基于智能设计的现代仿真模型和方法，真空电子工业开启了小批量柔性制造，从而降低生产成本，缩短研发生产周期，使得真空电子器件在民用和军用市场上具有更强的竞争力。
真空电子（VE）技术几十年来一直处于不断发展的态势。近十年来，归功于快速和高精度计算设计软件带来的令人振奋的发展前景，先进的制造能力和高性能材料，真空电子器件（VEDs）日益发展，以满足在射频性能、体积和重量方面崭新的、极其严苛的用户需求。在性能要求变得更加难以满足的同时，产品交付时间也越来越严苛。此外，大多数使用真空电子器件的系统需要数量相对较少的高度专业化的设备。这些现状综合起来给真空电子器件制造商提出了重大挑战，但同时也提供了机遇。
尽管来自固态技术的挑战是残酷的，但借助于合适的CAD软件，创造性地使用新型微加工工具和微加工技术以及适应新型精密检测评估设备，真空电子行业中的优秀工程团队将能遥遥领先于他们的竞争对手。本文将讨论如下两个主题来介绍真空电子的发展前景：1）基于仿真的设计（SBD）方法；2）小批量柔性制造系统（FMS）。
利用SBD方法可以减少实验测试周期。小批量FMS可以将单个技术和设备集成到一个更大的单元(工作单元)中，该单元与中央计算机通信，并由中央计算机控制。真空电子行业可以采用SBD方法，并为小批量FMS创建智能设计，将技术工人从繁琐和费时的生产过程中解放出来，同时也能提升产品质量。这反过来也会降低生产成本，缩短研发生产周期，这将使真空电子器件在民用和军用市场上都更具有竞争力。
基于仿真的设计方法
SBD方法依赖于精确、高效和人性化的具有预测能力的设计工具，诸如过去20多年来在海军研究实验室开发的那些工具。进步通常是通过一系列方法取得的：理论见解上的提高，更精确的模型集成参数和混合代码，比如CHRISTINE和TESLA-Z以及“第一性原理”PIC代码的新功能和新特性，比如NEPTUNE。由此得到的设计工具是基于高度逼真的电子光学系统和注-波互作用模型。它们能够高保真地显示几何和材料属性。最新进展还包括自动优化和容差分析技术，这两种能力对生产制造来说都至关重要。
（1）理论研究进展器件的设计通常是从基于线性理论的缩尺原理开始的。皮尔斯理论是多年来使用的标准理论，该理论将电子注和结构仅用若干个参数来表征：电子注和结构的波数，注-波耦合系数（C-皮尔斯系数）和空间电荷参数Q。皮尔斯理论分析中运用的一个关键假设是，电子注与周期结构场中的单个空间谐波相互作用。放宽这个假设将导致结构场的有效波数发生变化，而有效波数与电子注电流成正比。对于增益对电子注电压高度敏感的器件而言，这种变化可能是十分显著的，可用一个新参数q来表征。上述改变在TESLA-Z 和 NEPTUNE代码中是隐含的，但在CHRISTINE等从其他代码或测量中导入阻抗数据的螺旋线行波管代码中是不包含的。
考虑和避免可能的不稳定性，是VED设计的一个重要方面。例如，折叠/曲折波导型和具有交替定向槽的耦合腔型器件，在频率接近3π/2相位前易受到返波激励。这是因为结构的实际周期是两个间隔，而不是一个。因此，在3π/2处，两条波色散曲线相交，分别为一正一负两个群速。在由轴向铅笔形电子注驱动的完美结构中，两个波不相互作用，返波也不会被激励。然而，在有制造误差或失调的电路中，前向波和返波是耦合的，增加了自激的可能性。此外，即使结构是完全对称的，具有非零横向范围的电子注或以横轴为中心的多电子注也能激励返波。文献给出了在这样的结构中出现返波的一般条件。
（2）几何结构驱动设计工具在过去十年中，科学家在描述各类真空电子器件清晰物理原理方面取得了卓越进展。基本思想可以描述为一种“结构驱动的自洽模型”的方法。为提高模拟精度，已经发展出了两大学派。第一种学派是利用数值粒子模拟（PIC）直接求解麦克斯韦-洛伦兹方程，这种方法可以处理具有任意几何结构形状的器件，虽然计算量大，但结果可以非常精确。第二种学派采用多时间尺度分析法，基于利用特定器件的多时空尺度，这些建模技术都是精确并且高效的，而实际几何是通过参数化模型来处理（注：多为频域稳态模型，可以实现快速计算）。经济且高效的计算硬件的发展使这两种方法都取得了重大进展。新的设计代码利用GPU和基于多处理器的计算机，能够准确、快速地对器件进行三维建模。例如，大信号代码TESLA-Z和PIC代码NEPTUNE以及注-光学代码MICHELLE的并行版本都具有这些新功能。
（3）TESLA-Z
TESLA-Z的建模方法是基于将结构中的三维电磁场表示为一个广义的端口网络，这些端口可以是实际的输入/输出端口，也可以是互作用间隙。这种网络的频率相关特性(响应)可以用广义阻抗矩阵Z来描述，其中Z表示施加的电流和在间隙/端口处的感应电压之间的线性关系。通过上述定义，利用三维计算电磁软件，例如HFSS和Analyst，阻抗矩阵Z可以很容易地计算得到，随后经CHRISTINE-CC和TESLA-Z的大信号算法调用来模拟单注和多注器件中的注-波互作用。
