专栏：太赫兹真空电子器件2023(10);2024(1)
发刊词
《太赫兹真空电子器件》
专辑发刊词
人类从未停止过探索的脚步，太赫兹波是介于光学和微波毫米波之间的电磁频谱，在宇宙科学、材料科学、物理学、通信、感知探测成像等领域具有广阔的应用前景。真空电子器件在太赫兹频段具有大功率、高效率、小型化等优势，是太赫兹系统的核心器件，因此对真空电子器件的深入研究，能从根源上提升系统的性能。随着器件提升到太赫兹频段，面临结构特征尺寸小、互作用效率低、传输损耗大等一系列挑战。因此，深入开展太赫兹频段真空器件的新结构、新原理、新工艺、新技术等探索研究，实现太赫兹真空电子器件性能的大幅提升，具有极为重要的科学意义与实用价值。
因此，本刊设立了《太赫兹真空电子器件》专栏，邀请了多位在太赫兹真空电子器件领域深耕的专家担任编委，组织征稿，旨在报道太赫兹频段真空电子器件领域最新的研究成果，实现该领域内最新进展的互通互享，促进我国太赫兹频段真空电子器件的发展。本专栏吸引了众多研究人员的关注和参与，经过半年多的稿件征集，最终精选出多篇精彩的原创性论文予以荟集成刊，分期刊出，以飨读者。本次专栏的内容覆盖面广，既有对不同频段行波管、速调管等传统真空电子器件管型的新设计理念的阐述和最新模拟、实验结果的报道，又有关于慢波结构电路模型的研究、探素慢波结构微纳加工方法以及真空器件用高性能衰减器的制备方法等新原理、新部件、新方法的研究。在此，我们对关心并支持本专栏出版的各位领导、组稿专家学者，以及积极参与本专栏征文工作的各位作者致以诚挚问候和衷心感谢！
本期专栏主编：冯进军
本期专栏编委：宫玉彬 杜朝海 潘攀
文章列表
2023, 21(10):1204-1210.
DOI: 10.11805/TKYDA2023199
摘要:
带状注行波管作为一种发展中的新型器件在雷达和通信领域有广泛应用前景。相比于圆形注器件，目前针对带状注行波管的注波互作用模型仍较少。本文针对交错双栅这一常用的带状注慢波结构，从电路理论出发，研究了由分布式的传输线元件和集总电路原件构成的混合电路模型在刻画高频率慢波结构上的适用性，重点解决了从慢波结构几何参数到电路物理参数的映射问题。建立交错双栅混合电路模型，推导了色散方程，同时基于模拟退火算法实现了高精确度参数拟合。结果表明，混合电路模型能够精确刻画交错双栅的色散特性。该模型对后续开发基于混合电路模型的带状注大信号注波互作用程序具有重要意义。
带状注行波管作为一种发展中的新型器件在雷达和通信领域有广泛应用前景。相比于圆形注器件，目前针对带状注行波管的注波互作用模型仍较少。本文针对交错双栅这一常用的带状注慢波结构，从电路理论出发，研究了由分布式的传输线元件和集总电路原件构成的混合电路模型在刻画高频率慢波结构上的适用性，重点解决了从慢波结构几何参数到电路物理参数的映射问题。建立交错双栅混合电路模型，推导了色散方程，同时基于模拟退火算法实现了高精确度参数拟合。结果表明，混合电路模型能够精确刻画交错双栅的色散特性。该模型对后续开发基于混合电路模型的带状注大信号注波互作用程序具有重要意义。
2023, 21(10):1198-1203.
