摘要
太赫兹波因其具有电子学与光子学的特性，所以在深空探测、无损检测、通信及安检等领域有巨大应用潜力。近些年，太赫兹技术的迅猛发展离不开太赫兹真空电子器件的不断进步。由于尺寸共度效应及电子束发射性能的限制，这类器件在迈向更高频段过程中遇到了不小的困难。针对这些问题，研究人员通过改良高频结构、控制加工精度、制备更优性能的材料、更精准的计算手段等一系列措施进行解决。本文介绍几种主流小型化太赫兹器件研究过程中的解决方案及最新进展，最后根据现阶段发展情况总结未来可能会遇到的问题及解决方法。
关键词
真空电子器件一般指自由电子在真空环境中与电磁场发生互作用，将电能转换为电磁能量的器件。广泛用于广播、通信、电视、雷达、导航、自动控制、电子对抗、医学诊疗等领域。在广义上，微波是指频率从300 MHz到300 GHz（波长从1 m到1 mm）的电磁
目前，太赫兹波的产生主要有以下几种解决方
通信、成像、无损检测、生物医疗、信息安全、科学研究、天气及环境监测及国防军事等领域中均可看到微波及红外波段被应用的身
不同类型的真空电子器件拥有自己不同的发展方向，可以粗略地分为振荡器和放大器两大类。其中振荡器主要有：返波管、回旋振荡管、磁控管、斜注管、奥罗管及扩展互作用振荡管等；放大器主要有：速调管、行波管、回旋速调管、回旋行波管、返波放大器及扩展互作用速调管等。本文按照器件的类别较为系统地介绍不同器件的发展方向、最新进展及需要解决的问题。第一节介绍返波管的研究进展，返波管是迄今为止在小型化真空电子器件领域中得到最高输出频率的辐射源；第二节介绍行波管的研究进展，这类器件研究相对较多，且有较多应用场景；第三节介绍速调管及扩展互作用器件，这两类器件输出功率在较高频段仍能达到千瓦量级；第四节简述回旋管的发展至现阶段的历程，并对目前的最新成果进行简介；第五节介绍新型的太赫兹器件的研究进展，包括太赫兹磁控管、（超辐射）奥罗管、斜注管等。最后一节对文章进行总结，并对太赫兹真空电子器件未来发展方向进行展望。
返波管由高频系统中电磁波能量传播方向与电子束传输方向相反而得名。在发展过程中，同阶段返波管的输出频率相较于其他小型化的真空电子器件是最高的。现今返波管的主要发展方向是高频率。器件的工作频率越高，所对应的高频结构尺寸越小；结构尺寸的减小会导致与之匹配的电子注尺寸减小，在现阶段阴极材料发射性能条件下，更小的电子注尺寸意味着更小的输入功
图1 返波管结构示意图
Fig. 1 The structure diagram of Backward Wave Oscillator
对于最传统的光栅结构返波管，其结构简单、加工及装配难度较低，但是机械加工已经无法满足太赫兹波段一定深宽比的光栅。随之出现的UV-LIGA（Ultraviolet - Lithographie Gulvanik Abformung）工艺更好地解决了这类问题，可以将高频结构加工公差减小一个量级。
图2 平板光栅改进结构加工及装配情况
Fig. 2 Improved structure processing and assembly of flatgrating
近年来，使用二维光栅柱结构研制的1 THz返波放大器为进行的最大胆尝
图3 1 THz返波放大器原理示意图
Fig. 3 The schematic diagram of 1 THz Backward Wave Amplifier
1 THz返波放大器所对应的高频结构精度为纳米量
图4 返波放大器结构示意图及加工装配情况
Fig. 4 The schematic diagram of the structure of 1 THz Backward Wave Amplifier and its processing and assembly conditions
最近针对光栅结构返波管的研究中出现了一种新型高频结构，将矩形光栅变为同心圆形光栅，如
图5 径向电子束返波管结构示意图及本征模场分布情况
Fig. 5 The schematic diagram of the radial electron beam Backward Wave Oscillator structure and eigenmode field distribution