图1 TESLA仿真与试验分析
（4） NEPTUNE
NEPTUNE采用的PIC模拟方法是基于注-波互作用区域内电磁场的直接时空离散化，并与电子注在相空间分布的离散宏观粒子相耦合，在时域内自洽求解。NEPTUNE直接基于带有器件参数的三维几何模型来预测其性能，这些参数指定了材料特性、外部磁场、电子注特性和RF输入波形。NEPTUNE的一个关键特性是它能够准确预测实际器件运行条件下振荡的开始，这使得它在确定放大器稳定性方面特别有用。NEPTUNE采用自定义的基于物理的建模算法（由嵌入边界(cut-cell)离散化方法推导而来）来实现高仿真精度，并通过在GPU或多核CPU计算硬件上的本地执行来获得高仿真性能。为支持交互式器件设计，NEPTUNE提供了场演化和粒子运动的运行时可视化，以演示模拟期间的互作用，并提供了一个灵活的高级脚本接口来指定复杂的模拟需求。特别是器件的几何，可以使用NEPTUNE强大的构造实体几何（CSG）模块来进行直接定义，也可以通过从三维CAD模型曲面网格导入来间接定义。最后，NEPTUNE与MICHELLE仿真代码交互，以支持端到端的器件仿真。
（5）电子光学代码
MICHELLE是一种稳态收敛的时域静电PIC代码，并将现代有限元技术与改进的物理模型相结合。该代码使用共形网格，包括结构化和非结构化网格体系，并且可以使用这两种网格类型的混合形式灵活建模。用户可以使用主流商业软件（如AutoCAD，Pro/ENGINEER 和 SolidWorks）来输入描述几何的信息。使用ANSYS/ICEM-CFD、NRL Capstone网格生成器等工具对模拟域进行网格划分。MICHELLE使用复杂的粒子发射模型，包括带有热电子注表示的热电子空间电荷限制和温度限制发射、热场致发射、光电发射以及支持真电子和反向散射电子的二次发射模型。此外，MICHELLE支持Windows、Linux和大规模并行集群。MICHELLE模型支持介电张量体积特性，并带有一个计算全三维自生磁场的模型。MICHELLE代码也被完整应用到了美国国家仪器公司的Analyst-MP多物理场仿真软件中。
NEPTUNE采用的PIC模拟方法是基于注-波互作用区域内电磁场的直接时空离散化，并与电子注在相空间分布的离散宏观粒子相耦合，在时域内自洽求解。NEPTUNE直接基于带有器件参数的三维几何模型来预测其性能，这些参数指定了材料特性、外部磁场、电子注特性和RF输入波形。NEPTUNE的一个关键特性是它能够准确预测实际器件运行条件下振荡的开始，这使得它在确定放大器稳定性方面特别有用。NEPTUNE采用自定义的基于物理的建模算法（由嵌入边界(cut-cell)离散化方法推导而来）来实现高仿真精度，并通过在GPU或多核CPU计算硬件上的本地执行来获得高仿真性能。为支持交互式器件设计，NEPTUNE提供了场演化和粒子运动的运行时可视化，以演示模拟期间的互作用，并提供了一个灵活的高级脚本接口来指定复杂的模拟需求。特别是器件的几何，可以使用NEPTUNE强大的构造实体几何（CSG）模块来进行直接定义，也可以通过从三维CAD模型曲面网格导入来间接定义。最后，NEPTUNE与MICHELLE仿真代码交互，以支持端到端的器件仿真。
图2 MICHELLE电子光学三维模型和仿真
（6）优化
通过使用自动优化工具，无需进行多个昂贵的硬件测试周期，即可获得新性能。此外，还存在复杂的算法来确定与特定设计相关的最大允许制造公差。这可以指导选择合适的制造工艺来实现这些公差，这对降低成本来说非常重要。该能力正在研发中，并已显示出了可喜的效果。
优化是使用Galaxy Simulation Builder (GSB)完成的，这是一个用于创建和优化仿真流水线的框架。GSB在大规模并行计算机集群上运行，并采用按顺序执行的仿真流水线：Capstone创建电子枪的几何和网格，转化后的网格脚本，MICHELLE PIC求解器进行求解，最后有一个脚本来评估仿真质量。整个仿真流水线使用Dakota优化库进行优化，该库集成到GSB中，包含局部和全局优化算法。
