致敬百年行波管,向著更高的頻率和功率進發

來源:電磁頻譜戰

2017年9月15日美國東部時間上午7點55分,美國宇航局的“卡西尼號”宇宙飛船墜入土星的大氣層,向地球傳送瞭它20年太陽系發現之旅的最後一組科學觀測結果,其中包括圍繞這顆環狀行星飛行13年的觀測數據。

致敬百年行波管,向著更高的頻率和功率進發

卡西尼—惠更斯聯合任務代表瞭美國國傢航空航天局、歐洲航天局和意大利航天局的巨大科學成就。它提供的關於太陽系的豐富數據和新知識將是無價之寶,獲得的經驗將有助於未來載人和無人太空探索任務的發展。然而,“卡西尼號”飛船帶給人們的另一條重要經驗可能不會馬上得到重視。

“卡西尼號”上幾乎所有的射頻系統都由行波管提供功率,包括科學研究儀器、遙測技術和控制以及下行數據傳輸系統。“卡西尼號”於1997年發射,在項目啟動初期,曾就其系統采用真空管技術還是固態放大器技術展開過激烈的爭論,爭論的主要焦點是人們認為真空管技術是不可靠的。然而,事實證明,“卡西尼號”於2004年抵達土星後,美國宇航局兩次延長瞭“卡西尼號”的任務期限——第一次延長瞭兩年,第二次延長瞭七年,這無疑證明瞭“卡西尼號”及其基於行波管技術的系統在20年的深空環境中運行的可行性和可靠性。

行波管對下一代射頻系統至關重要

今天,真空管與固態器件之間的競爭仍在繼續,後者的支持者經常提到可靠性問題。但是,DARPA微系統技術辦公室的項目經理William Devereux Palmer博士指出,事實上,如果你回顧過去幾十年真空管和固態電子的爭論,你會發現爭論通常圍繞著功率/頻率設計空間的邊界。兩者爭論的歷史就是技術的革新不斷滿足當時在微波頻譜內作戰需求的發展過程。在砷化鎵晶體管開始用於微波領域之前,唯一的解決方案就是電子管。後來,砷化鎵開始取代低頻率的電子管,但前沿的商業電子應用市場一直在推動射頻向更高的頻率和更高的功率發展。Palmer說:“這將永遠是真空電子管的領地。”

簡而言之,這是因為行波管比固態系統有兩個重要優勢。首先,行波管的真空工作環境意味著電子輸運過程不涉及電子與半導體晶格上的碰撞而產生熱量,因而不會限制效率的提升。此外,行波管中的多級降壓收集極可以回收換能後電子束的剩餘能量,從而進一步提高放大器的整體效率。Palmer指出這是真空管尤其適合太空應用的主要原因。如果降低放大器的效率,就需要增加所需電源的尺寸,也就是說采用真空管可以縮小整個系統的尺寸。

實現高功率毫米波的途徑

隨著人們對毫米波頻段(30-300 GHz)的興趣日益濃厚,現在我們可以看到,前沿應用是“行波管的領地”這一觀點是正確的。毫米波位於微波和紅外之間,現在對於毫米波的需求非常迫切,特別是在國防應用中,對數據傳輸的吞吐量要求越來越高,還有在無人機應用方面。Palmer說:“通常情況下,要想你的工作不會因為數據傳輸擁堵而受到影響,隻有毫米波能夠為你提供便利。而且,毫米波可以實現高效、高速傳輸大量數據。要做到這一點,你需要一個高功率、高線性的放大器,這些都是真空電子器件所擅長的。”

致敬百年行波管,向著更高的頻率和功率進發

行波管適合毫米波應用的另一個原因是,當頻率上升時,大氣吸收(衰減)會更嚴重。因此,如果想探測某一指定的目標或者關閉一個連接,需要輸出更大的功率。所以,需要用更大傳輸功率來實現更主頻率的毫米波應用。

DARPA的下一代真空電子器件技術項目

由DARPA的微系統技術辦公室提出,現在由戰略技術辦公室負責的基於真空電子器件的具有超配能力的高功率放大器(HAVOC)項目正處在調研階段。一種新型的緊湊、高功率、寬帶毫米波真空電子器件的顛覆性技術路線正在開發和論證中,這是一種能夠與移動和機載平臺兼容的線性放大器。