DOI: 10.11805/TKYDA2023206
摘要:
详细研究了利用紫外-光刻、电铸(UV-LIGA)技术制作全铜结构折叠波导各个阶段中氢气退火工艺对实验的影响。氢气退火工艺主要用于两个阶段：第一阶段为对铜基板的烧氢处理(前期)，第二阶段为实现金属结构后对基板和铸层整体的烧氢处理(后期)。实验发现，前期氢气退火除清洁基板、降低内应力外，还能发生晶界迁移，使晶粒在高温下生长趋于稳定，利于生长与之结合更紧密的电铸层。但该处理需提前至基板抛光之前，否则会导致平整度变差。后期氢气退火除检测全铜结构能否经受高温焊接外，还有助于进一步去除光刻胶，并促进基板和铸层在高温下生长为结合紧密的共同体。
详细研究了利用紫外-光刻、电铸(UV-LIGA)技术制作全铜结构折叠波导各个阶段中氢气退火工艺对实验的影响。氢气退火工艺主要用于两个阶段：第一阶段为对铜基板的烧氢处理(前期)，第二阶段为实现金属结构后对基板和铸层整体的烧氢处理(后期)。实验发现，前期氢气退火除清洁基板、降低内应力外，还能发生晶界迁移，使晶粒在高温下生长趋于稳定，利于生长与之结合更紧密的电铸层。但该处理需提前至基板抛光之前，否则会导致平整度变差。后期氢气退火除检测全铜结构能否经受高温焊接外，还有助于进一步去除光刻胶，并促进基板和铸层在高温下生长为结合紧密的共同体。
2023, 21(10):1194-1197.
DOI: 10.11805/TKYDA2023185
摘要:
针对高波段空间行波管的卫星通信应用需求，介绍了E波段连续波空间行波管的研制情况。该行波管通过进一步优化折叠波导慢波结构参数和调整周期跳变方案，实现改善带内增益波动性、提高效率的目的。研制出的样管在14.7 kV、74 mA条件下，实现电子注动态流通率高于98%，在71~76 GHz范围内，输出功率大于85 W，总效率大于37%，增益大于40 dB。
针对高波段空间行波管的卫星通信应用需求，介绍了E波段连续波空间行波管的研制情况。该行波管通过进一步优化折叠波导慢波结构参数和调整周期跳变方案，实现改善带内增益波动性、提高效率的目的。研制出的样管在14.7 kV、74 mA条件下，实现电子注动态流通率高于98%，在71~76 GHz范围内，输出功率大于85 W，总效率大于37%，增益大于40 dB。
2023, 21(10):1189-1193.
DOI: 10.11805/TKYDA2023200
摘要:
针对大功率折叠波导行波管(TWT)对高导热衰减材料的迫切需求，开展了硼掺杂金刚石膜制备和介电性能研究，在此基础上研制出硼掺杂金刚石衰减器并探究衰减器性能的热稳定性。研究结果表明，硼掺杂浓度为1.81×1019 cm-3的金刚石膜，在W波段介电常数和损耗角正切平均值分别为7.18和0.30；随着环境温度从室温升高至90 ℃，在85~110 GHz范围内，硼掺杂金刚石衰减器的|S11|由19.67 dB提高至20.94 dB，|S21|由44.03 dB提高至45.63 dB，呈现出较高的热稳定性。
针对大功率折叠波导行波管(TWT)对高导热衰减材料的迫切需求，开展了硼掺杂金刚石膜制备和介电性能研究，在此基础上研制出硼掺杂金刚石衰减器并探究衰减器性能的热稳定性。研究结果表明，硼掺杂浓度为1.81×1019 cm-3的金刚石膜，在W波段介电常数和损耗角正切平均值分别为7.18和0.30；随着环境温度从室温升高至90 ℃，在85~110 GHz范围内，硼掺杂金刚石衰减器的|S11|由19.67 dB提高至20.94 dB，|S21|由44.03 dB提高至45.63 dB，呈现出较高的热稳定性。
2023, 21(10):1211-1216.
