綜述了國(guó)內(nèi)外幾種主要的微波真空功率器件技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,特別對(duì)微波管CAD技術(shù)、短(亞) 毫米波器件、陰極技術(shù)等進(jìn)行了分析,并對(duì)整個(gè)微波管行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了討論。

　　微波真空功率器件的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過了一個(gè)世紀(jì),從最早的第二次世界戰(zhàn)爭(zhēng)的三極管開始,在20世紀(jì)取得了很大的進(jìn)步,微波管逐步發(fā)展了線性注器件、正交場(chǎng)器件和快波器件,克服了三極管的渡越時(shí)間效應(yīng),以速調(diào)管、行波管、磁控管、正交場(chǎng)放大器、返波管、回旋器件等為代表的功率器件頻率已經(jīng)覆蓋了1GHz 到100GHz 的頻段,在雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通訊、工業(yè)加熱、醫(yī)療設(shè)備、高能物理、空間探測(cè)、科學(xué)研究等方面取得了廣泛的應(yīng)用。同時(shí),隨著微加工技術(shù)的發(fā)展,場(chǎng)發(fā)射陣列陰極也以其功耗小、啟動(dòng)快、電流密度大等特點(diǎn)也應(yīng)用到微波管中,利用強(qiáng)相對(duì)論電子注( IREB) 產(chǎn)生超高功率微波毫米波輻射。

　　進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái),微波管在頻率、效率和功率上進(jìn)一步提高,并朝著微/小型化和模塊化發(fā)展。計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算電磁學(xué)的發(fā)展,微波管的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 技術(shù)得到了很大的進(jìn)步,以前需要大量實(shí)驗(yàn)研究才能解決的問題現(xiàn)在通過軟件模擬可以很容易進(jìn)行方案的驗(yàn)證和優(yōu)化。納米材料陰極技術(shù)、高磁場(chǎng)強(qiáng)度低溫度系數(shù)磁鋼技術(shù)、精細(xì)陶瓷材料、CAD 金剛石技術(shù)、精密金屬零件加工技術(shù)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)、電源技術(shù)等支撐技術(shù)的發(fā)展,也為微波管技術(shù)的發(fā)展增添了活力。

1、現(xiàn)狀及分析

　　國(guó)外從事真空功率器件的研究主要有美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、印度、日本和韓國(guó)等。美國(guó)在軍用電真空器件研究、開發(fā)和生產(chǎn)方面具有較為完備的體系,有重點(diǎn)大學(xué)、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)部門(以及部分公司) 參與從基礎(chǔ)研究、計(jì)算機(jī)模擬、產(chǎn)品樣機(jī)和批量生產(chǎn)的整個(gè)過程,研究和開發(fā)的產(chǎn)品類型也最為全面,涉及到從L 波段到W 波段,乃至太赫茲頻率的各種功率器件,其投資以及研發(fā)工作處于世界各國(guó)的前列。俄羅斯(及烏克蘭等前蘇聯(lián))在軍用微波管領(lǐng)域也有很強(qiáng)的研究和開發(fā)力量,在亞毫米波返波振蕩器方面具有很強(qiáng)的實(shí)力,在回旋器件、傳統(tǒng)的行波管、速調(diào)管、磁控管等方面具有一定的優(yōu)勢(shì),另外在多注器件、橫向場(chǎng)器件等方面有專門的研究工作。國(guó)內(nèi)主要有四個(gè)單位和一個(gè)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)微波管的研究、開發(fā)和生產(chǎn)任務(wù),需要在自主設(shè)計(jì)能力、加工能力、工藝水平、可靠性技術(shù)、支撐和配套技術(shù)、高層次人才培養(yǎng)方面做大量的工作。

2、CAD技術(shù)

　　現(xiàn)代微波管的CAD在研究和開發(fā)中的作用越來(lái)越大,是改善器件性能、縮短研制周期、降低成本的有效手段。現(xiàn)有的真空功率器件如行波管、速調(diào)管和回旋器件,其基本原理都建立在麥克斯韋方程和洛倫茲方程的基礎(chǔ)上,但內(nèi)部的物理過程卻變化很大,在時(shí)間和空間的范圍內(nèi)完全不同,這給開發(fā)精確高效的計(jì)算程序提出了很大的挑戰(zhàn)。為了完成這些模型和模擬的挑戰(zhàn),理想情況應(yīng)該是完全自洽,從頭到尾(從電子發(fā)射到電子收集) 整個(gè)過程的計(jì)算機(jī)模擬。盡管現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)速度很快,再加上并行計(jì)算的優(yōu)勢(shì),現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源對(duì)整個(gè)器件的計(jì)算量而言仍顯不足。為了解決這些問題,可以將問題分解為可以求解的子問題,然后開發(fā)相應(yīng)的算法和程序來(lái)模擬每一部分的物理現(xiàn)象,再利用接口程序進(jìn)行各部分之間的通訊,將結(jié)果集成在一起。這樣就可以將整個(gè)RF 能量的輻射過程分解為:電子注的產(chǎn)生,注的傳輸,注波互作用,電子注的收集,放大器中信號(hào)的輸入,射頻能量的輸出以及熱控制等。目前大部分的CAD 程序都是針對(duì)各部件的模擬單獨(dú)開發(fā)的,但總的理念可以描述為“以幾何模型為基礎(chǔ),自洽現(xiàn)象”的方法。過去的模型經(jīng)常有一些簡(jiǎn)化和近似,而近年來(lái)的CAD 都采用二維/ 三維的幾何結(jié)構(gòu),可以進(jìn)行更接近實(shí)際的場(chǎng)和邊界條件的物理過程模擬,得到更加精確的模擬結(jié)果。

