微波真空电子器件的发展战略_廖复疆

微波真空电子器件的发展战略

廖复疆

中国电子科技集团公司第十二研究所

摘要：本文讨论了真空电子器件进一步发展的前景、方向和技术路线图。指出真空电子器件的小型化和集成化对提高我国装备的性能和战斗能力有重要的作用。真空电子器件虽然有百年发展历史，但今天它仍然是处在发展中的一种器件，它和微电子、光电子和新材料科学的融合，不仅产生了新的器件，还将给装备带来新的性能和战斗能力。

主题词：微波，小型化，集成，真空电子

一、引言

随着有源相控阵天线体制和第三代宽禁带微波半导体功率器件的发展,近年来在国内外都进行了一场关于微波真空电子器件与微波半导体功率器件如何发展的讨论[1]-[4]。讨论集中在微波半导体功率器件能否取代真空电子器件?微波真空电子器件应当如何发展这两个问题上？今年5月21-23日在巴黎召开的第14届国际真空电子学会议(IVEC2013),5篇大会报告中有2篇谈到此问题,反映了当代科学技术发展的迅速，各领域间竞争与融合的大趋势。L-3公司的Dr.Armstrong是本届大会Pierce奖的获得者，他在IVEC2013大会报告的题目是“真空电子学的生命力”[1]，应当是对上述问题的很好回答。

关于微波真空电子器件和固态功率器件发展的讨论, 不仅仅是牵涉到这两种器件的发展和应用，最主要的是牵涉到军事装备自身的建设与发展，也就是说，哪种器件能够保证装备具有先进的作战能力？微波真空电子器件在装备上已经使用几十年，初期暴露的最大问题似乎是易打火、寿命短、体积大、不适合有源相控阵体制使用。正是这些问题推动了微波真空电子器件自身的改进，实际上它并不是真空电子器件固有的问题，通过降压和工艺改进是可以克服的；这些问题也推动了固态器件的发展，并逐渐取代了低频段、小功率微波真空电子器件在部分装备上的应用； GaAs器件的发展已经有20多年，技术已逐渐成熟，但它在功率、效率和可靠性方面仍存在不足，技术进步催生了第三代半导体GaN器件的发展和应用；GaN器件还处在研发阶段，产品刚刚露头，还不成熟。在工作稳定性、散热、效率和带宽等方面还需要考验；目前还不能说固态功率器件已经具备了完全取代微波真空电子器件的条件。正像美国陆军研究所的专家在IVEC2012会议上所说，“国防部和它所属单位有权也希望看到行波管的继续利用，通过持续的改进来提高其寿命，并保持微波管工业基础的生存能力。因为和TWT相比较，固态放大器缺乏可用的技术或材料，在高频率、小尺寸、电性能方面有效地达到几百瓦到几千瓦功率水平。在探测、警戒、侦察装备中采用SSA和TWT将取决于任务和采用的装备”。到目前为止，美国国防部先进计划管理局(DARPA)一直强调对真空电子器件和固态微波功率器件实施平衡发展战略，其原因在于2030年前，真空电子器件在装备中的应用中仍然是核心器件之一；真空电子器件技术仍有很大的发展和改进余地，是一种处于发展中的技术，而不是过时的技术，更不是要放弃的技术。

本文的目的是探讨微波真空电子器件的发展前景，发展思路和技术发展路线图。需要回答的重要问题是，在宽禁带微波半导体功率器件和有源相控阵天线体制发展条件下，微波真空电子器件是否还需要发展？如何发展？它和宽禁带微波半导体功率器件的关系是什么？

二、微波真空电子器件的优势

微波真空电子器件的工作原理给予它天然的优势，或者说是天然的生命力，其原理是真空中的电子注和周围介质的互作用产生微波。这种工作原理使得它可以工作在任意电压和任意电流条件下，即高电压、大电流；中等电压、中等电流和低电压、低电流状态。因而微波真空电子器件的功率可以大到吉