DOI: 10.11805/TKYDA2023207
摘要:
为分析折叠波导行波管互作用电路切断位置的功率和频谱特性，提出并研制出一只四端口W波段脉冲行波管。对该行波管频带内互作用电路的S参数、切断处功率和对应频谱特性进行测试，分析表明：端口2(输入段的切断)的功率幅值主要取决于饱和状态下行波管的输入功率，与输入段增益不成正比关系分布；端口3(输出段切断)功率主要取决于端口匹配性能，其数值计算功率和测试数据吻合良好。本文研究为毫米波及太赫兹行波管切断设计提供了一种有效方法。
为分析折叠波导行波管互作用电路切断位置的功率和频谱特性，提出并研制出一只四端口W波段脉冲行波管。对该行波管频带内互作用电路的S参数、切断处功率和对应频谱特性进行测试，分析表明：端口2(输入段的切断)的功率幅值主要取决于饱和状态下行波管的输入功率，与输入段增益不成正比关系分布；端口3(输出段切断)功率主要取决于端口匹配性能，其数值计算功率和测试数据吻合良好。本文研究为毫米波及太赫兹行波管切断设计提供了一种有效方法。
2024, 22(1):6-10.
DOI: 10.11805/TKYDA2023191
摘要:
毫米波行波管具有大功率、宽频带、高增益等特点，广泛用于雷达、高速通信、电子对抗等现代军事装备中。为提高折叠波导耦合阻抗并考虑工程应用性，提出一种耳型折叠波导新型慢波结构。与常规矩形波导相比，工作频带内耦合阻抗提高30%以上，损耗降低10%。研制的耳型折叠波导W波段行波管，在工作电压21.9 kV，电流210 mA，占空比为5%时，10.8 GHz带宽内输出功率大于192 W，峰值功率达278 W，电子效率和增益分别达到6.3%和44.6 dB，行波管工作稳定。
毫米波行波管具有大功率、宽频带、高增益等特点，广泛用于雷达、高速通信、电子对抗等现代军事装备中。为提高折叠波导耦合阻抗并考虑工程应用性，提出一种耳型折叠波导新型慢波结构。与常规矩形波导相比，工作频带内耦合阻抗提高30%以上，损耗降低10%。研制的耳型折叠波导W波段行波管，在工作电压21.9 kV，电流210 mA，占空比为5%时，10.8 GHz带宽内输出功率大于192 W，峰值功率达278 W，电子效率和增益分别达到6.3%和44.6 dB，行波管工作稳定。
2024, 22(1):35-38.
DOI: 10.11805/TKYDA2023283
摘要:
回旋管作为一种重要的真空电子源，能够在毫米波和太赫兹频段生成高峰值以及高平均功率的电磁辐射，在波谱学、雷达、通信、生物医学等领域具有广泛的应用前景。传统的回旋管将不可避免地面对激烈的模式竞争问题，引入准光谐振腔将有望大大减小模式竞争的激烈程度。本文基于电子回旋脉塞理论，将准光谐振腔及带状电子注进行结合，以期实现更高的输出功率及效率。仿真结果表明，在电子电压为40 kV，背景磁场为8.4 T时，设计的准光回旋管能在220 GHz频点处产生6.1 kW的输出，电子效率达到6.1%且在一段时间内能稳定运行。本文结构将可能为高频段乃至高次谐波工作的回旋管设计提供全新方案，从而进一步用于通信、雷达等领域。
回旋管作为一种重要的真空电子源，能够在毫米波和太赫兹频段生成高峰值以及高平均功率的电磁辐射，在波谱学、雷达、通信、生物医学等领域具有广泛的应用前景。传统的回旋管将不可避免地面对激烈的模式竞争问题，引入准光谐振腔将有望大大减小模式竞争的激烈程度。本文基于电子回旋脉塞理论，将准光谐振腔及带状电子注进行结合，以期实现更高的输出功率及效率。仿真结果表明，在电子电压为40 kV，背景磁场为8.4 T时，设计的准光回旋管能在220 GHz频点处产生6.1 kW的输出，电子效率达到6.1%且在一段时间内能稳定运行。本文结构将可能为高频段乃至高次谐波工作的回旋管设计提供全新方案，从而进一步用于通信、雷达等领域。
2024, 22(1):1-5.
