太赫茲波處于電磁波譜中電子學(xué)與光子學(xué)之間的空隙區(qū)域，具有不同于低頻微波和高頻光學(xué)的獨(dú)特屬性，在無(wú)線通信、生物醫(yī)學(xué)、公共安全等軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲技術(shù)重點(diǎn)是對(duì)太赫茲波的產(chǎn)生和傳輸進(jìn)行研究，當(dāng)前所面臨問(wèn)題是在不產(chǎn)生額外傳輸損耗下保證高效率傳輸太赫茲信號(hào)。太赫茲行波管輸能窗是典型的結(jié)構(gòu)功能一體化器件，主要起著行波管內(nèi)外信號(hào)傳遞的作用，同時(shí)還要保證器件內(nèi)部的真空度以及對(duì)太赫茲波表現(xiàn)出高度“透明”。

本文通過(guò)對(duì)近年來(lái)文獻(xiàn)總結(jié)整理，綜述了國(guó)內(nèi)外太赫茲行波管的應(yīng)用和研究進(jìn)展，揭示了未來(lái)發(fā)展大功率、高效率和寬頻帶傳輸是實(shí)現(xiàn)太赫茲真空器件實(shí)際應(yīng)用的重點(diǎn)，這將對(duì)輸能窗材料本身以及超精密加工提出了巨大挑戰(zhàn)?？v觀近幾年國(guó)內(nèi)外輸能窗材料的發(fā)展歷程，筆者們認(rèn)為，與傳統(tǒng)輸能窗材料相比，單晶金剛石強(qiáng)度高，導(dǎo)熱好，微波損耗小，沒(méi)有晶界，氣密性好，是最理想的太赫茲行波管輸能窗口材料，也是目前研究發(fā)展的主流趨勢(shì)。

引 言

太赫茲(Terahertz, THz)的概念最早在 1974 年由 Fleming 提出。太赫茲波在電磁波譜中位于0.1~10THz 區(qū)域內(nèi)（波長(zhǎng)為 3~30μm），其位置正好位于電磁譜中宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過(guò)渡區(qū)域（如圖 1 所示），具有對(duì)非極性物質(zhì)強(qiáng)穿透性、光子能量低、特征性等特殊的物理屬性，在國(guó)防軍工、生物醫(yī)學(xué)、無(wú)線通信以及公共安全等方面有廣泛的應(yīng)用，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。

圖 1 THz 頻段的特殊位置以及該頻段的應(yīng)用

太赫茲技術(shù)是對(duì)太赫茲波的產(chǎn)生、傳輸和控制進(jìn)行研究，其中包含太赫茲源和太赫茲?rùn)z測(cè)。太赫茲源是產(chǎn)生太赫茲波的裝置，主要有半導(dǎo)體太赫茲輻射源、光學(xué)太赫茲輻射源、真空電子太赫茲器件等。不同的太赫茲源裝置所產(chǎn)生的太赫茲波方式不同，如半導(dǎo)體太赫茲源通過(guò)半導(dǎo)體中量子阱超晶格的電子能級(jí)躍遷產(chǎn)生太赫茲波，具有較小尺寸、寬的光譜覆蓋范圍和高輸出功率等特點(diǎn)，但也存在光束質(zhì)量差、寬帶窄以及不能在室溫下工作等缺點(diǎn)；光學(xué)太赫茲輻射源是將光學(xué)信號(hào)變頻轉(zhuǎn)換為太赫茲頻段的技術(shù)，主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)光纖電纜可實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)的低損耗遠(yuǎn)距離傳輸，而轉(zhuǎn)換效率低是目前所面臨的難題；真空電子器件是利用在強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的聚束電子發(fā)射太赫茲波，具有高輸出功率以及寬調(diào)諧范圍的優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室中最常用、最重要的太赫茲源，也是未來(lái)研究重點(diǎn)。

太赫茲?rùn)z測(cè)分為太赫茲光譜檢測(cè)和直接檢測(cè)兩類，前者是對(duì)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，而后者是對(duì)輻射能量進(jìn)行檢測(cè)。太赫茲探測(cè)器的主要原理：被檢測(cè)對(duì)象中的電子會(huì)吸收電磁波，引起電子分布狀態(tài)的變化，捕獲所產(chǎn)生的電信號(hào)，從而達(dá)到檢測(cè)目的。太赫茲技術(shù)憑借著穿透性強(qiáng)、高輸出功率、低光子能量、寬帶寬、波束窄以及指紋譜峰等特性，能夠在雷達(dá)通信、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查、天文物理以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如：太赫茲雷達(dá)與傳統(tǒng)紅外和激光雷達(dá)相比，具有更高的成像分辨率和時(shí)間檢測(cè)精度，超寬帶寬也能使隱形戰(zhàn)機(jī)“顯形”；同時(shí)，強(qiáng)穿透性可以保證在混亂戰(zhàn)場(chǎng)上信息高效、穩(wěn)定的傳達(dá)；低光子能量可確保檢測(cè)對(duì)象不受破壞，適用于無(wú)損檢測(cè)和安檢領(lǐng)域；利用對(duì)極性液體的高敏感度和大多數(shù)生物大分子形成相對(duì)應(yīng)的“指紋峰”等優(yōu)勢(shì)，可確定不同生物組織的差異，從而進(jìn)一步分析病理情況。但生物組織以及空氣中的水分都會(huì)對(duì)太赫茲波傳輸造成很大影響，導(dǎo)致檢測(cè)距離變短、成像模糊，對(duì)太赫茲技術(shù)應(yīng)用有很大的約束。

