送人毫米波信號，模塊就可以工作了。例如諾斯洛普公司研制的一種MMPM工作在18～40 GHz頻段、輸出功率100W、飽和增益50dB、小信號增益56dB長200mm、寬90mm、厚 20mm、重0.6kg。 3.2.2相對論器件 相對論器件是回族管、虛陰極振蕩器、契倫可夫發生器等的總稱。本文只討論現在用得較多的回旋管。由于它是快波器件，不受傳統微波器件中電子與波互作用空間的線尺寸和頻率成反比規律的限制，在毫米波段其尺寸比傳統器件大得多，輸出功率也大得多，且與頻率的關系較小。例如瓦里安公司研制了一套毫米波回旋管，覆蓋了28～70GHz各頻段，輸出功率均在200kW左右，注電壓均為80kV，注電流均為8A。這些管子都可以工作在連續波狀態，如果只工作在脈沖狀態輸出功率還可以大得多。例如用在極軌雷達發射機中的35GHz脈沖回旋行波管輸出功率400kW、增益50dB、效率35％。相對論器件的缺點是工作電壓高（至少40kV），還要很強的磁場且對磁場的分布有很嚴格的要求。目前還只能用電磁鐵來提供所需的磁場。這給使用帶來了很大的困難。現在許多國家都在研制包裝式回旋管（即用永磁體提供磁場的回旋管），但還未見試驗成功的報告。

3.3毫米波元件 雖然許多微波元件經過縮小尺寸以后可以工作在毫米波段，實際上在毫米波段也確實用了不少這類元件。但在實際工作中隨著頻率上升，波導的尺寸越縮越小，功率容量大大下降。8mm波段的波導還能傳輸50kw的功率，到3mm波段就只能傳送不到20kw的功率了。遠小于回族管200kw的輸出功率。同時損耗也隨頻率很上升，在8mm波段約為0.6dB／m，3mm波段就上升到了4dB／m，到1mm波段達到了 14dB／m。因此人們一直在尋找適合毫米波使用的新型元件。現在比較成熟的有槽波導和介質波導兩種。前者體積較大，適合于3mm波段和更高頻率使用。在俄羅斯已有成套的槽波導元件和槽波導可供選用。后者則有多種形式。目前用得最多的是鏡像介質波導和絕緣鏡像介質波導。現在已可利用介質波導制成定向耦合器、諧振器、濾波器、移相器、混頻器和振蕩器等元件。可以把它們集成在一起做成毫米波接收前端、表面波天線和表面波天線陣等毫米波集成電路。目前這些集成電路已可工作到3mm波段，并在向更高的波段發展。 在毫米波中為了解決用常規波導制成的諧振腔的Q值低的問題，發展了一種由兩個反射面（往往一個為拋物面，一個為平面。也可以兩個都是拋物面）所構成的準光腔。其Q值可做到幾千甚至超過一萬。但在8mm波段時體積稍大了一些。

4結束語 毫米波技術是一門正在發展中的學科。發展毫米波技術對鞏固國防和發展國民經濟都有重大意義。眾所周知，要在現代戰爭中立于不敗之地，取得制電磁權是極其重要的。而具有毫米波對抗能力則是取得制電磁極的一個重要方面。從發展國民經濟的角度看，現在已進入信息社會時代，僅從毫米波的大信息容量這一點就可見其重要性，更何況毫米波技術在汽車和直升飛機的自動駕駛、遙感技術、激光光譜技術和射電天文學等領域都是不可或缺的。因此我們必需抓緊發展毫米波技術。 毫米波技術的發展需要兩個基礎。一是理論的發展，在毫米波段無論是系統的構成還是元器件的設計制造都出現了許多新概念和新思想，需要進行理論研究，給出新的設計方法。二是材料科學的發展，毫米波元器件的發展需要更好的材料的支持。例如半導體器件需要更好的MBE材料，旋磁器件需要在毫米波段損耗小的旋磁材料，真空器件需要磁能積更高的磁性材料等。限于篇幅，本文對這兩項均未能進行討論，同時毫米波技術是一門涉及面很廣，發展很快的學科。而作者知識面有限，本文僅能介紹其中一些方面的進展情況，起拋磚引玉之作用。