“超配能力”是指能夠產生比其他系統更高功率的射頻信號,在毫米波波段范圍內為用戶提供重大優勢。HAVOC項目是DARPA啟動的兩項重大計劃之一,旨在顯著提高真空管技術的性能和可制造性。

HAVOC項目的第一階段合同於2016年5月授予CPI、L-3和諾格公司,致力於開發高功率、寬帶毫米波真空電子放大器。

HAVOC項目分為基礎研究和應用研究兩部分。2017和2018財年的基礎研究經費為每年500萬美元,而應用研究經費為每年1800萬美元。

根據預算申請文件,基礎研究工作包括研發工作在75 GHz以上毫米波頻率的小型射頻信號放大器、傳感器和雷達系統,用於空中、地面和艦載平臺。為瞭提高對工作在75 GHz以上毫米波頻率的真空電子放大器的各種現象的理解,HAVOC項目的重點研究領域將包括建模和仿真技術、先進制造方法、新型註波互作用結構、高電流發射密度和長壽命陰極。2018財年的工作包括驗證先進真空電子放大器結構的高精度加工、三維模型、多物理場、數字化高效建模和仿真技術,還有寬帶高功率註波互作用結構、高電流發射密度陰極的裝配和測試。

應用研究包括研制滿足尺寸、重量和功耗指標的寬帶高功率毫米波真空電子功率放大器。2018財年的預算報告顯示,新型真空電子放大器能夠滿足機載、地面和艦載平臺的通信、雷達和電子戰系統的高功率需求,這需要在以下方面進行大幅度的性能提升:高電流發射密度和長壽命陰極;寬帶高功率容量註波互作用電路;寬帶低損耗輸能窗和小型化磁聚焦系統。

2018年的目標包括設計、制造和測試高功率寬帶真空窗,探索新的磁性材料和磁場配置來實現小型化的磁聚焦系統,以及對各新型部件組成的放大器進行初步測試。

創新的真空電子學

DARPA提出的第二個關於先進真空電子技術方面的項目是創新的真空電子科學和技術(INVEST)。該項目旨在加強新一代真空電子管的科技基礎。這包括基於物理建模和仿真的真空電子器件的基礎研究、新型的組件設計、電子發射機理和先進的制造技術。

正如Palmer所描述的,INVEST項目能夠適應射頻應用持續向更高的頻率發展的趨勢。下一個微波窗口頻段是W頻段即94 GHz左右(W頻段是75—110 GHz),在這麼高的頻率下,真空管的加工工具的尺寸和所有組件(如高電流發射密度陰極、微小的真空密封部件和大功率真空射頻窗)都變得非常小,高精度和同軸度非常關鍵但卻很難實現。在這麼高的頻率上,傳統的制造技術就不再適用瞭。

為瞭應對這一挑戰,我們必須采用新的、更先進的制造方法,如“增材制造技術”(增材制造是指利用數字3D設計結構數據,通過沉積材料逐層構建組件的過程)。Palmer舉例說,將一支管子的工程圖紙送到3D打印機上,讓打印機打印出整個真空管的結構,同時保證精度和同軸度。事實上,INVEST項目旨在將對真空電子器件的科學認識和工程技術方法轉化成創新的制造方法,用於分析、綜合和優化真空電子器件的設計,並利用諸如3D打印技術這樣的先進制造方法進行制造,想想就很美!