隨著太赫茲技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域快速發(fā)展，對(duì)太赫茲源提出了高功率、高效率傳輸要求。其中太赫茲真空電子器件在眾多太赫茲源中憑借著高功率可調(diào)控優(yōu)勢(shì)脫穎而出，并成為目前研究主流。在今后，真空電子太赫茲器件會(huì)邁向小型化、高功率、低造價(jià)的應(yīng)用，但該類器件會(huì)受到尺寸共渡效應(yīng)等影響，在邁向更高頻段過(guò)程中材料研制方面有著不小的阻礙。輸能窗作為其中典型的結(jié)構(gòu)功能一體化器件，其結(jié)構(gòu)和尺寸會(huì)受到真空電子器件尺寸結(jié)構(gòu)的約束，自身性能也會(huì)受到窗口材料和裝配加工工藝等因素的制約。下一部分將對(duì)真空電子器件中輸能窗進(jìn)行詳細(xì)介紹。

太赫茲真空器件的重要組成部件——輸能窗

輸能窗的作用及研制要求

太赫茲真空器件是通過(guò)真空中的電子束和電磁波的交互作用產(chǎn)生高頻段的太赫茲波，此類器件的輻射功率可以做到毫瓦級(jí)到兆瓦級(jí)的全面覆蓋。高轉(zhuǎn)換效率和輸出功率等特點(diǎn)，使得太赫茲真空器件在無(wú)損檢測(cè)、遠(yuǎn)距離成像和通信領(lǐng)域有著很好的發(fā)展前景。但當(dāng)前所面臨的主要問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)出合適的太赫茲輻射源以及確保產(chǎn)生的太赫茲波能夠高效率傳輸。如圖 2 所示，行波管主要由電子槍、聚焦系統(tǒng)、輸能裝置、高頻結(jié)構(gòu)以及收集極組成，通過(guò)慢波電路使電子與微波場(chǎng)進(jìn)行能量交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的放大。其中輸能窗位于行波管中電磁波輸入和輸出位置，是行波管內(nèi)部高度真空與管外大氣之間的介質(zhì)窗片，同時(shí)輸能窗與慢波電路之間應(yīng)具有良好的阻抗匹配，來(lái)減少由電磁波反射所引起的振蕩情況。

圖 2 行波管結(jié)構(gòu)示意圖以及輸能窗所處位置

輸能窗介質(zhì)材料選取會(huì)對(duì)器件結(jié)構(gòu)、功率容量和整管性能有很大的影響。如圖 3 所示選用金剛石材料作為行波管輸能窗，一方面金剛石介質(zhì)材料具有良好的匹配性，能確保真空器件中振蕩的電磁波低損耗進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)，與電子束相互作用后放大并輸出太赫茲波；另一方面，它具備優(yōu)異的密封性能，保證真空電子器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)可靠性以及內(nèi)部高度真空性。隨著工作頻率達(dá)到高頻段的太赫茲頻段，輸出窗的特征尺寸變的很小，對(duì)輸出窗材料本身、后續(xù)加工和裝配是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。由于輸能窗所處的特殊位置以及在整個(gè)器件中的關(guān)鍵作用，為保證輸能窗能更好的發(fā)揮應(yīng)有的功能，所選介質(zhì)材料必須具備有以下幾點(diǎn)要求：

圖 3 輸能窗在行波管中的作用

1、高機(jī)械強(qiáng)度和良好的密封性：為保證太赫茲真空器件的真空度，輸能窗必須具備很好的密封性，同時(shí)能夠承擔(dān)真空過(guò)程中的壓強(qiáng)而不產(chǎn)生裂紋。

2、對(duì)太赫茲波段表現(xiàn)出高度“透明”：為提高太赫茲在通過(guò)輸能窗的透射率并減少損耗，需要輸能窗材料有低的介電常數(shù)，在工作頻段有低的介電損耗，以此提升輸能窗與各結(jié)構(gòu)之間的阻抗匹配度，降低由于匹配不佳引起的電磁波反射所造成的行波管內(nèi)出現(xiàn)的寄生振蕩，保證傳輸過(guò)程中信號(hào)的高效傳輸。

