致敬百年行波管，向着更高的频率和功率进发
来源：电磁频谱战
2017年9月15日美国东部时间上午7点55分，美国宇航局的“卡西尼号”宇宙飞船坠入土星的大气层，向地球传送了它20年太阳系发现之旅的最后一组科学观测结果，其中包括围绕这颗环状行星飞行13年的观测数据。
卡西尼—惠更斯联合任务代表了美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局的巨大科学成就。它提供的关于太阳系的丰富数据和新知识将是无价之宝，获得的经验将有助于未来载人和无人太空探索任务的发展。然而，“卡西尼号”飞船带给人们的另一条重要经验可能不会马上得到重视。
“卡西尼号”上几乎所有的射频系统都由行波管提供功率，包括科学研究仪器、遥测技术和控制以及下行数据传输系统。“卡西尼号”于1997年发射，在项目启动初期，曾就其系统采用真空管技术还是固态放大器技术展开过激烈的争论，争论的主要焦点是人们认为真空管技术是不可靠的。然而，事实证明，“卡西尼号”于2004年抵达土星后，美国宇航局两次延长了“卡西尼号”的任务期限——第一次延长了两年，第二次延长了七年，这无疑证明了“卡西尼号”及其基于行波管技术的系统在20年的深空环境中运行的可行性和可靠性。
行波管对下一代射频系统至关重要
今天，真空管与固态器件之间的竞争仍在继续，后者的支持者经常提到可靠性问题。但是，DARPA微系统技术办公室的项目经理William Devereux Palmer博士指出，事实上，如果你回顾过去几十年真空管和固态电子的争论，你会发现争论通常围绕着功率/频率设计空间的边界。两者争论的历史就是技术的革新不断满足当时在微波频谱内作战需求的发展过程。在砷化镓晶体管开始用于微波领域之前，唯一的解决方案就是电子管。后来，砷化镓开始取代低频率的电子管，但前沿的商业电子应用市场一直在推动射频向更高的频率和更高的功率发展。Palmer说：“这将永远是真空电子管的领地。”
简而言之，这是因为行波管比固态系统有两个重要优势。首先，行波管的真空工作环境意味着电子输运过程不涉及电子与半导体晶格上的碰撞而产生热量，因而不会限制效率的提升。此外，行波管中的多级降压收集极可以回收换能后电子束的剩余能量，从而进一步提高放大器的整体效率。Palmer指出这是真空管尤其适合太空应用的主要原因。如果降低放大器的效率，就需要增加所需电源的尺寸，也就是说采用真空管可以缩小整个系统的尺寸。
实现高功率毫米波的途径
随着人们对毫米波频段(30-300 GHz)的兴趣日益浓厚，现在我们可以看到，前沿应用是“行波管的领地”这一观点是正确的。毫米波位于微波和红外之间，现在对于毫米波的需求非常迫切，特别是在国防应用中，对数据传输的吞吐量要求越来越高，还有在无人机应用方面。Palmer说：“通常情况下，要想你的工作不会因为数据传输拥堵而受到影响，只有毫米波能够为你提供便利。而且，毫米波可以实现高效、高速传输大量数据。要做到这一点，你需要一个高功率、高线性的放大器，这些都是真空电子器件所擅长的。”
行波管适合毫米波应用的另一个原因是，当频率上升时，大气吸收（衰减）会更严重。因此，如果想探测某一指定的目标或者关闭一个连接，需要输出更大的功率。所以，需要用更大传输功率来实现更主频率的毫米波应用。
DARPA的下一代真空电子器件技术项目
由DARPA的微系统技术办公室提出，现在由战略技术办公室负责的基于真空电子器件的具有超配能力的高功率放大器（HAVOC）项目正处在调研阶段。一种新型的紧凑、高功率、宽带毫米波真空电子器件的颠覆性技术路线正在开发和论证中，这是一种能够与移动和机载平台兼容的线性放大器。
“超配能力”是指能够产生比其他系统更高功率的射频信号，在毫米波波段范围内为用户提供重大优势。HAVOC项目是DARPA启动的两项重大计划之一，旨在显著提高真空管技术的性能和可制造性。
HAVOC项目的第一阶段合同于2016年5月授予CPI、L-3和诺格公司，致力于开发高功率、宽带毫米波真空电子放大器。
HAVOC项目分为基础研究和应用研究两部分。2017和2018财年的基础研究经费为每年500万美元，而应用研究经费为每年1800万美元。
根据预算申请文件，基础研究工作包括研发工作在75 GHz以上毫米波频率的小型射频信号放大器、传感器和雷达系统，用于空中、地面和舰载平台。为了提高对工作在75 GHz以上毫米波频率的真空电子放大器的各种现象的理解，HAVOC项目的重点研究领域将包括建模和仿真技术、先进制造方法、新型注波互作用结构、高电流发射密度和长寿命阴极。2018财年的工作包括验证先进真空电子放大器结构的高精度加工、三维模型、多物理场、数字化高效建模和仿真技术，还有宽带高功率注波互作用结构、高电流发射密度阴极的装配和测试。
应用研究包括研制满足尺寸、重量和功耗指标的宽带高功率毫米波真空电子功率放大器。2018财年的预算报告显示，新型真空电子放大器能够满足机载、地面和舰载平台的通信、雷达和电子战系统的高功率需求，这需要在以下方面进行大幅度的性能提升：高电流发射密度和长寿命阴极；宽带高功率容量注波互作用电路；宽带低损耗输能窗和小型化磁聚焦系统。
2018年的目标包括设计、制造和测试高功率宽带真空窗，探索新的磁性材料和磁场配置来实现小型化的磁聚焦系统，以及对各新型部件组成的放大器进行初步测试。
