|
本文来编译自美国《电子防务》2018年3月（The Journal of Electronic Defense，JED）封面文章。 毫米波及更高频率是行波管的领地 2017年9月15日，北京时间下午7:55，美国的卡西尼号飞船降落在土星，向地球传输了最后一批数据。卡西尼号飞船经历了20年太阳系旅行，其中包含了环绕土星的13年。 卡西尼飞船上所有的射频系统几乎都是由行波管实现，包括科研仪器、遥感、控制和回传地球数据链。飞船在1997年发射，当时的最大争议是：其系统应该基于固态器件，而不是真空管，原因主要是直觉上的“真空管技术不可靠”。然而，结果却是飞船在2004年抵达土星后，美国国家航天局NASA两次延长了卡西尼计划，直到其坠毁。毫无疑问，真空管技术支撑了卡西尼飞船的生存及可靠性，基于真空管技术的系统实现了长达20年的实际深空环境寿命。 行波管仍是目前在役的绝大多数干扰机的柱石。图为美国空军A-10，其左翼外武库的干扰吊舱，其功率器件为行波管。 行波管对射频领域下一代需求至关重要 今天对真空器件和固态器件的争论仍在继续，后者的倡导者依旧时常提及的可靠性问题。但是，正如前美国国防预研局官员的W. D. Palmer博士指出的，“真空管和固态电子器件之间的争论已经持续了几十年，你会发现争论的中心处在功率/频率的领先边界。”，技术发展针对了满足工作在微波频谱时代的需求，而历史原因存在于这一过程中。“在GaAs晶体管功率问世之前，真空管是唯一解决方案。后来，GaAs晶体管开始在低频段替代真空管，但是总有应用需求领先于商用市场的需求，这就意味着要进一步推进频率和功率产生的能力，这一推动边界区域将一直成为真空器件的领地。” Palmer博士同时讲到，行波管对于固态器件有两大优势。第一，真空管工作在真空环境，这意味着电子传输换能过程中，不与半导体晶格发生碰撞并产生热量；第二，行波管可以使用“多级降压收集极”部件，能够获取互作用后电子的剩余能量，通过将其回收到系统中，从而进一步提升放大器总效率。Palmer指出功率产生的效率是太空应用中真空管尤其受到欢迎的主要原因。“一旦降低了放大器的功率效率，就要增加其电源的尺寸，因此，采用真空管可以使整个系统的尺寸更小。” 实现毫米波大功率的必经之途 领先商用市场的需求，造就了真空管的应用领域，这一观点，被今天的很多事实验证，例如，频谱中30-300GHz的毫米波正在逐渐深入应用并受到持续的关注。毫米波位于微波和红外频谱之间，具有持续增长的需求，尤其是在国防应用中，数据链路对更大容量的针对性需求以及不断增长的无人机的特定需求。Palmer总结道，“只有你工作在别人不能工作的高端区域，毫米波会为你提供实现这个想法的机会。同时，它还可以在高速率大容量数据传输中发挥效能。为了开展这项工作，你需要大功率、线性化放大器，正如你从真空电子学中所获得的那样。” 由于随着频率的升高，微波射频的大气损耗也大大增加，这时更需要的大功率的微波源。这也是行波管对毫米波应用有吸引力的另一原因。“如果你想目标收到足够的功率，就需要一个更大功率的放大器。因此，如果你想在毫米波段实现更大功率的覆盖，需要提升输出功率量级，必须而且只能由行波管来完成。” |
|
|