　　現(xiàn)代真空電子功率器件CAD 的發(fā)展方向: ①器件頻率提高后器件尺寸的減小,要求網(wǎng)格劃分更加細(xì)致,精度要求更高; ②模擬由二維向三維粒子方向發(fā)展,來(lái)滿足柵控器件、多注器件、帶狀注等非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電子光學(xué)和互作用的模擬; ③多物理場(chǎng)的互作用對(duì)器件性能的影響,還要兼顧計(jì)算時(shí)間、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求等。這些多物理場(chǎng)的模擬包括電子動(dòng)力學(xué)、RF 特性、熱性能、力學(xué)性能、機(jī)械形變、環(huán)境影響等,同時(shí)考慮到可加工性和成本問題; ④軟件能夠方便地建立器件實(shí)體結(jié)構(gòu)模型,適應(yīng)更復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)模型,以及軟件之間模型的可傳遞性、軟件的易用性、界面的友好性、過程的可視性、后處理的可操作性要求提高; ⑤擴(kuò)展現(xiàn)有的材料性能模型,如各向異性材料、微波衰減材料等,可以任意輸入不同介電常數(shù)、導(dǎo)磁率、導(dǎo)電率、損耗正切等; ⑥考慮多種電子發(fā)射模型,如空間電荷限制發(fā)射模型、溫度限制發(fā)射模型、場(chǎng)發(fā)射模型、二次電子發(fā)射模型、光電發(fā)射模型、以及用戶定制的固定發(fā)射模型等,以滿足電子槍中各種不同陰極以及在多級(jí)降壓收集極模擬中對(duì)二次電子的處理; ⑦采用更先進(jìn)的優(yōu)化方法,來(lái)減小運(yùn)行時(shí)間,降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求; ⑧器件的整體模擬(從陰極到收集極) 要充分發(fā)揮并行計(jì)算的優(yōu)勢(shì),就要求重新編寫計(jì)算程序和利用特殊的計(jì)算機(jī)群。一些軟件已經(jīng)具有并行運(yùn)行的版本,Mi-chelle ,Analyst 和TESLA-MB。另外,計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)在真空電子器件的應(yīng)用是圖形處理單元(GPUs) ,可以用來(lái)顯示三維模型和結(jié)構(gòu),在普通計(jì)算機(jī)上增加圖形卡可以實(shí)現(xiàn)這些功能。

　　Christine 在美國(guó)是一個(gè)很重要的軟件,專門用于行波管互作用的模擬和優(yōu)化,目前已經(jīng)有一維和三維軟件,而且其精度已經(jīng)得到了美國(guó)工業(yè)部門和研究所的普遍認(rèn)可。最近又在交流空間電荷模型上進(jìn)行了改進(jìn),使其物理模型更加完善,結(jié)果更加可靠。該程序目前已經(jīng)擴(kuò)展到Christine-CC ,即耦合腔行波管的大信號(hào)計(jì)算程序, CPI 利用V TA6430A2 進(jìn)行驗(yàn)證工作,它在28～30 GHz 范圍內(nèi)可電壓調(diào)諧, 輸出功率500 W , 瞬時(shí)帶寬500MHz 。CHRISTINE2CC 使用一維圓盤模型,用戶可以選擇慢波電路的集總參數(shù),可以選擇間隙電場(chǎng)的模型。慢波電路模型可以是Curnow 的,也可以是Malykhin , Konnov 和Komarov 的。間隙場(chǎng)的模型可以是拋物線型的,也可以是Kosmahl-Branch型的。空間電荷場(chǎng)和CHRISTINE 螺旋線行波管中的一樣,但有所改進(jìn)。CPI 共進(jìn)行了3 種條件的模擬,其中一種情況的模擬結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果非常一致。

　　CAD 在現(xiàn)有器件性能的提升和新器件的研制等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),可以很方便地開展虛擬實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化工作,而不需要等待機(jī)械零件加工和工藝裝配過程;可以很容易地進(jìn)行某個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化工作,并進(jìn)行敏感度分析。現(xiàn)有的軟件都是在已有的結(jié)構(gòu)尺寸情況下,對(duì)其參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,內(nèi)部的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析,或互作用分析,也就是假設(shè)這個(gè)結(jié)構(gòu)的存在然后進(jìn)行模擬。但這些對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),似乎缺乏一種計(jì)算機(jī)程序,在輸入技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)后可以得到一種初始的電參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),經(jīng)現(xiàn)有的軟件模擬后能基本滿足要求,然后再進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。所以,軟件只能用來(lái)對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬、優(yōu)化和敏感度分析等,并不能代替設(shè)計(jì)工作。制管工程師一定要掌握設(shè)計(jì)過程,了解器件內(nèi)部的物理過程,才能再進(jìn)行CAD 的過程中,提高分析能力,更好地利用各種軟件,提高設(shè)計(jì)水平 。