重新认识真空电子器件，一个新的时代正在开启

来源：电磁频谱战

2018年，老乌鸦协会的《电子防御杂志》(JED)发表了两篇文章，重点介绍了行波管和其他真空电子器件的发展。这两篇文章都讨论了行波管的新机遇，特别是当技术需求在频率上向极高频(EHF)(30-300 GHz)或毫米波(mmW)(特别是在75 GHz以上)进一步扩展时。由于下一代军事技术和5G通信网络的潜在需求，毫米波频段备受关注。毫米波的传播特性决定了它能够进行海量数据传输，使其可应用于在蜂窝通信和雷达方面。同时在天基通信方面也有广泛应用，因为不会受到大气衰减的影响。此外，真空电子技术的进步解决了一些行波管在传统应用方面的限制，包括器件的工作寿命、阴极预热时间，以及与固态功放相比的总输出功率，特别是在更高的频率下。

行波管管与固态功放的争论已经持续了几十年，不只是由于砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)器件的推出，也有部分原因在于缺乏对行波管价值的认识，特别是考虑到最近用频系统的发展趋势。在当固态功放被引进时，证明了具有比现在的行波管更长的寿命，并且能够应用于功率收发模块方面。普遍的假设是，固态功放是解决未来先进系统中功率需求的万能药。虽然这一假设并没有错估固态功放的效能——在某些特定系统中它们确实比行波管更适合——但是从未来的的设计和发展的角度看，这是短视的观点，特别是在更高的频段上。在一个复杂的电磁频谱环境中，用频系统需要工作在过去30年中我们没有预料到的频段。固态功放还不能解决早期提出的问题，尤其是器件的效率和热耗。这促使我们重新审视我们对行波管的认识，以及下一代真空电子器件将如何革新放大器技术。

电磁频谱是频率的一种有组织的分类——支撑着我们在世界各地所做的一切。这包括商业和军事应用，如无线通信、指挥和控制、精确导航定位和授时、雷达和数据传输。人们越来越认识到电磁频谱是商业、全球军事和作战行动的核心。在美国、北约和其它伙伴国家，电磁频谱在现代作战中的战略意义正迅速得到高层的关注，并增加了对先进系统和武器的开发投入。

数十年来，美国和北约在电磁频谱上一直占据明显的优势，因为他们的电磁频谱能力远远超过对手的电磁频谱能力。如今，这种优势正在迅速消失。电磁频谱的需求、密度、复杂性和竞争性呈指数级增长。对高效可靠小型化系统进行高速数据传输的需求，促使我们开发比传统微波频率更高的频谱资源。

这种变化促使我们重新审视我们对核心器件和技术的认识——如行波管和微波功率模块。今天，我们可以更好地理解某些技术是如何工作的，以及为什么它们可能提供更好的解决方案。

最后，我们必须超越行波管和固态功放之间的竞争，而是关注两者优势的整合，以实现能力的最大化。我们需要两者的共同支撑，为各种军事技术在整个电磁频谱内不受限制的行动提供能力。因此，我们必须反对现阶段关于传统行波管的错误认识，更好的认识将推动下一代真空电子器件的发展。行波管远未过时。相反，我们正处于新一代行波管的早期阶段，这一代行波管很可能为我们在前所未有的高频率上提供解决方案。

矫正错误的认识

为了开发新一代的真空电子器件以发挥其潜力并刺激必要的投资，我们必须通过更多的研究和政府、工业以及学术界更有针对性倡议，来矫正以下错误的认识。

过时：如前所述，在现代电子战系统中，“行波管已经过时”观点忽略了对电磁频谱中机动性的需求。现代的系统需要更高的功率和更大的带宽。新一代的建模和设计技术使真空电子器件能够在符合尺寸限制的条件下，满足在高频率下工作时的超精密对中要求。

可靠性：早期针对行波管和固态功放装备可靠性的比较研究，并没有明确表明两种技术的局限性。当参数相同且考虑器件数量和预期工作温度时，行波管和行波管放大器不仅比最初设想的可靠，而且在关键性能指标上比固态功放更可靠。波音公司2006年的一项权威研究得出明确结论:“大量关于可靠性的数据……表明行波管放大器的失效时间明显低于固态功放。研究还表明行波管放大器的输出功率更大，反而缺乏证据来支持固态功放“柔性失能”的观点。此外，在研究之后，制造和工艺技术的进步显著改善了行波管放大器设备平均故障间隔时间(MTBF)。