DOI: 10.11805/TKYDA2023288
摘要:
针对平面集成行波管对一维阵列电子注聚焦的应用需求，设计了4通道电子注平面磁聚焦系统。将各通道磁场轴向和横向分量沿轴分布特征计算结果与测试结果进行对比，确认了Opera软件计算磁场分布特征的准确性。为与轴对称周期永磁(PPM)聚焦系统电子注通道内磁场分布特性进行对比，建立了轴对称PPM聚焦系统模型，测试结果与计算结果一致性较好。通过平面聚焦系统与轴对称PPM聚焦系统电子注通道内的磁场纵向和横向分布特性对比表明，两种聚焦系统电子注通道内纵向和横向磁场具有相同的分布特征，在离轴相同位置的圆周上横向磁场分量与轴向分量的比值均为B x/B z≈0.11，该平面聚焦系统可实现一维阵列圆形电子注的良好聚焦。
针对平面集成行波管对一维阵列电子注聚焦的应用需求，设计了4通道电子注平面磁聚焦系统。将各通道磁场轴向和横向分量沿轴分布特征计算结果与测试结果进行对比，确认了Opera软件计算磁场分布特征的准确性。为与轴对称周期永磁(PPM)聚焦系统电子注通道内磁场分布特性进行对比，建立了轴对称PPM聚焦系统模型，测试结果与计算结果一致性较好。通过平面聚焦系统与轴对称PPM聚焦系统电子注通道内的磁场纵向和横向分布特性对比表明，两种聚焦系统电子注通道内纵向和横向磁场具有相同的分布特征，在离轴相同位置的圆周上横向磁场分量与轴向分量的比值均为
2024, 22(1):17-21.
DOI: 10.11805/TKYDA2023289
摘要:
为满足太赫兹真空器件对阴极的大电流密度、小电子注尺寸需求，利用双离子束辅助沉积技术在浸渍钪酸盐阴极表面沉积Ta/Zr抑制膜，并利用聚焦离子束刻蚀技术制备出发射面直径为100 μm的微型热阴极。在此基础之上着重研究这种阴极的抑制膜特性，研究表明，Ta/Zr膜层比Zr膜层临界附着力更强，双离子束辅助沉积制备的Ta/Zr抑制膜比磁控溅射制备的Ta/Zr抑制膜更加致密，并且抑制发射寿命更长。阴极良好的抑制效果一方面是因为Ba扩散至Zr中形成高功函数物质，另一方面是因为Ta/Zr复合膜层高度致密有效抑制了Ba的扩散。
为满足太赫兹真空器件对阴极的大电流密度、小电子注尺寸需求，利用双离子束辅助沉积技术在浸渍钪酸盐阴极表面沉积Ta/Zr抑制膜，并利用聚焦离子束刻蚀技术制备出发射面直径为100 μm的微型热阴极。在此基础之上着重研究这种阴极的抑制膜特性，研究表明，Ta/Zr膜层比Zr膜层临界附着力更强，双离子束辅助沉积制备的Ta/Zr抑制膜比磁控溅射制备的Ta/Zr抑制膜更加致密，并且抑制发射寿命更长。阴极良好的抑制效果一方面是因为Ba扩散至Zr中形成高功函数物质，另一方面是因为Ta/Zr复合膜层高度致密有效抑制了Ba的扩散。
2024, 22(1):11-16.
DOI: 10.11805/TKYDA2023290
摘要:
随着太赫兹技术的快速发展，人们对太赫兹技术在通信、光谱学和传感方面的各种应用越来越感兴趣。太赫兹技术发展与应用的基础是高性能的太赫兹源，传统的太赫兹源体积大且需要高功率电源驱动，难以适应集成太赫兹技术的发展，迫切需要研发新机制的微型太赫兹源。本文研究了一种新型微型化自由电子太赫兹辐射器，基于自由电子与其在光栅介质波导结构中激励的太赫兹波的互作用，实现太赫兹波的激励。这项研究为开发高效的片上太赫兹辐射源和拓展先进太赫兹应用提供了新的选项。
随着太赫兹技术的快速发展，人们对太赫兹技术在通信、光谱学和传感方面的各种应用越来越感兴趣。太赫兹技术发展与应用的基础是高性能的太赫兹源，传统的太赫兹源体积大且需要高功率电源驱动，难以适应集成太赫兹技术的发展，迫切需要研发新机制的微型太赫兹源。本文研究了一种新型微型化自由电子太赫兹辐射器，基于自由电子与其在光栅介质波导结构中激励的太赫兹波的互作用，实现太赫兹波的激励。这项研究为开发高效的片上太赫兹辐射源和拓展先进太赫兹应用提供了新的选项。
2024, 22(1):22-27.
