諾格公司在2016年還首次將行波管工作頻率提高到1 THz[41]。該行波管采用深反應離子刻蝕加工的折疊波導慢波結構，在表面電鍍銅以降低太赫茲波的傳輸損耗，折疊波導電路如圖 23所示。利用VDI公司的倍頻源作為行波管的激勵，測試圖如圖 24所示。固態倍頻源最大輸出功率0.7 mW。工作電壓12 kV時電子注流通率約為57%。測試功率曲線如圖 25所示，可見在1.03 THz輸出功率29 mW，在0.642 THz處最大259 mW。最大工作占空比達到0.3%，脈寬30μs。
MEMS微細加工工藝在真空電子器件領域的應用給真空電子器件的制造工藝以及性能參數帶來了一個全新的變革。從現在已經取得的進展來看，真空電子器件的工作頻率已經覆蓋到1 THz以上，并且表現出了比其他光學和固態電子等器件大得多的功率輸出潛力。為了進一步促進太赫茲頻段各類應用的研究的進步和實用化，真空電子器件將會進一步在性能提升，微加工、微組裝、批量制造工藝，與固態電路及電源集成的太赫茲功率模塊等方向快速發展。
5 大功率真空電子器件
大功率是真空電子器件的一個重要特點。在雷達上應用的大功率真空電子器件主要包括大功率行波管、速調管、回旋行波管以及前向波放大器等。這些大功率器件一方面可以構成單獨的發射機在雷達上應用，另一方面可以作為子陣式發射機在無源相控陣雷達上應用。相比于全固態的有源相控陣雷達，基于大功率真空電子器件的無源相控陣雷達有著結構簡單，使用方便，成本低的優勢。
大功率行波管一般具有上百千瓦的功率，存在散熱、聚焦、振蕩抑制、打火等一系列技術難題。美國CPI公司為代表的國外企業在各微波頻段都有大功率行波管的產品。S波段以VTS-5753為代表，峰值功率170 kW，工作比16%。國內中電十二所在X波段大功率行波管方面做了大量工作，曾成功研制出了120 kW行波管[42]。
前向波放大管(CFA)具有工作電壓低、效率高、瞬時帶寬較寬等優點，被廣泛地應用在各種多功能無源相控陣雷達系統上。如美國宙斯盾(AGEIS)、愛國者導彈系統中應用的AN/SPY-1無源相控陣雷達等，其發射單元含有兩組各32個SFD-261前向波放大器，輸出功率125 kW。國內中電十二所在大功率前向波放大管方面具有豐富的研制經驗，開發出了S波段脈沖250 kW，平均功率20 kW的前向波放大管[43]。
速調管作為一種大功率真空電子器件，在大型科學裝置、廣播通信系統、導航雷達、氣象雷達、深空探測雷達等方面都有著重要的應用。國內外一些主要速調管產品參數讀者可參閱文獻[44, 45]。
回旋行波管是另外一種大功率器件，在毫米波頻段能得到峰值功率百千瓦量級。美國海軍實驗室研發成功的回旋速調放大器，它的平均功率為10 kW，是W-band(56～100 GHz)放大器的最高紀錄。現正使用于該所裝設的WARLOC(W-band Advanced Radar for Low Observable Control)雷達站[46]。為了進行深空探測小的宇宙碎片，除了需要高功率及高頻率之外，還要寬頻帶，回旋行波放大器則可提供足夠頻寬。由美國所研發的回旋行波放大器[47]，其頻寬達8.6%。國內中電十二所所研制的W波段回旋行波管得到了最大飽和輸出功率110 kW, 6 GHz帶寬范圍內功率大于60 kW[48]，整管外形如圖 26所示。
6 高功率真空電子器件
隨著裝備信息系統向著一體化、集成化、多功能的方向發展，具有偵察能力的雷達系統和具有電磁打擊能力的高功率系統將會更緊密的結合。這給高功率真空電子器件的應用帶來了新的機遇。傳統的高功率微波是指功率超過100 MW，頻率在1～300 GHz之內的電磁波。主要用于高功率微波武器、超級干擾機、高功率雷達等。這些高功率真空電子器件大致可以分為兩類，一類是相對論器件，如相對論速調管、相對論磁控管、相對論返波管、磁絕緣線振蕩器等；另一類是非相對論器件，如回旋振蕩管、虛陰極振蕩器、多波切倫科夫振蕩器等。
其中相對論磁控管可以較為容易地獲得GW量級的輸出功率和kHz量級的重復頻率。其中俄羅斯托姆斯克研究所最高得到了10 GW的輸出功率。國內電子科技大學在2.65 GHz處得到了0.43 GW的輸出功率[49]，中電十二所也開展了相對論磁控管的關鍵技術研究。相對論返波管也是一種重要的器件類型，國內國防科學技術大學和西北核技術研究所進行了大量的研究工作，分別最大得到了1.05 GW和2.5 GW的輸出功率。磁絕緣線振蕩器(Magnetic Insulation Line Oscillator, MILO)是一種典型的GW級低阻抗的高功率微波器件，也被認為有可能是美國CHAMP導彈所使用的器件類型[50]。它利用高功率傳輸線的自磁場使陰極發射的電子不能直接越過間隙，它的一個實用特點是它不需要外加磁場，這樣就省去了相關的線圈電源和冷卻系統，使得該器件可以做的比較緊湊，具有較強的實用性。關于高功率真空電子器件比較全面的介紹讀者可以參考文獻[51, 52]。
7 總結及展望
本文針對雷達應用的新型真空電子器件的現狀和發展進行了闡述，介紹了相關器件的最新研究進展。隨著設計仿真能力的加強、新型材料的出現以及加工制造技術的不斷進步，真空電子器件性能不斷提升，新型器件不斷涌現，將會在未來新型雷達應用領域發揮重要作用。
真空電子器件主要發展趨勢可以概括為以下幾點：(1)微波毫米波中小功率行波管器件將不斷向微型化、集成陣列化、模塊化方向發展，以適應無人機平臺雷達以及有源相控陣雷達的發展需求；(2)MEMS微細加工工藝的全面引入將使得真空電子器件完全改變傳統的加工制造工藝，使得器件工作頻率進入到太赫茲頻段，現有器件最高已經達到1 THz，可以為太赫茲雷達提供大功率輻射源；(3)大功率真空電子器件性能進一步提升，為低成本無源相控陣雷達的發展提供了器件支撐，工作頻率已經進入到W波段，為遠距離成像雷達和宇宙碎片探測雷達奠定了器件基礎；(4)高功率真空電子器件的研究將會繼續加強，固態和真空器件相互補充，有望在察打一體化雷達應用中發揮重要作用。
真空電子技術在雷達探測技術發展的歷史上曾經發揮了重要作用，隨著專業技術本身的持續進步并不斷與固態電子和光電子進一步融合，將會有更多新型器件和新型應用場景出現。我們應該重視真空電子技術的專業發展，保持軟硬件的持續投入，特別是加強專業技術人才的培養和保留。
(北京真空電子技術研究所微波電真空器件國家級重點實驗室 北京 100015)
收稿日期：2016-06-02 ；改回日期：2016-07-18 ；網絡出版：2016-08-18
基金項目： 國家部委基金
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