2015年8月,DARPA微系統技術辦公室發佈瞭針對INVEST項目的廣泛機構公告(BAA),將研究真空電子技術和工藝的合同授予真空電子工業界和學術結構,期間還在加州大學伯克利分校進行瞭純銅材料3D打印的加工演示。

Palmer指出,當前多個項目都在進行熱陰極的改進實驗驗證。自弗萊明發明第一支真空管以來,熱陰極就一直是真空管的核心部件。但是,人們仍然沒有徹底地定量瞭解它。”

為瞭解決這個問題,INVEST項目中包括一個由大學和美國陰極制造商組成的團隊,他們著手於熱陰極的化學機理和材料科學的研究,並試圖弄清制造過程和工作性能的關系。俄亥俄大學研究氧化鋇鈧酸鹽陰極技術,肯塔基研究所專註於在理論和實驗方面對鈧酸鹽陰極進行研究,達因電子通過增材制造技術進行快熱陰極的研究,Leidos公司正在構建加工公差對器件性能和產量的影響的模型。Palmer說,在某種程度上,我們可以設計出一種和我們預想的工作方式完全一樣熱陰極。

致敬百年行波管,向著更高的頻率和功率進發

另外的研究團隊—威斯康星大學麥迪遜分校正在嘗試使用其他化合物替代陰極中的普通氧化物和氧化鈧,以確定是否存在其他性能更好的材料組合。為此,他們使用瞭一種叫做“密度泛函理論”(DFT)的計算機建模技術來掃描元素周期表,尋找具有最低功函數(熱發射陰極的一個關鍵參數,定義瞭材料發射電子所需的溫度)的化合物。

其他研究人員正在探索新的註波互作用結構。Palmer說,我們正在尋找一些新的想法來建立不受幾何結構限制的註波互作用結構。其中麻省理工學院正在致力於大尺寸、過模工作的光子帶隙結構真空電子器件。

還有許多其他受到資助的項目從事真空電子器件關鍵技術研究的工作。Tarephsics正在研制E波段小型化行波管;RTI在研制一種納米發射陣列;eBeam公司正在開發一種超緊湊型的氧化物陰極電子槍;新墨西哥大學正在研發一種簡易結構的高頻率速調管。

冷陰極行波管

INVEST項目中最有前途的技術之一應該是冷陰極技術。當前的陰極是熱發射體,陰極被加熱到極高溫度(大約1000℃)時發射出電子並流經真空管。陰極工作的溫度由其功函數決定,如上所述,其功函數取決於所用的材料。

很明顯,陰極工作溫度越低,電子管的效率和可靠性就越高,理想情況就是在環境溫度下工作的陰極。這不僅省去加熱燈絲,也不需要時間來預熱。

L-3電子器件部副總工程師Carter Armstrong2012年在IEEE上發表瞭一篇題為“追求終極真空管”的文章指出,冷陰極技術將能實現超小型、超線性和高效率的新一代真空電子放大器,可以應用在小型衛星的高功率微型射頻發射器上。”

冷陰極電子發射的一種方法是在發射體和真空界面施加強電場。這種指向陰極的電場對電子施加一種指向反方向的電場力,降低瞭電子躍遷的勢壘,從而實現電子發射。然而,對於大多數現有的技術,這種“場致發射”方法需要極高電壓。納米制造技術被認為是解決這一問題的有效方法。由於兩個導體電極之間的電場強度隨著電極之間的距離拉近而增強,通過將發射極尺寸縮小到納米尺度,場致發射可以顯著增強,從而實現在低電壓下電子發射。

INVEST項目中有兩個團隊正在致力於冷陰極技術的研究。MIT在開發矽納米線場致發射冷陰極,SRI正在開發Spindt場致發射冷陰極。Palmer說,冷陰極技術是未來的技術。如果能得到適應電子管工作條件下的可靠的冷陰極,電子管的設計將大大簡化。現在,你隻能設計工作在1000℃高溫的熱陰極行波管,在預熱和冷卻時所有部件都不能有過多的位移和形變。如果冷陰極技術成熟,那將是一大進步。”

顛覆性技術

HAVOC和INVEST項目正在探索和發展具有前瞻性的技術。盡管如Palmer所說,直接支持這些技術的研發並不是DARPA的職責,DARPA旨在喚起人們能夠認識到實現這些技術的制造基礎條件。不僅僅是今天的技術能力在不斷發展,隨著我們在頻率上的不斷提升,將來真空電子技術也會不斷進步。你可以用你的一生來研究這些技術,如果你足夠幸運的話,你會真正理解它是如何工作的,並欣賞它的能力。真空電子技術是有詩和遠方的!

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