重新認識真空電子器件，一個新的時代正在開啟

2018年，老烏鴉協會的《電子防禦雜誌》(JED)發表了兩篇文章，重點介紹了行波管和其他真空電子器件的發展。這兩篇文章都討論了行波管的新機遇，特別是當技術需求在頻率上向極高頻(EHF)(30-300 GHz)或毫米波(mmW)(特別是在75 GHz以上)進一步擴展時。由於下一代軍事技術和5G通信網絡的潛在需求，毫米波頻段備受關注。毫米波的傳播特性決定了它能夠進行海量數據傳輸，使其可應用於在蜂窩通信和雷達方面。同時在天基通信方面也有廣泛應用，因為不會受到大氣衰減的影響。此外，真空電子技術的進步解決了一些行波管在傳統應用方面的限制，包括器件的工作壽命、陰極預熱時間，以及與固態功放相比的總輸出功率，特別是在更高的頻率下。

行波管管與固態功放的爭論已經持續了幾十年，不只是由於砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)器件的推出，也有部分原因在於缺乏對行波管價值的認識，特別是考慮到最近用頻系統的發展趨勢。在當固態功放被引進時，證明了具有比現在的行波管更長的壽命，並且能夠應用於功率收發模塊方面。普遍的假設是，固態功放是解決未來先進系統中功率需求的萬能藥。雖然這一假設並沒有錯估固態功放的效能——在某些特定系統中它們確實比行波管更適合——但是從未來的的設計和發展的角度看，這是短視的觀點，特別是在更高的頻段上。在一個複雜的電磁頻譜環境中，用頻系統需要工作在過去30年中我們沒有預料到的頻段。固態功放還不能解決早期提出的問題，尤其是器件的效率和熱耗。這促使我們重新審視我們對行波管的認識，以及下一代真空電子器件將如何革新放大器技術。

電磁頻譜在軍事行動中的角色變化

電磁頻譜是頻率的一種有組織的分類——支撐著我們在世界各地所做的一切。這包括商業和軍事應用，如無線通信、指揮和控制、精確導航定位和授時、雷達和數據傳輸。人們越來越認識到電磁頻譜是商業、全球軍事和作戰行動的核心。在美國、北約和其它夥伴國家，電磁頻譜在現代作戰中的戰略意義正迅速得到高層的關注，並增加了對先進系統和武器的開發投入。

數十年來，美國和北約在電磁頻譜上一直佔據明顯的優勢，因為他們的電磁頻譜能力遠遠超過對手的電磁頻譜能力。如今，這種優勢正在迅速消失。電磁頻譜的需求、密度、複雜性和競爭性呈指數級增長。對高效可靠小型化系統進行高速數據傳輸的需求，促使我們開發比傳統微波頻率更高的頻譜資源。

這種變化促使我們重新審視我們對核心器件和技術的認識——如行波管和微波功率模塊。今天，我們可以更好地理解某些技術是如何工作的，以及為什麼它們可能提供更好的解決方案。

最後，我們必須超越行波管和固態功放之間的競爭，而是關注兩者優勢的整合，以實現能力的最大化。我們需要兩者的共同支撐，為各種軍事技術在整個電磁頻譜內不受限制的行動提供能力。因此，我們必須反對現階段關於傳統行波管的錯誤認識，更好的認識將推動下一代真空電子器件的發展。行波管遠未過時。相反，我們正處於新一代行波管的早期階段，這一代行波管很可能為我們在前所未有的高頻率上提供解決方案。

矯正錯誤的認識

為了開發新一代的真空電子器件以發揮其潛力並刺激必要的投資，我們必須通過更多的研究和政府、工業以及學術界更有針對性倡議，來矯正以下錯誤的認識。

過時：如前所述，在現代電子戰系統中，“行波管已經過時”觀點忽略了對電磁頻譜中機動性的需求。現代的系統需要更高的功率和更大的帶寬。新一代的建模和設計技術使真空電子器件能夠在符合尺寸限制的條件下，滿足在高頻率下工作時的超精密對中要求。

可靠性：早期針對行波管和固態功放裝備可靠性的比較研究，並沒有明確表明兩種技術的侷限性。當參數相同且考慮器件數量和預期工作溫度時，行波管和行波管放大器不僅比最初設想的可靠，而且在關鍵性能指標上比固態功放更可靠。波音公司2006年的一項權威研究得出明確結論:“大量關於可靠性的數據……表明行波管放大器的失效時間明顯低於固態功放。研究還表明行波管放大器的輸出功率更大，反而缺乏證據來支持固態功放“柔性失能”的觀點。此外，在研究之後，製造和工藝技術的進步顯著改善了行波管放大器設備平均故障間隔時間(MTBF)。

效率：真空電子器件效率的提高不僅表現在毫米波頻段，而且在低頻段(1.3 GHz)也有提高，特別是對於窄帶應用。對於軍事應用，低頻段的效率並不是問題，設備的體積和所需的製造能力才是問題。此外，功率與熱耗的關係決定了行波管放大器具有天然的優勢，能夠達到30%—40%的效率，這意味著與具有相同冷卻系統的固態功放相比，行波管可以產生更大的功率。

新的機遇

整體而言，在電子製造技術上的進步和正在進行的研究，尤其是在器件的可靠性和效率方面，為真空電子器件打開了新機會的大門，這可能會確保在未來30年裡，真空電子器件仍將是一項重要的微波組件。

