太赫茲波處于電磁波譜中電子學與光子學之間的空隙區域，具有不同于低頻微波和高頻光學的獨特屬性，在無線通信、生物醫學、公共安全等軍事和民用領域具有廣泛的應用前景。太赫茲技術重點是對太赫茲波的產生和傳輸進行研究，當前所面臨問題是在不產生額外傳輸損耗下保證高效率傳輸太赫茲信號。太赫茲行波管輸能窗是典型的結構功能一體化器件，主要起著行波管內外信號傳遞的作用，同時還要保證器件內部的真空度以及對太赫茲波表現出高度“透明”。

本文通過對近年來文獻總結整理，綜述了國內外太赫茲行波管的應用和研究進展，揭示了未來發展大功率、高效率和寬頻帶傳輸是實現太赫茲真空器件實際應用的重點，這將對輸能窗材料本身以及超精密加工提出了巨大挑戰。縱觀近幾年國內外輸能窗材料的發展歷程，筆者們認為，與傳統輸能窗材料相比，單晶金剛石強度高，導熱好，微波損耗小，沒有晶界，氣密性好，是最理想的太赫茲行波管輸能窗口材料，也是目前研究發展的主流趨勢。

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 區域內（波長為 3~30μm），其位置正好位于電磁譜中宏觀電子學向微觀光子學過渡區域（如圖 1 所示），具有對非極性物質強穿透性、光子能量低、特征性等特殊的物理屬性，在國防軍工、生物醫學、無線通信以及公共安全等方面有廣泛的應用，引起了國內外學者的高度重視。

圖 1 THz 頻段的特殊位置以及該頻段的應用

太赫茲技術是對太赫茲波的產生、傳輸和控制進行研究，其中包含太赫茲源和太赫茲檢測。太赫茲源是產生太赫茲波的裝置，主要有半導體太赫茲輻射源、光學太赫茲輻射源、真空電子太赫茲器件等。不同的太赫茲源裝置所產生的太赫茲波方式不同，如半導體太赫茲源通過半導體中量子阱超晶格的電子能級躍遷產生太赫茲波，具有較小尺寸、寬的光譜覆蓋范圍和高輸出功率等特點，但也存在光束質量差、寬帶窄以及不能在室溫下工作等缺點；光學太赫茲輻射源是將光學信號變頻轉換為太赫茲頻段的技術，主要優點是通過光纖電纜可實現太赫茲信號的低損耗遠距離傳輸，而轉換效率低是目前所面臨的難題；真空電子器件是利用在強磁場中運動的聚束電子發射太赫茲波，具有高輸出功率以及寬調諧范圍的優點，是國內外實驗室中最常用、最重要的太赫茲源，也是未來研究重點。

太赫茲檢測分為太赫茲光譜檢測和直接檢測兩類，前者是對產生的脈沖信號進行檢測，而后者是對輻射能量進行檢測。太赫茲探測器的主要原理：被檢測對象中的電子會吸收電磁波，引起電子分布狀態的變化，捕獲所產生的電信號，從而達到檢測目的。太赫茲技術憑借著穿透性強、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，能夠在雷達通信、無損檢測、安全檢查、天文物理以及生物醫學等領域廣泛應用。如：太赫茲雷達與傳統紅外和激光雷達相比，具有更高的成像分辨率和時間檢測精度，超寬帶寬也能使隱形戰機“顯形”；同時，強穿透性可以保證在混亂戰場上信息高效、穩定的傳達；低光子能量可確保檢測對象不受破壞，適用于無損檢測和安檢領域；利用對極性液體的高敏感度和大多數生物大分子形成相對應的“指紋峰”等優勢，可確定不同生物組織的差異，從而進一步分析病理情況。但生物組織以及空氣中的水分都會對太赫茲波傳輸造成很大影響，導致檢測距離變短、成像模糊，對太赫茲技術應用有很大的約束。

隨著太赫茲技術在各個領域快速發展，對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控優勢脫穎而出，并成為目前研究主流。在今后，真空電子太赫茲器件會邁向小型化、高功率、低造價的應用，但該類器件會受到尺寸共渡效應等影響，在邁向更高頻段過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構功能一體化器件，其結構和尺寸會受到真空電子器件尺寸結構的約束，自身性能也會受到窗口材料和裝配加工工藝等因素的制約。下一部分將對真空電子器件中輸能窗進行詳細介紹。

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真空中的電子束和電磁波的交互作用產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到兆瓦級的全面覆蓋。高轉換效率和輸出功率等特點，使得太赫茲真空器件在無損檢測、遠距離成像和通信領域有著很好的發展前景。但當前所面臨的主要問題是如何設計出合適的太赫茲輻射源以及確保產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、輸能裝置、高頻結構以及收集極組成，通過慢波電路使電子與微波場進行能量交換，實現對微波信號的放大。其中輸能窗位于行波管中電磁波輸入和輸出位置，是行波管內部高度真空與管外大氣之間的介質窗片，同時輸能窗與慢波電路之間應具有良好的阻抗匹配，來減少由電磁波反射所引起的振蕩情況。