瓦、兆瓦、千瓦、百瓦；小到瓦和毫瓦。这个优点是半导体器件所不具备的。半导体器件的工作电压和其所用的材料密切相关。第三代半导体器件的工作电压，目前可达到50V[5]，这就限制了它所能够达到的功率水平。下一代半导体器件的材料是什么？它的工作电压能达到几百伏吗？这些问题目前还没有答案。为了达到和目前中功率行波管相同的工作能力，半导体器件不得不选取大电流工作。有源相控阵雷达中几千个固态放大器所汇集的大电流传送，成为一个必须考虑的安全因素。

真空电子器件的另一个优势是电子注中未用完的能量可以回收，使其具有高效率。以空间行波管为例，采用四级降压收集极，总效率可达到70%以上，这么高的效率是固态器件无法达到的。在宽带行波管（如6-18GHz）中，总效率也已达到40%以上。在同样波段，固态器件要达到40%以上是困难的。

真空电子器件中的电子速度可以达到相对论速度，决定了它可以获得更高的工作频率。近年来太赫兹器件的发展表明，真空电子器件工作频率已经达到1THz，170GHz时的输出功率可达到兆瓦级[7]。

真空电子器件可以承受核辐射和其他电磁辐射的影响，因此它在空间装备中成为一个重要的器件。固态器件抗辐射的能力远低于真空电子器件。在现代高技术局部战争条件下，抗辐射能力是一个必须考虑的因素[6]。

真空电子器件的这些优势就决定了它不可能被其他器件所取代。它在结构、可靠性、寿命上存在的问题，如体积大、高电压、打火、寿命等问题，一定会在进一步发展中得到解决。

三、微波真空电子器件的发展战略

微波真空电子器件的进一步发展方向是高功率、高频率、高可靠、高效率和小型化，即称之为“四高一小”。真空电子器件具有大功率、高频率、高效率，这是大家都公认的优点；目前显示出来的问题是易打火、寿命短、体积大、不适合有源相控阵体制使用；这些问题不是真空电子器件固有的“特性”，可以通过降低电压和改进工艺等措施来克服；真空电子器件的特点是能获得比固态器件更大的功率和效率；真空电子器件发展改进的方向就是要发挥它自身的优点，克服存在的缺点，满足装备的需求。

真空电子器件将继续提高其输出功率，特别是在兆瓦级大功率速调管、回旋管和相对论器件方面为装备提供大功率微波发射能力的支持；如高功率电磁武器需要的微波功率源，输出功率要达到20GW或更高，为ITER提供的140GHz-170GHz兆瓦级回旋管正在国内外开发[7]。在新频段开拓方面，将向毫米波和亚毫米波（太赫兹）频域发展，为装备提供更大带宽、更高通信速率、直接成像、精确探测等所需的功率源；空间行波管效率将提高到70%以上，宽带行波管效率也将提高到50%以上，为空间装备、电子战和无人机等装备提供大功率、高效率、高可靠器件。

除上述真空电子器件占优势的方向外，近年来要重点发展的技术之一是解决微波波段应用的小型化器件问题。因为2/3的装备都工作在微波波段；毫米波波段虽然重要，但它传输距离有限，毫米波波段装备数量也有限。真空电子器件大功率、高效率和宽频带的特性，将更加有效地提高我国装备的性能和战斗能力。利用真空电子器件、固态器件和光电子器件三者的共同支持，才能构建先进的国防装备。

真空电子器件的工作原理是利用电子注和场的相互作用，将电子注的动能转化成微波或放大信号的能量。该原理的最大优点是它能适应大功率器件工作，也能适应小功率器件工作；也就是说，它可以工作在高电压、大电流；也可以工作在低电压、小电流；或者是电压与电流的任何组合状态。其结构适合于采用各种介质材料，也适合各种加工方式。正是这种结构上的适应性和灵活性，使得真空电子器件百年发展以来，没有出现严格的分代概念。固态器件之所以要分代，因为新一代器件的发展，必须建立在新一代材料的基础上。发展新材料的目的在于提高器件的工作电压。固态器件目前只能工作在低电压、大电流状态；第三代半导体器件依赖于GaN材料，因为GaN器件的工作电压比GaAs器件的工作电压高，它输出的功率必然大于GaAs器件。由此可以预期，下一代半导体材料，无论是什么材料，它所形成器件的工作电压一定高于GaN器件。新材料的发展是一件困难的事情，需要时间和技术。对真空电子器件