效率：真空电子器件效率的提高不仅表现在毫米波频段，而且在低频段(1.3 GHz)也有提高，特别是对于窄带应用。对于军事应用，低频段的效率并不是问题，设备的体积和所需的制造能力才是问题。此外，功率与热耗的关系决定了行波管放大器具有天然的优势，能够达到30%—40%的效率，这意味着与具有相同冷却系统的固态功放相比，行波管可以产生更大的功率。

新的机遇

整体而言，在电子制造技术上的进步和正在进行的研究，尤其是在器件的可靠性和效率方面，为真空电子器件打开了新机会的大门，这可能会确保在未来30年里，真空电子器件仍将是一项重要的微波组件。

毫米波：根据JED的文章，“毫米波和更高频率是行波管的领域”，下一代军事应用对毫米波的需求越来越高，这些应用需要更多的数据连接。在毫米波波段，行波管可以满足功率和线性指标的要求。由于我们的对手还在持续投资开发运行频率更高的系统，我们需要解决这些新出现的威胁，而大多数固态功放目前无法支持这些需求。

优势互补：超越狭隘的行波管与固态功放之争，这两种技术的进步共同孕育了可靠和成熟的微波功率模块(MPM)技术,它提供了一个“最佳的技术”方案,这是将真空电子器件、固态器件和紧凑的电源技术进行优势互补而得到的优化集成方案。这种技术整合在30年前是闻所未闻的，但今天我们能够更好地认识到，一种技术的进步并不意味着另一种技术的过时。

改进的材料和部件技术：合成(或化学气相沉积)金刚石、先进的阴极、微加工和增材制造的发展都为提高真空电子器件的性能开辟了新的途径。具体来说，DARPA通过它的“创新真空电子科学与技术”(INVEST)项目一直在研究冷阴极行波管，这是一项革命性的进展，无需将阴极加热到1000℃即可发射电子。这将大大提高效率和可靠性，同时减少了“预热”时间，因为它可以在环境温度下工作。

建议/未来发展

倡导：真空电子器件产业的前途是光明的，但道路上的荆棘犹在。我们需要领导能力、资源和智力资本的加持，才能取得不断的进步。以前的错误认知已经干扰了真空电子器件产业基础的稳定和增长。如果我们今天将真空电子器件认定为“新技术”，我们可能会见证下一个重大突破。我们必须加强教育和意识，重新提振对真空电子器件的持续投资，实现产业的增长。

供应链：此外，政府的决策者必须对供应链面临的问题给予更多的关注，特别是那些可能对关键军事系统产生不利影响的问题。全球行波管制造商在不断减少，某些材料和稀土元素供应有限。例如，美国完全依赖稀土进口，而且主要是从中国进口。中国和俄罗斯等竞争对手认识到了真空电子器件技术的优势，并在该领域大举投资，同时美国没有稀土矿生产，必须日益依赖进口，尤其是从中国进口某些原材料。新材料的开发可以解决这一问题，但我们必须认识到，支持行波管的产业基础已经不像以前那么牢固了。认识到即将出现的机遇，需要立即解决供应链的脆弱性。

智力资本投入：最后，我们需要倡导学术界、产业界和政府之间开展新的合作来刺激真空电子产业的智力资本投入，鼓励毕业生和研究人员进入真空电子领域。真空电子学没有引起下一代工科学生足够的兴趣。政府机构和零部件制造公司都必须加强招聘和保留政策，以吸引美国和海外最好的工程师和物理学家。

结论

真空电子器件产业合作项目（VED IPP）❶ 将继续关注全球真空电子器件产业基础所面临的机遇和挑战。最近的研究表明，我们并没有把真空电子器件看作是持续发展的技术。真空电子器件非但不会过时，反而可能成为未来系统的首选(即使不是必需的)技术，特别是在需要更大功率和更高效率的高频段。而从优势互补的角度了发，行波管与固态功放之争毫无价值。我们需要认识到两者都有发展的空间，而二者的整合可以为下一代技术的发展开辟新的可能性。

注

❶ 真空电子器件产业合作项目(VED IPP)探索国防部、军事同盟和全球国防工业基础在发展真空电子器件技术方面起到的支撑作用，包括在行波管、行波管放大器、微波功率模块以及其它真空管技术方面。现阶段成员包括：Photonis Defense, Inc.Northrop Grumman Corporation Teledyne Technologies, Inc. TMD Technologies。