DOI: 10.11805/TKYDA2023277
摘要:
提出一种用于D波段行波管的电子光学系统设计方案，包括电子枪和永磁聚焦系统，并进行了验证。电子枪采用经典皮尔斯电子枪结构，阴极发射面的外层设置阴极套壳，抑制阴极边缘杂散发射；采用圆柱形控制极替代锥形控制极，同时在聚焦极加负偏压，调节电子注的压缩状态。所设计电子枪工作电压为19 kV，提供电子注电流57 mA，注腰半径为0.068 mm，射程为14.9 mm。为在半径0.15 mm的电子通道中稳定地聚焦和传输电子注，永磁聚焦系统采用周期永磁聚焦系统。峰值磁场为布里渊磁场的2.9倍，增加了电子注刚性。模拟结果显示，传输的电子注最大波动半径小于0.1 mm。按所设计的电子光学系统加工组装了试验流通短管，测试结果显示电子注电流为49.83 mA，收集极电流为49.6 mA，对应电子注流通率达到99.5%，实现了设计目标。
提出一种用于D波段行波管的电子光学系统设计方案，包括电子枪和永磁聚焦系统，并进行了验证。电子枪采用经典皮尔斯电子枪结构，阴极发射面的外层设置阴极套壳，抑制阴极边缘杂散发射；采用圆柱形控制极替代锥形控制极，同时在聚焦极加负偏压，调节电子注的压缩状态。所设计电子枪工作电压为19 kV，提供电子注电流57 mA，注腰半径为0.068 mm，射程为14.9 mm。为在半径0.15 mm的电子通道中稳定地聚焦和传输电子注，永磁聚焦系统采用周期永磁聚焦系统。峰值磁场为布里渊磁场的2.9倍，增加了电子注刚性。模拟结果显示，传输的电子注最大波动半径小于0.1 mm。按所设计的电子光学系统加工组装了试验流通短管，测试结果显示电子注电流为49.83 mA，收集极电流为49.6 mA，对应电子注流通率达到99.5%，实现了设计目标。
2024, 22(1):28-34.
DOI: 10.11805/TKYDA2023280
摘要:
针对170 GHz兆瓦级回旋管短脉冲实验对蓝宝石输能窗的实际要求，分析了蓝宝石窗传输高斯波束的反射和吸收特性，优化设计了低反射、低损耗蓝宝石输能窗的工程方案。对研制的蓝宝石窗部件进行微波冷测，驻波比(VSWR)小于1.1，验证了蓝宝石窗的低反射特性；计算结果表明该结构的最大输出平均功率阈值为590 W。对使用该蓝宝石窗研制的170 GHz回旋管进行测试，验证了理论计算的功率阈值，为大功率回旋管蓝宝石输能窗的实际应用提供了依据。
针对170 GHz兆瓦级回旋管短脉冲实验对蓝宝石输能窗的实际要求，分析了蓝宝石窗传输高斯波束的反射和吸收特性，优化设计了低反射、低损耗蓝宝石输能窗的工程方案。对研制的蓝宝石窗部件进行微波冷测，驻波比(VSWR)小于1.1，验证了蓝宝石窗的低反射特性；计算结果表明该结构的最大输出平均功率阈值为590 W。对使用该蓝宝石窗研制的170 GHz回旋管进行测试，验证了理论计算的功率阈值，为大功率回旋管蓝宝石输能窗的实际应用提供了依据。