螺旋线是高频结构的一个重要分支，其尺寸偏差对器件的慢波特性有极大影响，因此螺旋线的厚度、螺距等参数需要严格控制；装配过程中需要金属或介质杆进行夹持，三根夹持杆相互之间角度120°；当夹角存在一定偏差时将会形成阻
图6 新型太赫兹螺旋慢波线结构
Fig. 6 Novel terahertz spiral interaction structure
折叠波导慢波结构由于其优异的传输特性被广泛用于真空器件的研究。由于机械加工极限的限制，只能实现较低太赫兹频段结构。折叠波导结构在返波管领域应用较少，但其可行性在G波段已经得到了实验验
图7 折叠波导慢波结构、准平行平板慢波结构及交错双栅慢波结构
Fig. 7 Folded waveguide interaction structure， quasi-parallel flat-plate interaction structure and staggered double-grating interaction structure
目前很多慢波结构都是由折叠波导衍生而来，例如交错双栅结构、正弦波导结构等。对于返波器件，能量的传输对器件的性能有很大影响，在交错双栅结构中往往会增加几个周期的Taper来降低电压驻波比；对于正弦波导结构也会增加渐变结构来提升高频结构性能。
正弦波导结构作为折叠波导结构变形中一个很重要的分支，近些年的研究过程中逐渐受到了更多的重视，也被应用到了返波管中。正弦波导拥有天然的电子束通道，避免了单独加工电子束通道，间接地增加了结构强度。
图8 新型高频结构返波管
Fig. 8 Novel interaction structure Backward Wave Oscillator
由于交错光栅结构相对单光栅结构可以对电子束进行更充分的调制，也具有更高的功率容量，因此人们对此做了大量的研究。随着研究人员对交错光栅结构认识的加深，一种角向交错光栅的结构被提
随着超材料优异的电磁特性被不断发现，二维材料、光子晶体等结构也被应用到了真空电子器件的研究过程中。二维材料的加工及装配相对简单，采用印刷电路板 （Printed Circuit Board， PCB）及微细加工工艺即可得到。
近几年的发展过程中，电子枪的发展也较为迅速，除了传统的热阴极外，还有各种不同应用场景的热阴极，赝火花电子束就是被成功应用的代表。赝火花为脉冲电子束源，对真空度要求较低，且不需要聚焦磁场，电子束流密度是传统热阴极的十倍左右。
图9 赝火花返波管结构及实验情况
Fig. 9 Structure and experiment of Pseudospark Backward Wave Oscillator
行波管是小型化真空电子器件中应用最为广泛、研究也相对更加深入的线性注器件。其体积小功率大、宽频带以及高效率等优点使行波管拥有广泛的应用场景。由于其工作寿命较长，在卫星通信、电子对抗等领域有不可代替的地位。在不断的发展过程中，针对不同用途逐渐演化出了多个分支。传统行波管的研究中螺旋线行波管及耦合腔行波管研究较多。对于螺旋线行波管，由于高频结构的特殊性，导致其散热性能及功率容量有限，随着频段的提高，慢波线的绕制及装配也是一个较为严峻的考验。耦合腔结构有较高Q值，应用到行波管的研究中会极大影响器件的带宽性能。折叠波导的提出弥补了以上两种结构的不足，并且加工工艺要相对简单，因此逐渐成为行波管研究过程中的主流结构。此类器件整体结构基本一致，如
图10 行波管结构示意图
Fig. 10 The schematic diagram of Traveling Wave Tube
由于G波段为大气窗口，利用这一频段的优势可以拓展其应用场景。目前很多研究机构都对G波段的连续波行波管展开了研究。针对不同的应用场景特点，行波管的研究也有几个不同的分支。对于机载雷达及无线通讯领域，需要器件有稳定的连续波输出。现阶段，G波段连续波行波管整体长度在30 cm以内，
图11 不同频段大功率行波管
Fig. 11 High-power Traveling Wave Tube in different bands
