加速發展的毫米波／太赫茲頻域（二）

II 微加工制造技術

真空電子器件最大的問題是手工制造和對中，尚未實現批量制造技術。要實現毫米波和太赫茲頻段的開拓，必須解決真空電子器件的批量制造問題。真空電子器件在歷史發展上，本來就屬于批量制造產品，否則它也不可能在上世紀構建完整的信息社會。當時的小型化三、四極管都是年產幾千萬支的產品。顯示器件（CRT）也是年產四千多萬臺的批量制造產品。今天的微波爐磁控管年產量達到四千多萬支，成本很低，保證了全球對微波爐的需求。

實現批量制造，需要從幾方面入手：首先是器件結構的簡化。微波爐磁控管從復雜的結構簡化到批量制造結構，從諧振腔結構到陰極處理都發生了很大的變化。那么，工作在太赫茲頻段的行波管，其結構也要發生變化，有利于微加工和自動對中技術的實現；其次是加工制造技術。微加工是當前電子器件發展的主流，真空電子也不能例外，必須采用微加工制造，才能實現微型化和組件化；美國海軍實驗室和Teraphysics公司在這方面做了很好的探索^[24-25]。表2是海軍實驗室G波段行波管參數。圖7是所采用的慢波電路加工過程。第一步是在金屬基片上涂滿光刻膠；第二步刻蝕出折疊波導的芯子；第三步鑄銅；第四步放置電子注通道的介質線；第五步刻蝕上半部折疊波導芯子；第六步再鑄銅，去除光刻膠芯子，加蓋板，形成慢波結構。圖8是采用3D打印完成的折疊波導慢波電路^[20]。所不同的是折疊波導芯子和鑄銅過程，都由3D打印過程代替。這里加工的僅僅是慢波結構，尚未牽涉到整管裝配。圖9是Teraphysics公司制造的94GHz螺旋線行波管的過程^[25]。該公司稱，這是對螺旋線的再發明。因為螺旋線過去只能用到60GHz。現在可以將螺旋線用到1THz。螺旋線的加工是用微加工實現的，其一致性和批量制造技術都是很好的。但是，整管的裝配仍然存在對中精度問題，需要進一步解決。

表2、G波段行波管的有關參數

圖7、G波段行波管慢波結構加工過程

圖8a、在銅基片上合成塑料3D打印的電路真空芯子

圖8b、3D打印模型去除后鑄銅的蛇形慢波電路

圖8c、3D打印模型去除后鑄銅的慢波電路

圖9a、Ansys模擬94GHz螺旋線25W輸出功率時的溫度分布

圖9b、加工的94GHz螺旋線

圖9c、螺旋線加工過程

圖9d、裝配的94GHz螺旋線

近年來，正在加緊探索3D打印技術用于慢波結構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，這是和微電子制造相同的地方。但是，它又有很多不同之處。鑄造和增材制造是真空電子器件所特有的。無論如何，最終的目的是要實現批量低成本制造。

III新原理的探索

按照DARPA基礎研究的目標是要研制全新性能的真空電子器件。從滿足高速數據通信和有源相控陣雷達發展的角度看，尋找一種容易實現批量制造的慢波結構和大電子注通道半徑是我們的近期目標，實現納米真空溝道三極管也許是更遠一些的目標^[27]。

文獻[28]給出了一種G波段相移行波管。這種慢波結構分上下兩部分，兩者結構完全一樣，安裝時相錯一個相位，中間留有帶狀電子注通道，結構簡單，如圖10。文獻[29]給我們另一種采用光子帶隙的慢波結構。圖11給出了雙縐折慢波結構的尺寸；構成光子帶隙方柱的尺寸和這種慢波結構的示意圖。可以看到，用3D打印可以實現這種慢波結構的制造。圖10是相移行波管慢波結構的實現過程。其中，圖10a是相移行波管慢波結構示意圖；圖10b是相移行波管慢波結構的三維造型；圖10c是一半電路的加工。

圖10、相移行波管慢波結構的實現過程

圖11a、0.641THz皺褶波導慢波結構和尺寸

圖11b、構成光子帶隙方柱及有關尺寸

圖11c、光子帶隙皺褶波導示意圖

隨著工作頻率的提升，器件的輸出功率會降低。采用多電子注、帶狀注、和多器件集成仍然是我們需要探索的技術途徑，以提高器件的輸出功率。文獻[29]給出了單片集成的140GHz行波管陣列制造計劃。每個管子的輸出功率為50-100W。這種探索對于開拓行波管在有源相控陣雷達中的應用是有益的。

圖12、上圖是單片集成的概念，包括電鑄的極靴和磁鐵；下圖是平面磁系統結構，使其很容易堆積成陣列

IV 結論

由于微波波段的擁擠，高速數據通信和有源相控陣雷達等應用已經對毫米波和太赫茲頻段提出需求。盡管5G通信目前還停留在微波波段，但很快將會發展到Ka波段，甚至E波段。真空電子器件是目前唯一能在E波段以上頻率提供大功率輸出的器件。加速毫米波和太赫茲頻域的發展，對加強國防和國民經濟建設都具有重要的作用。

加速E波段以上頻域的發展，真空電子器件面臨三方面的研究任務：第一是新型太赫茲器件的研究與發展。因為在G波段及其以上頻率，器件的輸出功率還不是很高，需要尋找提高輸出功率的途徑；第二是要打造E和W波段低成本行波管批量制造的平臺。這是牽涉到真空電子器件能否應用于高速數據通信系統和5G移動通信系統的關鍵所在。為此要簡化行波管結構，適合于批量制造，還要找到智能制造方法；第三是進一步加強基礎研究，爭取基本原理上的突破，真正使真空電子、微電子、光電子融合為一體，推動信息技術的發展。

編者按：2018年10月10日廖復疆教授逝世。廖復疆教授一生從事行波管研制并關注真空電子學科的發展，直到生命最后一刻。本文是廖復疆教授逝世前發表的最后一篇文章，轉載以饗讀者，以志紀念。敬愛的廖總，一路走好。

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