创新的真空电子学
DARPA提出的第二个关于先进真空电子技术方面的项目是创新的真空电子科学和技术（INVEST）。该项目旨在加强新一代真空电子管的科技基础。这包括基于物理建模和仿真的真空电子器件的基础研究、新型的组件设计、电子发射机理和先进的制造技术。
正如Palmer所描述的，INVEST项目能够适应射频应用持续向更高的频率发展的趋势。下一个微波窗口频段是W频段即94 GHz左右(W频段是75—110 GHz)，在这么高的频率下,真空管的加工工具的尺寸和所有组件(如高电流发射密度阴极、微小的真空密封部件和大功率真空射频窗)都变得非常小,高精度和同轴度非常关键但却很难实现。在这么高的频率上，传统的制造技术就不再适用了。
为了应对这一挑战，我们必须采用新的、更先进的制造方法，如“增材制造技术”(增材制造是指利用数字3D设计结构数据，通过沉积材料逐层构建组件的过程)。Palmer举例说，将一支管子的工程图纸送到3D打印机上，让打印机打印出整个真空管的结构，同时保证精度和同轴度。事实上，INVEST项目旨在将对真空电子器件的科学认识和工程技术方法转化成创新的制造方法，用于分析、综合和优化真空电子器件的设计，并利用诸如3D打印技术这样的先进制造方法进行制造，想想就很美！
2015年8月，DARPA微系统技术办公室发布了针对INVEST项目的广泛机构公告（BAA），将研究真空电子技术和工艺的合同授予真空电子工业界和学术结构，期间还在加州大学伯克利分校进行了纯铜材料3D打印的加工演示。
Palmer指出，当前多个项目都在进行热阴极的改进实验验证。自弗莱明发明第一支真空管以来，热阴极就一直是真空管的核心部件。但是，人们仍然没有彻底地定量了解它。”
为了解决这个问题，INVEST项目中包括一个由大学和美国阴极制造商组成的团队，他们着手于热阴极的化学机理和材料科学的研究，并试图弄清制造过程和工作性能的关系。俄亥俄大学研究氧化钡钪酸盐阴极技术，肯塔基研究所专注于在理论和实验方面对钪酸盐阴极进行研究，达因电子通过增材制造技术进行快热阴极的研究，Leidos公司正在构建加工公差对器件性能和产量的影响的模型。Palmer说，在某种程度上，我们可以设计出一种和我们预想的工作方式完全一样热阴极。
另外的研究团队—威斯康星大学麦迪逊分校正在尝试使用其他化合物替代阴极中的普通氧化物和氧化钪，以确定是否存在其他性能更好的材料组合。为此，他们使用了一种叫做“密度泛函理论”(DFT)的计算机建模技术来扫描元素周期表，寻找具有最低功函数（热发射阴极的一个关键参数，定义了材料发射电子所需的温度）的化合物。
其他研究人员正在探索新的注波互作用结构。Palmer说，我们正在寻找一些新的想法来建立不受几何结构限制的注波互作用结构。其中麻省理工学院正在致力于大尺寸、过模工作的光子带隙结构真空电子器件。
还有许多其他受到资助的项目从事真空电子器件关键技术研究的工作。Tarephsics正在研制E波段小型化行波管；RTI在研制一种纳米发射阵列；eBeam公司正在开发一种超紧凑型的氧化物阴极电子枪；新墨西哥大学正在研发一种简易结构的高频率速调管。
冷阴极行波管
INVEST项目中最有前途的技术之一应该是冷阴极技术。当前的阴极是热发射体，阴极被加热到极高温度(大约1000℃)时发射出电子并流经真空管。阴极工作的温度由其功函数决定，如上所述，其功函数取决于所用的材料。
很明显，阴极工作温度越低，电子管的效率和可靠性就越高，理想情况就是在环境温度下工作的阴极。这不仅省去加热灯丝，也不需要时间来预热。
L-3电子器件部副总工程师Carter Armstrong2012年在IEEE上发表了一篇题为“追求终极真空管”的文章指出，冷阴极技术将能实现超小型、超线性和高效率的新一代真空电子放大器,可以应用在小型卫星的高功率微型射频发射器上。”
冷阴极电子发射的一种方法是在发射体和真空界面施加强电场。这种指向阴极的电场对电子施加一种指向反方向的电场力，降低了电子跃迁的势垒，从而实现电子发射。然而，对于大多数现有的技术，这种“场致发射”方法需要极高电压。纳米制造技术被认为是解决这一问题的有效方法。由于两个导体电极之间的电场强度随着电极之间的距离拉近而增强，通过将发射极尺寸缩小到纳米尺度，场致发射可以显著增强，从而实现在低电压下电子发射。
INVEST项目中有两个团队正在致力于冷阴极技术的研究。MIT在开发硅纳米线场致发射冷阴极，SRI正在开发Spindt场致发射冷阴极。Palmer说，冷阴极技术是未来的技术。如果能得到适应电子管工作条件下的可靠的冷阴极，电子管的设计将大大简化。现在，你只能设计工作在1000℃高温的热阴极行波管，在预热和冷却时所有部件都不能有过多的位移和形变。如果冷阴极技术成熟，那将是一大进步。”
颠覆性技术
HAVOC和INVEST项目正在探索和发展具有前瞻性的技术。尽管如Palmer所说，直接支持这些技术的研发并不是DARPA的职责，DARPA旨在唤起人们能够认识到实现这些技术的制造基础条件。不仅仅是今天的技术能力在不断发展，随着我们在频率上的不断提升，将来真空电子技术也会不断进步。你可以用你的一生来研究这些技术，如果你足够幸运的话，你会真正理解它是如何工作的，并欣赏它的能力。真空电子技术是有诗和远方的！