研究过程中，除了对G波段带宽性能进行提升外，在有限条件下增加器件的输出功率也尤为重要。通过微调高频结构来提升电子注互作用强度是解决此问题的途径之一，其中相速渐变结构与脊加载波导结构被用到大功率行波管的设计过程中。
除了连续波行波管外，大功率脉冲行波管也在迅猛发展。下图为几种大功率脉冲行波管的解决方案。在使用各种手段使器件的工作效率达到一定水平后，无法再从此角度进行功率提升时，可以直接提高器件的输入功率及电子注功率来更为显著地提高器件性能。现有的行波管输入信号源有两种主流方案，一是将较低频段的固态源使用倍频器产生所需信号；二是由返波管的输出信号作为输入信号。在太赫兹波段这两种信号源的功率都相对较低，最高在百毫瓦量级。因此，为了提高行波管的输入信号便有了如
图12 两种大功率行波管的解决方案
Fig. 12 Two solutions for high-power Traveling Wave Tube
除了向连续波及大功率方向发展外，高频率行波管也在稳步推进。太赫兹行波管发展路线主要有两条，其一为传统行波管路线，将输入信号源频率提高并减小慢波线尺寸，从而得到对应频率的放大信号。其二是通过谐波的方式产生倍频信号来获取。特定频率的输入信号在输入段对电子注进行一定的调制会携带一定分量的谐波信号，当被调制的电子注经过谐波输出段时将倍频信号进行放大并输出。由于太赫兹频段信号源功率相对较小，且成本较高，因此方案二受到越来越多的关注。
图13 0.34 THz折叠波导行波管
Fig. 13 0.34 THz folded waveguide Traveling Wave Tube
人们在现有的加工能力下逐渐把折叠波导的性能推向极限，因此发展新型的行波结构是必然趋势。为了提高器件的增益、带宽、加工便利性等，出现了各种折叠波导的衍生结构，例如对数周期折叠波导、正弦波导、双电子注交错双栅、超材料慢波线等结构，都有自己独有的特性，为不同用途的行波器件的发展提供了更多选择。改进型对数周期折叠波导行波管的每个周期都有不同的色散特性，如
图14 新型结构行波管
Fig. 14 Novel structure Traveling Wave Tube
传统的交错双栅结构也可以认为是折叠波导的一种变形结构，有较好的传输性能，一般为单电子注通道。增加电子束个数为提高器件输出功率的方法之一，
对于太赫兹行波管来说，加工也是一个较大的挑战，慢波结构的精度及表面光洁度对器件有很大影响。随着对材料及工艺认识的不断加深，利用材料的特点进行了1 THz螺旋线慢波加工的尝试。该螺旋线结构由金属纳米膜制作而成，此方法依赖于纳米膜的引导自组装特性，且拥有较好的表面光洁度。
图15 基于纳米膜自引导组装特性器件的1 THz螺旋线慢波结构
Fig. 15 1 THz spiral slow-wave structure based on self-guided assembly of nano-membrane devices
谐波行波管是以输入信号倍频方式进行输出，虽然被输入信号调制的电子束所携带的谐波被放大，但是效率仍然很低，所输出信号功率水平与输入信号在同一功率水平。
图16 折叠波导谐波行波管
Fig. 16 Folded waveguide harmonic Traveling Wave Tube
为了满足深空探测、加速器应用等场景的需求，大功率速调管的研究从未停下过脚步。此类速调管的研究频率主要集中在Ka波段及以下，以发展千瓦和兆瓦级功率脉冲速调管为主。由于速调管采用谐振腔来对电子束进行调制，有很高的增益，因此导致这一器件的带宽很小；然而目前主流行波管以频带较宽的折叠波导来对电子注进行调制，该类高频结构决定行波管有较大带宽，但是增益相对较低。研究人员想把速调管的高增益及行波管宽频带的特性结合起来，于是出现了扩展互作用器件。扩展互作用器件分为扩展互作用振荡器和扩展互作用速调管。
国内对于太赫兹扩展互作用器件的研究主要集中在高校及研究所，并且以振荡器的研究为主。带状电子注具有更小的空间电荷力，减小了聚焦磁场的压力；且有较大的功率容量，这也与扩展互作用器件的特性更加契合。所以在太赫兹波段扩展互作用振荡器的研究过程中，相对柱状电子束受到了更多的青睐。
