4 太赫茲真空電子器件
太赫茲波由于具有頻率高、寬帶寬、波束窄等特點，使得其在雷達探測領域具有重大的應用潛力。頻率高意味著具有較高的多普勒帶寬，具有良好的多普勒分辨力，測速精度更高；由于太赫茲波對目標形狀細節敏感，因而具有很好的反隱身功能；在相同天線孔徑下，太赫茲波束更窄，具有極高的空間分辨力，跟蹤精度高；另外由于太赫茲波具有穿透云層、煙霧、沙塵實現復雜戰場環境下的高分辨率和高幀率偵察，使得“視頻合成孔徑雷達(ViSAR)”有望取代現有的光學傳感器實現準視頻SAR成像[25]。但上述相關太赫茲雷達的應用能否實用最為關鍵的是大功率太赫茲真空電子器件所能達到的性能參數。
根據縮尺原理，當工作頻率進入到太赫茲頻段，傳統機械加工能力已經很難滿足真空電子器件結構尺寸和加工精度的要求。但隨著MEMS微細加工工藝的引入，真空電子器件正在大功率太赫茲輻射源方面表現出巨大的潛力。與半導體微細加工工藝不同的是，真空電子器件結構的寬高比并不是非常大，但是絕對深度很深，這也導致真空電子器件所需要的微細加工工藝有著自己的特殊性和難點[26]。常用的微加工技術有X射線光刻、電鍍和鑄造(Lithographie, Galanoformung, Abformung, LIGA)、紫外LIGA(Ultra Violet-LIGA, UV-LIGA)和深反應離子離子蝕刻(Deep ReactiveIon Etching, DRIE)技術。相比X射線LIGA的昂貴以及長時間等待X射線設備的耗時，使用SU-8和KMPR的UV-LIGA可在一到兩周內完成，過程包括曝光、電鑄、研磨和去膠等。利用硅晶片的DRIE是在體硅加工的結構上再鍍上一層金屬膜，構成金屬波導，在結構成型方面更為容易控制，但存在散熱特性差，薄膜容易脫落等問題。
根據不同工作原理，太赫茲真空電子器件主要分為振蕩器和放大器。振蕩器包括返波振蕩器，正反饋振蕩器，止帶振蕩器等，放大器主要包括行波管、擴展互作用速調管、回旋行波管等。
返波振蕩器由于具有快速電調諧實現頻率掃描的功能，是一種廣泛使用的實用化真空電子器件類型。近年來在太赫茲成像[27, 28]以及波譜方面[29]得到了大量應用。返波管目前工作頻率最高能夠達到1 THz，連續波輸出功率約1 mW左右。為了進一步提高功率，相繼提出了利用傾斜電子注互作用的斜注管[30]以及開放諧振腔互作用的奧羅管[31]等新型返波管器件。
目前返波振蕩器件所能達到的主要性能參數如圖 16所示[32]。
Northrop Grumann(諾格)公司在2008年第1次利用折疊波導行波管實現了正反饋振蕩器，在656 GHz處得到50 mW的輸出功率[33]。利用折疊波導帶邊耦合阻抗高，較易發生止帶振蕩的特性，可能在單個頻點得到較大的功率輸出。文獻[34]利用W波段行波管的折疊波導電路研制了止帶振蕩器，在124.4 GHz附近得到了最大32.5 W的輸出功率。
得益于微細加工工藝的漸趨成熟以及太赫茲固態源的進步給測試帶來的便利，太赫茲行波管的性能參數在最近五年取得了巨大的進步。
美國通過HIFIVE計劃支持了220 GHz行波管的研制，目標是在G波段10 GHz帶寬范圍內實現50 W的功率輸出。該器件正是應用于前文所述目前美國DARPAR正在資助的視頻合成孔徑雷達。諾格公司在2013年成功研制出了220 GHz的折疊波導行波管功率放大器。器件結構如圖 17和圖 18所示。它采用5個圓形電子注并行排列，各電子注獨立通過5個折疊波導高頻電路，輸入信號經過金剛石輸能窗分成5路，分別進入5路折疊波導高頻電路進行互作用，最后將放大的信號在波導內進行合成。折疊波導高頻電路采用深反應離子刻蝕微加工工藝進行加工，實驗結果表明微細加工所能達到的加工精度和表面粗糙度可以滿足220 GHz行波管放大器的研制需求。該放大器采用5注并行排列的結構，主要目的是為了降低陰極發射電流密度，它采用Semicon公司的M型陰極，陰極發射電流密度達到25 A/cm2。測試結果表明，最大輸出功率在214 GHz處達到55.5 W。但該5注高頻電路采用的是DRIE加工工藝，由于硅片散熱極差，所以只是在0.1%的占空比下進行了測試，最終該器件由于陰極熱絲失效而損壞[35]。
國內中國電子科技集團公司第十二研究所以及中國工程物理研究院都開展了220 GHz行波管的研究工作。中物院的樣管工作電壓14.6 kV，工作電流9 mA，最大輸出功率達到了252 mW[36]。中電十二所設計目標是工作電壓22 kV，設計電流50 mA，輸出功率10 W[37]。目前已經攻克折疊波導微細加工，強流細束電子光學系統，寬帶輸能窗等一系列關鍵技術[38]，所研制樣管測試系統照片如圖 19所示。
最新測試結果表明，電子注通過高頻電流已經達到53 mA，流通率大于75%。在208 GHz附近得到放大輸出功率最大5.6 W。在工作電壓24 kV時，帶內增益過大發生自激振蕩，最大振蕩功率達到22 W，振蕩頻率212 GHz。目前正在針對測試結果進行相應的調整。
諾格公司研制的233 GHz行波管在2016年取得較好的進展[39]。該行波管外形結構如圖 20所示，精密加工折疊波導高頻電路如圖 21所示。該行波管通過永磁透鏡對電子注進行聚焦。采用傳統Pierce電子槍結構，工作電壓20 kV，電流110 mA，電子注流通率達到95～98%。行波管測試輸出功率，在2.4 GHz帶寬范圍內輸出功率大于50 W。
太赫茲電子學計劃(THZ-E)支持了0.85 THz行波管放大器在2015年完成了樣管研制。測試表明電子注流通率44%，在0.85 THz處得到39.4 mW的功率，瞬時帶寬11 GHz。不同陰極電壓下輸出功率曲線如圖 22所示[40]。