毫米波：根據JED的文章，“毫米波和更高頻率是行波管的領域”，下一代軍事應用對毫米波的需求越來越高，這些應用需要更多的數據連接。在毫米波波段，行波管可以滿足功率和線性指標的要求。由於我們的對手還在持續投資開發運行頻率更高的系統，我們需要解決這些新出現的威脅，而大多數固態功放目前無法支持這些需求。

優勢互補：超越狹隘的行波管與固態功放之爭，這兩種技術的進步共同孕育了可靠和成熟的微波功率模塊(MPM)技術,它提供了一個“最佳的技術”方案,這是將真空電子器件、固態器件和緊湊的電源技術進行優勢互補而得到的優化集成方案。這種技術整合在30年前是聞所未聞的，但今天我們能夠更好地認識到，一種技術的進步並不意味著另一種技術的過時。

改進的材料和部件技術：合成(或化學氣相沉積)金剛石、先進的陰極、微加工和增材製造的發展都為提高真空電子器件的性能開闢了新的途徑。具體來說，DARPA通過它的“創新真空電子科學與技術”(INVEST)項目一直在研究冷陰極行波管，這是一項革命性的進展，無需將陰極加熱到1000℃即可發射電子。這將大大提高效率和可靠性，同時減少了“預熱”時間，因為它可以在環境溫度下工作。

建議/未來發展

倡導：真空電子器件產業的前途是光明的，但道路上的荊棘猶在。我們需要領導能力、資源和智力資本的加持，才能取得不斷的進步。以前的錯誤認知已經干擾了真空電子器件產業基礎的穩定和增長。如果我們今天將真空電子器件認定為“新技術”，我們可能會見證下一個重大突破。我們必須加強教育和意識，重新提振對真空電子器件的持續投資，實現產業的增長。

供應鏈：此外，政府的決策者必須對供應鏈面臨的問題給予更多的關注，特別是那些可能對關鍵軍事系統產生不利影響的問題。全球行波管制造商在不斷減少，某些材料和稀土元素供應有限。例如，美國完全依賴稀土進口，而且主要是從中國進口。中國和俄羅斯等競爭對手認識到了真空電子器件技術的優勢，並在該領域大舉投資，同時美國沒有稀土礦生產，必須日益依賴進口，尤其是從中國進口某些原材料。新材料的開發可以解決這一問題，但我們必須認識到，支持行波管的產業基礎已經不像以前那麼牢固了。認識到即將出現的機遇，需要立即解決供應鏈的脆弱性。

智力資本投入：最後，我們需要倡導學術界、產業界和政府之間開展新的合作來刺激真空電子產業的智力資本投入，鼓勵畢業生和研究人員進入真空電子領域。真空電子學沒有引起下一代工科學生足夠的興趣。政府機構和零部件製造公司都必須加強招聘和保留政策，以吸引美國和海外最好的工程師和物理學家。

結論

真空電子器件產業合作項目（VED IPP）❶將繼續關注全球真空電子器件產業基礎所面臨的機遇和挑戰。最近的研究表明，我們並沒有把真空電子器件看作是持續發展的技術。真空電子器件非但不會過時，反而可能成為未來系統的首選(即使不是必需的)技術，特別是在需要更大功率和更高效率的高頻段。而從優勢互補的角度了發，行波管與固態功放之爭毫無價值。我們需要認識到兩者都有發展的空間，而二者的整合可以為下一代技術的發展開闢新的可能性。

注

❶

射聲有言

①真空電子器件由於其工作機理、應用材料以及結構的特殊性決定了其技術進步很難實現激進和顛覆性的變革，這也不免給人一種“遲暮之年”的印象。但是回顧真空電子器件的發展歷程，在過去80年中，真空電子器件在品質因數（Pf ^2）上的發展與固態器件功率密度遵循的 “摩爾定律”不謀而合，而且伴隨將來冷陰極技術、高精密加工等先進技術的加持， VED的再一次爆發值得期待。

②早在上世紀80年代末，美國提出的微波功率模塊（MPM）的概念曾一度被冠以“超級器件”，足見其“功能”無所不能。在國內外軍用雷達、通信、電子戰領域以及特定的工業和醫療應用方面，這種“集大成技術”（SSPA的低噪聲，超線性，TWT的高效率、高功率）依然在發揮其強大作用，預計在未來的30年甚至更長時期內，伴隨系統在高頻段對高功率的需求，VED賦能的MPM技術依然會是接口友好，性能優良的首選技術。

③微波功率器件工作的物理本質是能量的轉換。作為一個系統，無論固態器件還是真空電子器件，信號或能量的轉換是一個熵減小的過程。從真空電子器件的工作機理來看，更加純粹的工作環境（真空）和能量回收系統（MDC）顯然更適合應用於對熵減小，即效率要求更高的系統。也許隨著新材料和分析技術的發展，這種對真空電子器件的認知會更加深刻。

④新體制的應用也賦予了真空電子器件的新的發展機遇。在沒有充分實戰數據證明固態的“柔性降級”相較於真空電子器件的不斷精進的高功率、高效率，超緊湊，長壽命，高可靠的特性孰優孰劣之前，在軍事裝備的前沿需求方面，兩者都有機會入場。放眼整個電磁頻譜，兩者應該是相愛相生、優勢互補的關係。

⑤以上譯文和射聲有言觀點均來讀者“硬核螺絲釘”的第二篇投稿。“硬核螺絲釘”是行波管領域的資深專業人士。在此，向他的專業素養和行業責任感再次致以特別的敬意！

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