图17 梯形慢波结构扩展互作用振荡器
Fig. 17 Trapezoidal interaction structure Extended Interaction Oscillator
大功率EIO一般都以脉冲方式进行工作，前文提到的赝火花电子束的高密度、脉冲工作、无需磁场等特点与脉冲扩展互作用振荡器的工作方式较为契合。如下图分别为采用圆柱及带状注电子束的赝火花扩展互作用振荡器。两种结构均为阶梯状慢波线，
扩展互作用器件的研究除了使用较多的梯形慢波结构外，中科院研究机构还进行了折叠波导结构EIO的尝试，如
图18 折叠波导扩展互作用振荡器
Fig. 18 Folded waveguide Extended Interaction Oscillator
图19 0.264 THz扩展互作用振荡器
Fig. 19 0.264 THz Extended Interaction Oscillator
通常情况下利用梯形慢波结构进行工作的器件一般都是激励起TM11模式。
图20 谐波扩展互作用振荡器结构及色散情况
Fig. 20 Structure and dispersion of harmonic Extended Interaction Oscillator
国外对此类器件研究较为深入的主要有加拿大的CPI公司以及美国海军实验室。其中早在2007年，CPI公司就报道了其成功研制的W波段扩展互作用速调
图21 G波段及W波段扩展互作用速调管
Fig. 21 G-band and W-band Extended Interaction Klystron
美国海军实验室采用带状电子注及传统扩展互作用腔结构成功研制峰值功率在7.5 kW的94 GHz扩展互作用速调管如
图22 带状电子注W波段扩展互作用速调管
Fig. 22 Banded electron beam W-band Extended Interaction Klystron
除了以上两个研究机构做出的成熟产品外，人们还对新型扩展互作用器件进行了不断的探索。
图23 光子晶体扩展互作用速调管
Fig. 23 Photonic crystal Extended Interaction Klystron
由于扩展互作用腔拥有较高Q值，所以增益较大，这也导致其带宽相对较窄。国内对于扩展互作用速调管的研究相对较少，实验成果基本集中在W波段。在2015年报道了采用17 kV、0.34 A电子束的设计，该器件在94.77 GHz频点处可以输出580 W的平均功率；最终实验中电子束为18 kV、0.28 A情况下，在94.95 GHz处可以获得374 W的平均功率输
图24 长短槽梯形慢波结构
Fig. 24 Unequal-length Slots interaction structure
扩展互作用电路向太赫兹波段迈进过程中主要的问题为加工工艺的限制及热效应的影响。在太赫兹波段的电子注尺寸相对毫米波会减小很多，所以电子束密度的要求也会越来越高。随着材料科技及光刻工艺的发展，终将得到太赫兹辐射的扩展互作用器件。
回旋电子受激辐射的原理，于1958年由澳大利亚天文学家R. Q. Twiss通过分析电离层对电磁波的吸收效应时提
线性注器件的高频场一般为TM模式来对电子注进行调制，然而回旋管中需要激励起TE模式的高频场，所以回旋管中主流的高频结构为圆波导，除此之外还有波纹波导、单共焦波导、双共焦波导及波纹波导等。波导的结构尺寸对器件的工作模式有较大影响，但是回旋器件的工作频率受到磁场的影响最大。因此在研究过程中大家意识到，通过增加磁场可以迅速提高器件的工作频率，在基频模式情况下每28 GHz的频率大致需要1 T的磁场强度，回旋器件得到迅速发展。1965年Bott在5 T的磁场中得到了1 W左右的140 GHz基波信号，并获得了10 mW的280 GHz的二次谐波输出信号；三年以后的MIT实验室中得到了100 mW量级的414 GHz和2 μW左右的615 GHz太赫兹信号。随着研究的深入，1974年Zaytsev等人成功研制了1.5 kW连续波输出的326 GHz回旋管 ，该实验结果具有里程碑式的意义。经过不断地探索，当代回旋管的基本结构如
