真空电子器件在100GHz以上频域的应用

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关 键 词 : 赫 兹 ; 功 率 ;真 空 电 子 器件 太 大 中 图分 类 号 : N 2 T 1 文献标识码 : A 文 章 编 号 :0 2 8 3 (0 1 0 — 0 5 —0 10 - 9 5 2 1 )5 0 0 4
最 近 太赫 兹 ( THz 技 术 发 展 受 到 特 别 的 关 )
作 频 点 , 是真 空 电子器件 发展 历史 中 的重要节 点 , 也
隐藏 武器 的探测 、 高分 辨 率 成像 、 空探 测 、 深 医学 诊
断 和材料 研究 等 。从 武 器 装备 的发 展 和 应用 来 看 ,
3 0GHz 0 以下 频 域 可 能 是 在 近 十 年 中 应 当特 别 关 注 的领域 , 因为微波 频段 的拥挤 , 使我 们要 开辟 毫 迫
统 的信 噪 比又 和天 线增 益 的平 方 成 正 比 , 管高 频 尽 率时传 输损 耗在 增 加 , 系 统 的 性 能却 有 提 高 。图 但
3是地 面 到 无 人 机 系 统 通 道 能 力 和 工 作 频 率 的 关 附近 的大气 窗 口。这 一 频 段 的应 用 包 括 : 探测 和 火
fG z / H
f1 b
电 子 注 电压 :0 5k 1 . V;电 子 注 电流 :0 1 0mA;3d B带 宽 : 4 3 0MHz 激 励功 率 :1 B ; 1d m
图 5 9 Hz 0 C 分布作用速调管放大器 照片和功率输 出曲线 SG 0W W 1
! 团 ! 二
控 雷达 、 气象 雷达 、 导弹 自导寻 的雷 达 、 信卫 星 、 通 电 子 干扰 、 电天文 、 离 子 体诊 断 和 电 磁 能武 器 等 。 射 等 十 多年来 美 、 、 、 、 等 国一直在 研制 这一频 域 英 法 德 俄 的装 备 。美 国海 军 实验 室 研 制 的 w 波 段 大孔 径 无 线 电定位 器 ( WAR 0C 雷达 发 射 机 使用 了 回旋 速 L ) 调管 放 大 器 , 出峰 值 功 率 1 0 k , 均 功 率 1 输 0 W 平 0 k , 时 带 宽 6 0 MHz 位 于 林 肯 空 间 观 察 室 的 ( ytc HUS R I )就是 依 托
咖, Ⅲ 得低 频段 装备 类 似 的性 能 。对 固定 的 天线 直 径 瑚 1 电磁 波在 1 0GH 及 其 以上 频 域 的应 用 天 0 z 线增 益是 和工作 频 率 的平 方 成 正 比; 达 和通 信 系 雷 这 里所说 的 1 0GHz频段 , 际 是指 9 0 实 4GHz
米波 及其 临近 频域 ;0 3 0GHz以下 频 域 又 是 太赫 兹 频域 中电磁波 传播 的衰 减率相 对小 一些 的频域 。图
将 工作 频率 向上 推移 的理 由是要 在 毫米波 段获
圃 Q 二 曼
g ∞ . 莆 j # p 孽 8 《
∞q^I d u d ,l 舄 B _暑 u
2给出 了 3 0GHz以下 频缎 电磁 波在 高度潮 湿 大气 0 中 的衰 减情 况 _ 。对 光 波 传 输影 响较 大 的 大 雾 、 4 ] 沙
尘 和雪 对毫 米波 系统 的影 响会 小 一些 , 特别 是 当这
些 粒 子趋近 于地 面 , 空 中 的毫 米 波 系 统影 响会 更 对