3、具有高的熱導(dǎo)率：輸能窗要有良好的散熱性，耐高溫，能夠很好的適應(yīng)溫度、沖擊、壓力等一些環(huán)境條件的變化。

典型輸能窗的發(fā)展

隨著太赫茲行波管的迅猛發(fā)展，對(duì)輸能窗提出了高要求與迫切需求，首先輸能窗材料選取方面是至關(guān)重要的一點(diǎn)。

目前常用的幾種微波輸能窗片有：

藍(lán)寶石(單晶Al2O3)窗片：機(jī)械強(qiáng)度大，加工后表面結(jié)構(gòu)均勻致密，不易產(chǎn)生熔融擊穿效應(yīng)，熔5/19點(diǎn)高工作溫度高；制備成本較低，工藝較為成熟。Nayek 等在 2008 年采用藍(lán)寶石作為 S波段微波窗口介質(zhì)材料，平均功率達(dá)到 25 kW，同時(shí)藍(lán)寶石的無(wú)缺陷表能夠保證其具有高的抗彎強(qiáng)度。在 2020年，徐望炬等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作頻率達(dá)到 94 GHz 時(shí)，藍(lán)寶石輸出窗性能最好。同年，沈景軒等提出了一種基于超硬材料的 W 波段行波管窗口，是以藍(lán)寶石作為電介質(zhì)，兩邊由兩片結(jié)構(gòu)銅板組成的盒型窗，其工作頻段能達(dá)到 94.95 GHz，測(cè)試得到駐波比(VSWR)為 1.0029，以及 3 GHz 的帶寬。之后在 2021 年提出一種在 Ka 波段下應(yīng)用于行波管的低駐波比，寬帶寬的超材料盒型窗。進(jìn)行冷測(cè)發(fā)現(xiàn)，在 VSWR<1.2 下帶寬達(dá)到 31.5 GHz，在 VSWR<1.1 下帶寬達(dá)到了 18 GHz。

圖 4 BeO 與Al2O3材料的熱導(dǎo)率在不同溫度下的變化

氧化鈹窗片：在室溫下 BeO 陶瓷窗片具有較低的介電常數(shù)和介電損耗，在工作波段為X 波段時(shí)，BeO 陶瓷與 Al2O3 相比有更高的輸出功率。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在 2013 年使用BeO 陶瓷作為 220GHz 行波管的輸能窗片，冷測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為，在 200GHz~225GHz 共25GHz 的帶寬上，回波損耗優(yōu)于 20dB，符合行波管的使用需求，而目前在國(guó)內(nèi)沒(méi)有關(guān)于 BeO窗口在太赫茲頻段下應(yīng)用的報(bào)道。如圖4是BeO與 Al2O3材料的熱導(dǎo)率在不同溫度下的關(guān)系。表示的是 BeO 與 Al2O3 的熱導(dǎo)率在不同溫度下的變化趨勢(shì)。左圖可以看出 BeO 陶瓷是低溫高導(dǎo)熱材料（100℃以下），而 Al2O3 材料的熱導(dǎo)率較低。但隨著溫度的升高，兩者的熱導(dǎo)率都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而 Al2O3材料更加穩(wěn)定，這對(duì)在選材時(shí)非常重要。右圖表示兩者在高于 200℃之后的熱導(dǎo)率變化趨勢(shì)，雖然 BeO 陶瓷在高溫下的熱導(dǎo)率與Al2O3材料相比始終較高，但 BeO 陶瓷的下降趨勢(shì)劇烈，不適宜用于太赫茲頻段下輸能窗材料。此外，BeO陶瓷在生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)對(duì)操作人員和環(huán)境造成很大的危害和污染，目前已經(jīng)被許多國(guó)家限制使用。

多晶金剛石(PCD)窗片：金剛石薄膜具有眾多優(yōu)異性能，如：極高硬度、低介電常數(shù)、極低介電損耗、寬光學(xué)透明性和高熱導(dǎo)率，這使得在光學(xué)窗口和行波管的輸能窗方面有著優(yōu)越的應(yīng)用前景。在近十年，中電十二所丁明清等對(duì)多晶金剛石以及復(fù)合多層金剛石薄膜制備太赫茲行波管輸能窗方面進(jìn)行研究，通過(guò)采用超納米晶金剛石(UNCD)與傳統(tǒng) PCD、微晶金剛石(MCD)進(jìn)行復(fù)合生長(zhǎng)出多層復(fù)合金剛石薄膜，對(duì)復(fù)合薄膜的機(jī)械強(qiáng)度和密封性進(jìn)行改性和機(jī)理分析。使的復(fù)合薄膜擁有更高的機(jī)械強(qiáng)度滿足在太赫茲波段下的使用。表 1是 對(duì)傳統(tǒng)藍(lán)寶石、氧化鈹和金剛石輸能窗材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、介電性能以及6 / 197 / 19光學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，金剛石材料具有更高的抗彎強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，同時(shí)具有低的介電常數(shù)和介電損耗值，也具有極寬的光譜透過(guò)范圍，能夠適用于太赫茲輸能窗的應(yīng)用。而藍(lán)寶石和 BeO 材料的機(jī)械強(qiáng)度小，后續(xù)加工過(guò)程中易產(chǎn)生破損現(xiàn)象。在金剛石材料中，多晶金剛石與單晶金剛石相比具有大量的晶界，在輸能窗的應(yīng)用時(shí)不易保證真空器件的密封性，也會(huì)導(dǎo)致材料的介電損耗大大增加。因此，單晶金剛石材料是“太赫茲輸能窗最理想的材料”。

審核編輯：湯梓紅