图25 回旋管结构示意图
Fig. 25 The schematic diagram of Gyrotron structure
回旋管的发展过程中不断向高频率进行探索，然而提高工作频率最有效的办法为增加磁场强度。获得较高磁场的方法之一为使用脉冲工作的螺线圈来提供磁场。对于此研究方向，俄罗斯科研人员做了较多的探索，
图26 脉冲磁场回旋管
Fig. 26 Pulsed magnetic field Gyrotron
采用二次谐波的方式进行工作也是提高器件输出频率的重要途径之一。Spira–Hakkarainen等人通过调节磁场、工作电压等条件改变器件的谐振模式并最终在301 GHz至503 GHz范围内获得14种不同的输出模式，且输出功率在1~22 k
图27 500 GHz二次谐波回旋管
Fig. 27 500 GHz second harmonic Gyrotron
不同频段及工作特性的回旋管被不断研发出来离不开应用场景的需求。通过等离子体加热、等离子体检测以及动态核极化来提升核磁共振的信噪比等，对回旋管的性能均有不同的要求。对于大多数光谱学应用，需要连续波小功率回旋管，因此可调连续波回旋管也是一个很重要的分支。截至2004年，日本福井大学针对不同应用场景开发了一系列性能的回旋管，38 GHz至889 GHz范围内频率可调，脉冲模式工作的器件输出功率从0.1 kW至千瓦量级，连续波模式工作的器件输出功率达几十
图28 不同应用场景的回旋管系统
Fig. 28 Gyrotron system for different application scenarios
动态核极化是增强核磁共振波谱信号的重要手段，可以通过使用高频电磁辐射源来激发被测试对象中的电子自旋来实现。该系统对辐射源有很高的要求，连续波输出功率在十瓦至百瓦量级，功率稳定性要优于1%，且输出信号频率稳定性在MHz量
真空电子器件的发展道路之一就是对高频结构进行创新，回旋管也不例外。逐渐出现了共焦波导结构、波纹波导结构等一系列具有特殊性质的结构。对于共焦波导结构，
图29 创新结构回旋振荡器及放大器
Fig. 29 Innovative structure Gyrotron and Gyrotron amplifier
在传统结构的各类小型化器件不断发展过程中，出现了许多新结构甚至新原理的适合向太赫兹迈进的小型化真空电子器件。磁控管是如今唯一成功商业化的真空电子器件，由于该器件相比其他振荡器具有体积小、加工简单、磁系统简单且成本较低等诸多优点，所以被应用在了微波炉中。由于水在特定的频点有较强的吸收峰，因此微波炉中的磁控管工作在了2.45 GHz，用来对食物进行加
对于W波段磁控管的研究均采用了空间谐波的方式进行工作，激励起2π-1的高频模式。在2016年的研究中实现了2 kW的输出功率，总体尺寸为36*36*80 m
图30 两种W波段空间谐波磁控管
Fig. 30 Two types of W-band spatial harmonic Magnetrons
图31 太赫兹空间谐波磁控管
Fig. 31 Spatial harmonic Magnetrons in terahertz band
真空电子器件向太赫兹发展过程中，各个结构的尺寸都会趋于微米量级，电子束的尺寸也会减小到微米量级，传统密度的电子束随着尺寸的减小，束流的大小也会急剧下降。因此为了满足其工作的需求，大束流密度的电子束是发展的必然趋势。电子束发射密度的大小与阴极材料有很大关系，短时间内无法突破材料限制的情况下，减小结构的起振电流也是方法之一。就传统基于光栅结构的线性注器件而言，减小电子注与光栅表面的距离可以显著减小器件的起振电流。基于以上思路，研究人员提出了电子注以斜入射方式进入互作用区域的器件，称为斜注管。该器件的原理性示意图如
图32 斜注管原理示意图
Fig. 32 The schematic diagram of Clinotron
对于此类器件，国内外的发展水平较为一致。
图33 0.26 THz斜注管加工及装配情况
Fig. 33 Processing and assembly of 0.26 THz Clinotron