圖 2 行波管結構示意圖以及輸能窗所處位置

輸能窗介質材料選取會對器件結構、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入慢波結構，與電子束相互作用后放大并輸出太赫茲波；另一方面，它具備優異的密封性能，保證真空電子器件內部結構可靠性以及內部高度真空性。隨著工作頻率達到高頻段的太赫茲頻段，輸出窗的特征尺寸變的很小，對輸出窗材料本身、后續加工和裝配是一個很大的挑戰。由于輸能窗所處的特殊位置以及在整個器件中的關鍵作用，為保證輸能窗能更好的發揮應有的功能，所選介質材料必須具備有以下幾點要求：

圖 3 輸能窗在行波管中的作用

1、高機械強度和良好的密封性：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，同時能夠承擔真空過程中的壓強而不產生裂紋。

2、對太赫茲波段表現出高度“透明”：為提高太赫茲在通過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，在工作頻段有低的介電損耗，以此提升輸能窗與各結構之間的阻抗匹配度，降低由于匹配不佳引起的電磁波反射所造成的行波管內出現的寄生振蕩，保證傳輸過程中信號的高效傳輸。

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

典型輸能窗的發展

隨著太赫茲行波管的迅猛發展，對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重要的一點。

目前常用的幾種微波輸能窗片有：

藍寶石(單晶Al2O3)窗片：機械強度大，加工后表面結構均勻致密，不易產生熔融擊穿效應，熔5/19點高工作溫度高；制備成本較低，工藝較為成熟。Nayek 等在 2008 年采用藍寶石作為 S波段微波窗口介質材料，平均功率達到 25 kW，同時藍寶石的無缺陷表能夠保證其具有高的抗彎強度。在 2020年，徐望炬等研究發現，當工作頻率達到 94 GHz 時，藍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，是以藍寶石作為電介質，兩邊由兩片結構銅板組成的盒型窗，其工作頻段能達到 94.95 GHz，測試得到駐波比(VSWR)為 1.0029，以及 3 GHz 的帶寬。之后在 2021 年提出一種在 Ka 波段下應用于行波管的低駐波比，寬帶寬的超材料盒型窗。進行冷測發現，在 VSWR<1.2 下帶寬達到 31.5 GHz，在 VSWR<1.1 下帶寬達到了 18 GHz。

圖 4 BeO 與Al2O3材料的熱導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和介電損耗，在工作波段為X 波段時，BeO 陶瓷與 Al2O3 相比有更高的輸出功率。美國海軍實驗室在 2013 年使用BeO 陶瓷作為 220GHz 行波管的輸能窗片，冷測實驗的結果為，在 200GHz~225GHz 共25GHz 的帶寬上，回波損耗優于 20dB，符合行波管的使用需求，而目前在國內沒有關于 BeO窗口在太赫茲頻段下應用的報道。如圖4是BeO與 Al2O3材料的熱導率在不同溫度下的關系。表示的是 BeO 與 Al2O3 的熱導率在不同溫度下的變化趨勢。左圖可以看出 BeO 陶瓷是低溫高導熱材料（100℃以下），而 Al2O3 材料的熱導率較低。但隨著溫度的升高，兩者的熱導率都呈現出下降趨勢，而 Al2O3材料更加穩定，這對在選材時非常重要。右圖表示兩者在高于 200℃之后的熱導率變化趨勢，雖然 BeO 陶瓷在高溫下的熱導率與Al2O3材料相比始終較高，但 BeO 陶瓷的下降趨勢劇烈，不適宜用于太赫茲頻段下輸能窗材料。此外，BeO陶瓷在生產過程中也會對操作人員和環境造成很大的危害和污染，目前已經被許多國家限制使用。

多晶金剛石(PCD)窗片：金剛石薄膜具有眾多優異性能，如：極高硬度、低介電常數、極低介電損耗、寬光學透明性和高熱導率，這使得在光學窗口和行波管的輸能窗方面有著優越的應用前景。在近十年，中電十二所丁明清等對多晶金剛石以及復合多層金剛石薄膜制備太赫茲行波管輸能窗方面進行研究，通過采用超納米晶金剛石(UNCD)與傳統 PCD、微晶金剛石(MCD)進行復合生長出多層復合金剛石薄膜，對復合薄膜的機械強度和密封性進行改性和機理分析。使的復合薄膜擁有更高的機械強度滿足在太赫茲波段下的使用。表 1是 對傳統藍寶石、氧化鈹和金剛石輸能窗材料的力學性能、熱學性能、介電性能以及6 / 197 / 19光學性能進行對比。對比發現，金剛石材料具有更高的抗彎強度和熱導率，同時具有低的介電常數和介電損耗值，也具有極寬的光譜透過范圍，能夠適用于太赫茲輸能窗的應用。而藍寶石和 BeO 材料的機械強度小，后續加工過程中易產生破損現象。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，在輸能窗的應用時不易保證真空器件的密封性，也會導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