射声有言

①真空电子器件由于其工作机理、应用材料以及结构的特殊性决定了其技术进步很难实现激进和颠覆性的变革，这也不免给人一种“迟暮之年”的印象。但是回顾真空电子器件的发展历程，在过去80年中，真空电子器件在品质因数（Pf ^2）上的发展与固态器件功率密度遵循的 “摩尔定律”不谋而合，而且伴随将来冷阴极技术、高精密加工等先进技术的加持， VED的再一次爆发值得期待。

②早在上世纪80年代末，美国提出的微波功率模块（MPM）的概念曾一度被冠以“超级器件”，足见其“功能”无所不能。在国内外军用雷达、通信、电子战领域以及特定的工业和医疗应用方面，这种“集大成技术”（SSPA的低噪声，超线性，TWT的高效率、高功率）依然在发挥其强大作用，预计在未来的30年甚至更长时期内，伴随系统在高频段对高功率的需求，VED赋能的MPM技术依然会是接口友好，性能优良的首选技术。

③微波功率器件工作的物理本质是能量的转换。作为一个系统，无论固态器件还是真空电子器件，信号或能量的转换是一个熵减小的过程。从真空电子器件的工作机理来看，更加纯粹的工作环境（真空）和能量回收系统（MDC）显然更适合应用于对熵减小，即效率要求更高的系统。也许随着新材料和分析技术的发展，这种对真空电子器件的认知会更加深刻。

④新体制的应用也赋予了真空电子器件的新的发展机遇。在没有充分实战数据证明固态的“柔性降级”相较于真空电子器件的不断精进的高功率、高效率，超紧凑，长寿命，高可靠的特性孰优孰劣之前，在军事装备的前沿需求方面，两者都有机会入场。放眼整个电磁频谱，两者应该是相爱相生、优势互补的关系。

⑤以上译文和射声有言观点均来读者“硬核螺丝钉”的第二篇投稿。“硬核螺丝钉”是行波管领域的资深专业人士。在此，向他的专业素养和行业责任感再次致以特别的敬意！

原来这些技术，都离不开真空！

真空技术的应用

现代社会每个人都在享受着真空技术给我们带来的便利。例如：暖壶能保温的秘诀就在于瓶壁内有真空的空间，减少了热传导，以保持壶内温度；荧光灯、街灯、汽车照明灯的内部也是真空状态，否则就无法发光；电视、电脑显示器等也离不开真空。眼镜和摄像机、照相机镜头为了提高光的透过率，表面所镀的光学薄膜也是应用了真空技术。但是，在提到真空时，如果你想到的只是超市里包装好的食品和这些日常生活中的常识，就大错特错了。

一、新材料开发离不开真空

以分子束外延为代表的薄膜生长技术是新材料开发的重要手段，薄膜材料放到蒸发源中之后被蒸发或升华，在超高真空环境中，薄膜材料的原子或分子可以长距离飞行，到达衬底成膜;而且由于残留气体少，衬底表面形成的薄膜纯度高。

二、生产半导体元件半导体产业离不开真空技术

(1)要在硅片上掺入相应的其他元素;

(2)在生产集成电路时要形成复杂的金属薄膜和绝缘膜;

(3)要进行表面的刻蚀处理等复杂的工序。

如果生产过程中的真空度不够，表面上沾了灰尘或油滴之后会出现严重的后果。集成电路中细线的宽度是吸烟时吐出的烟雾颗粒直径的1/3，是一粒灰尘直径的近万分之一。对集成电路而言，哪怕落有一颗烟雾的颗粒，就好像大路上停了一架大型飞机一样，使电子无法通过或造成短路。

三、军工、宇宙开发方面也离不开真空。

隐形飞机或潜艇，要最大限度地吸收雷达波，以达到不被发现的目的。涂在飞机或潜艇上的吸收雷达波材料，就是活用真空技术而获得的纳米颗粒。宇宙开发更离不开真空，因为宇宙本身就处于超高真空状态。宇宙飞船使用的材料、对接技术，以及宇航员的太空服，处处都是真空技术的结晶。

四、表面科学领域对真空度的要求极高

在极高真空的环境下，通过高温退火或结合离子溅射而获得物质的清洁表面，这时的表面没有吸附任何其他的分子或原子。利用扫描隧道电子显微镜等尖端的表面分析实验手段，可以看到物质表面的原子排列和电子状态。

五、物理学中最尖端的粒子加速器，是大规模真空技术的组合

电子(或其他带电粒子)要被加速到接近光速，如果电子储存环中不是超高真空状态，则电子会和其中的分子或原子碰撞，从而迅速衰减。另外，核聚变反应要达到上亿度的高温，极高真空环境是系统工作的基本前提。

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