综 述

真 空 电子 器 件在 1 0GHz以上 频 域 的应 用 0
廖复 疆
( 京真空电子技术研究所 , 京 101) 北 北 00 5
Va u m e t o v c p i a i n a e e c b v 0 c u Elc r n De i e Ap lc to tFr qu n y a o e 1 0 GH z
表 1 分 布 作 用 速 调 管 产 品
图 7 D P 的太 赫兹 发展 计 划 AR A
速数据 通信 、 微加 工 技 术 在 真空 电子 器 件 制 造 中 的
探索 。
实验 结 果
参 数 值
中 心 频率 RF峰 值 功率 1d B带宽 饱 和 增 益
占空 比
出功 率 1k 的分 布作用 速调 管放 大 器照 片 和有关 W
参数 。
}G z | H
图 3 地 面 到无 人 机 系统 通 道 能力 和工 作 频 率 的关 系
图 4 W AR O L C雷 达 的 照 片
9 , 9 . 43 4. 9 .4 45 4 . 46 46 4 .49 . 42 42 69 . 9 . 44 9 . 9 .69 .29 . 2 镏 5 89 7 48
注L , 1 因为 它在 国 防 、 ] 民用 和科 学研 究 上具 有重 要
的应用 前景 。太 赫兹辐 射 源是 指 ( . ~3 0 ×1 03 . ) 0
Hz 率范 围 的辐射源 , 就是 以前 常说 的亚毫米 波 频 也 辐 射源 , 其频 率 介 于微 波 与 光 波 的频 域 之 间 。有 的
GHz以上 频域很 有 必要 。
达 的照 片 ; 国 C I 新研 制 的 w 波段 回旋 行波 速 美 P最
调管 , 率 达 5 w , 功 5 k 占空 比 1 , 宽 1 6GHz O 带 . , 已应 用 于雷 达 系 统 。美 国 C I 司研 制 的分 布 作 P公
用速 调管 , 其产 品频率 最 高可达 到 2 0GHz 表 1 。 8 ( )
6 0 10 2 10 8 20 4 30 0
这些 产 品为雷 达 、 通信 和科 学研究 提供 了核 心器 件 。 图 5是 9 5GHz1 0 C 分 布 作 用 速调 管 放 大 器 0 W W 的照 片和 功率 输 出曲线 。图 6 9 . 是 4 5GHz 冲 输 脉
每一个 节 点 都 推 动 真 空 电子 器 件 技 术 向 前 迈 进 一 步 , 引发 出新 概 念 的 武器 装 备 。如 现 在 大 力 发展 并 的 9 4GHz 器件 , 建立在 上世 纪 6 是 O年代 对 X波段
磁控 管成 功进行 1 倍 缩放 的基 础上 开辟 出来 的 。 0
i h s p p r 0 n t i a e .1 0 GH za d 2 0 G Hz a emo tp s i l o b p l d i i t r q i me t n n x e a e n 2 r s o s b e t e a p i n m l a y e u p n si e td c d . e i
科 学家 建议 将太 赫兹 频 域 向下扩 展 至 0 1THz 即 . , 将 (. ~ 3 0 ×1 Hz频 率 范 围包 括 在 内 , 为 01 .) 0 因
图 l 太 赫 兹频 域在 频率 分 布 中 的 位 置
( . ~O 3 ×1 Hz 然属 于毫米 波 波段 , 电磁 01 .) 0 虽 但
摘要 : 赫兹( 太 THz技 术 发 展 受 到 特 别 的关 注 , 文 重 点 讨 论 了 真 空 电 子 器 件 在 1 0GHz以 上 频 率 几 个 大 气 窗 口的 应 ) 本 0 用 ,0 10GHz 2 0GHz 未 来 l 年 可能 形 成 装 备 的频 率 , 当重 视 这 些 频 率 真 空 电子 器 件 的预 先 研 究 。 和 2 是 O 应
The e o e,we s ul a te to o t e e r h o he v c um l c r n de c s wo ke n 1 0 GH z t r fr ho d p y a t n i n t he r s a c ft a u e e t o vie r d 0 o 2 0 GH z 2 . Ke r : r he t y wo ds Te a r z,Hi h p we ,Va uu e e t o v c g o r c m lc r n de i e
LI Ao —in Fuj g a
( iig Va u m eto isRee r h I siu e Bej n c u Elcr nc sa c n t t ,Bejn 0 0 5, ia t iig 1 0 1 Chn )
Ab ta t Thede eop ntoft e a r zt c o o sbe n c nc r d i e e a s sr c : v l me het r he t e hn l gy ha e o e ne n r c ntye r .Se r lv c ve a a — uum l c r n d vie ee t o e c swor d a ov 0 GHz a d s ia l o e e a i n ow p ia i s a e d s us e ke b e 1 0 n u t b e f r s v r lar wi d a plc ton r i c s d
9 .5 GHz 4
10 0 0W
1 1 Hz 0 4M
7 d 4J B
1 5
平 均 功 率
柬 电 压
束 电 流
1OW 5 1 .1 k 7 V 7 05 mA
— —
栅 电 压
尺 寸
3 0k . V
4. n h× 7 0 i h 5ic . nc 4 5ic . n h× 8 2 n h . 5ic
波在 更高频 率 的传 播 特性 有 类 似 之 处 , 助 于 向更 有 高频 率 的发 展 ; 从器件 的加 工来 看 , 一频 段恰恰 是 这 精密 机械 加工 向微 加 工 过 渡 的重 要 频 域 , 有利 于推 动微 加工技 术 在真空 电子 器件 中 的应 用 。 图 1给 出
GH: x ∞ § rT 3 ’ m } M  ̄ HZ f 站 e ’
图 2 3 0G 以下 频 缎 电磁 波在 高度 潮 湿 0 Hz
大 气 中的 衰 减 情 况
Ch n e Ca i V Frq e t-o a n l l 黟 ¥ e u n )f ̄5  ̄c atu e ltd i
图 8 美 国太 赫 兹 计 划 中几 个 应 用 的 设 想
近 期 可 能 得 到 应 用 的频 率 是 9 , 4 4 1 0和 2 0 2
图 6 9. 4 5GHz 冲输 出功 率 1k 的分 布 脉 W
作 用 速 调 管 放 大 器 照 片 和 有 关 参 数
GHz 因为在 9 , 4和 1 0GHz已 经 有 了 大 功 率 回旋 4 管 、 波管 和 分 布 作 用 速 调 管 ; 2 行 2 0GHz已 经 有 了
WAR OC雷 达 组 建 而成 的 , 4是 WAR O 雷 L 图 L C
系 , 时 , 线直 径保 持 常 数 , 宽 保 持 在 中心 频 率 此 天 带 的 5 , 以看 到工 作频率 超过 1 0GHz 后 , 道 可 0 之 通
的性能 达 到了最 佳 。由此 可见系 统 的性 能并 不是 由 衰减这 一单 一 因素 决 定 的 , 一 步 研 究 和 开 拓 1 0 进 0
小 一 些 。 图中 给 出 了 3 ,4 1 0 2 0GHz四个 大 5 9 ,4 , 2
了太 赫兹 频域 在频率 分 布 中的位置 _ 。 4 ]
太 赫 兹 技 术 的潜 在 应 用 包括 : 数据 率 通 信 、 高
气 窗 口, 这些 特殊 的频 率 是一 些 正 在 研 制武 器 的工
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