图34 0.346 THz斜注管实验研究
Fig. 34 Experimental research of 0.346 THz Clinotron
人们在辐射机制上的创新主要体现在奥罗管上面。该器件主要分为两类，一种是以光栅表面波频率进行工作称为奥罗管，另一种是以表面波倍频的方式进行输出称为超辐射奥罗管。对于以表面波方式进行工作的器件研究相对较多，大致结构如
图35 W波段奥罗管及实物示意图
Fig. 35 W-band Orotron schematic and experimental diagram
当自由电子掠过光栅表面时，会有不同频率的波从不同角度辐射出来，频率与电子的速度、光栅周期以及谐波次数有关，此辐射称为SP辐射，为非相干辐射。当电子束被表面波调制以后，电流信号中会存在以表面波倍频的谐波信号，当谐波信号与SP辐射信号重叠时，就会形成相干辐射，以表面波倍频方式进行输出的超辐射奥罗管主要以此原理进行工作，原理示意图如
图36 超辐射奥罗管结构示意图
Fig. 36 The schematic diagram of super-radiation Orotron structure
图37 超辐射奥罗管原理示意图及装配示意图
Fig. 37 The schematic and assembly diagram of super-radiant Orotron
图38 超辐射奥罗管高频结构及实验结果示意图
Fig. 38 The schematic diagram of the interaction structure and experimental results of super-radiant Orotron
目前对于超辐射奥罗管的研究相对较少，除了以上的实验研究外，有研究利用非90°附近的超辐射与三反射镜系统对谐波进行收集。如
图39 特异型超辐射奥罗管结构及仿真结果
Fig. 39 The structure and simulation results of special type super-radiant Orotron
主要总结了最近几年的小型化太赫兹真空电子器件的发展状况及趋势，主要包括返波管、行波管、扩展互作用器件、回旋管及其他结构和原理的小型化器件。其中，返波管和斜注管由于其结构简单，对此器件的研究主要集中在高频率的探索中，通过各种先进的跨学科加工手段对此器件的工作频率上限进行探索；行波管是现在应用领域最为广泛的器件，在雷达、电子战、空间通信等方面已经成功应用，随着民用领域通信要求的提高，太赫兹行波管逐渐成为该领域很有竞争力的信号源；在某些有大功率脉冲信号需求的场景，扩展互作用器件以及太赫兹磁控管完全可以满足需求；回旋管主要用来满足某些大功率及高频率的需求，例如动态核极化、核聚变的等离子体加热；对于新机理及新结构的研究脚步从未停止，不断为更高频率的太赫兹器件的发展提供更多选择。
以上太赫兹器件的发展离不开基础学科的进步。材料学科是此领域发展进步的基石，阴极发射材料极大地影响着电流的发射密度，而太赫兹器件对发射密度参数有较高的要求；高频结构材料的电导率等参数对器件的高频损耗及互作用特性也有极大影响；高频结构及电子枪聚焦的尺寸精度和表面粗糙度对器件的加工工艺有很高的要求，因此加工工艺也是迈向更高频段的重中之重，对于传统机械加工领域需要不断培养相关技术性人才，在不断的实践过程中积累对特殊结构的加工经验；除此之外也需要各个学科相互交叉融合，发展出来一套适合太赫兹频段器件加工的新方法和新工艺；由于太赫兹器件的各部分结构较小，所以各部分的严密配合相对更有难度，考验着装配的工艺，因此需要不断磨合装配工艺；测试和调试是制作辐射源的最后一步，太赫兹波段发展时间较短且有一定特殊性，导致检测及衡量手段相对其他频段电磁波有一定的局限，在此方面需要不断拓宽电子学检测手段的覆盖范围，并结合其本身光子学的特点，相互结合交叉来解决这一频段的检测问题。总之，需要不断发展基础学科及技术，将各领域进行交叉融合，在逐步的积累中解决每一环问题，最后填补真空电子器件在低太赫兹频段的空缺。
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