虽然先进设计代码和优化方法的使用通常是为了优化器件性能，但同样的工具除了可以优化器件性能外，同时也可减少为达到预期结果而必须更改的设计特征的数量。在先进优化方法以及强大计算能力硬件诞生之前，设计工程师们通常会采用一种设计方法，该方法将产生最佳性能预测，并具有最高的一次通过设计成功率，但这通常是以许多新的或显著修改的设计特征和特定的零部件几何为代价的。现今的优化方法和计算能力支持方便地评估数千个可变参数方案，因此性能目标通常可以通过一种设计方法实现，该方法将大量几何变化应用于少量零部件，而同时保持其他关键零部件的几何尺寸固定或进行最小修改。通过在较宽范围内为某些低成本、易于修改或交货期短的零部件的几何选择优化变量，同时固定或最小化其他高成本、难以修改或交货期长的零部件几何的优化范围，从而缩短从设计到制造的过渡期，大大简化供应链物流以及减少对制造工具和装配方法的更改，最终可获得高性能设计。所有上述优点使得高性能器件更有可能在并行生产中与其他产品共享共同的零部件、子装配、制造工具和技术，这有利于降低产品成本和加快交付进度，同时也可有效降低风险。
小批量生产柔性制造系统（FMS）能够小批量高效地生产零件，并能快速改变不同零件的制造顺序。这种灵活性使制造商能够迅速适应客户对所有类型产品需求的变化。这种类型的系统可以用来处理一系列小批量生产的快速运行，一个紧接着一个，本质上将会创建一个大批量的生产过程。模块化工具保证了较短的转换时间。视觉系统可以根据大小、形状和质地/反射率来编程识别许多不同的部分。例如，可以利用自动视觉检测系统对枪体的圆柱形元件和聚焦元件与球轴进行精确的三维对准。
由于现代机器人技术和辅助自动化设备的进步，多种类型的零件可以在同一个自动化工作单元中运行，而无需担心另一个程序的剩余零件会进入错误的装配过程。现已有许多不同类型的机器人几何可用。最近文献论述了螺旋线行波管的FMS。
（1）制造工具
有若干种方法可用于微加工VED的各种特性。以下几种微加工技术对VE尤其具有革命性的影响：CNC铣削和切割，采用小直径硬质合金铣刀和高速旋转主轴；LIGA，光刻技术、金属电铸技术和模塑技术的结合，用于制造垂直长宽比大、水平特征尺寸相对较小的金属结构；DRIE深反应离子刻蚀，在等离子体环境中通过物理和化学过程的组合，在材料中刻蚀出结构的长宽比；激光加工，一种利用激光脉冲使材料局部区域汽化的加工技术；EDM电火花加工，使用一个小型可控电火花使金属或其他导电材料局部汽化。此外，最近3D打印技术的进步为制造VED创造了新的机会。
（2） 3D打印
3D打印包含一系列高度多样化的增材制造技术。3D打印的灵活性允许更高级别的组件集成和可配置性，与小批量FMS互补。例如，电路连同波导耦合器、对准装置、安装硬件和附加的无源器件可以作为一个部件整体构建，而不是组装在一起。到目前为止，关于专门为VED所用的3D打印的研究包括: 直接打印固体铜波导结构，重点是铜粉原料的无氧高导电品质；采用类似LIGA的工艺，塑料光聚合物3D打印成型的电铸铜电路；塑料电路镀铜，用于原型设计和低占空比应用。这些研究结果表明，3D打印对于在频率高达100 GHz以上的毫米波范围内的VED是具有实用性的。
图3 微细加工和3D打印慢波电路
（3）测量和检验
上面提到的制造工具的进步，使得制造几年前无法实现的几何形状和表面光洁度的零件成为可能。为了最大限度地增加零部件的设计改进机会，可以采用先进的检测工具和技术，通过减少完整VE设计中子装配的约定层次，进一步减少设计变量的数量。多年来，VE制造业显著受益于取代传统“接触”法检测的光学检测技术。先进的激光扫描和三维X射线/CT扫描技术，将使VE的下一步设计简化和变量消减成为可能。扫描激光测量允许在模拟工作条件下（如高温和真空）检测关键几何结构，这大大降低了成品/室温和设计/工作温度下几何结构尺寸变化的不确定性。在模拟工作条件下，对关键几何结构的早期检测和评估允许在最终组装前进行补偿，以最大限度地减少单元间的性能变化，并确保最大可能的设计裕度。三维X射线/CT扫描可使以前难以或不可能检测的关键特征得到相当精确的检测。传统设计方法通常规定在更高级别的装配步骤之前需检查关键几何结构。当传统检测技术在下一级装配中无法检测这些关键几何结构时，将采取额外的设计考虑，以尽量减少关键几何结构中可能产生的变化。将三维X射线/CT扫描技术作为制造序列的标准部分，可以穿透材料非常精确地验证关键内部几何结构，进而降低装配水平。降低装配水平进一步有助于减少总制造变量和关键参数不确定性，减少性能的变化，同时提高制造产量。
自动化技术在检测和表征组件和材料方面的最新进展可以应用于VED设计，以确保组装后的器件能按设计运行，并以尽可能低的成本获得最大的产量。例如，基于三维光学显微镜的成像、剖面分析和自动尺寸分析已经很容易实现。光学显微镜现在也可以自动进行表面分析，以量化颗粒大小、孔隙率、粗糙度和复合夹杂分数。另一个备受关注的技术是三维X射线计算机断层扫描（微CT扫描），它可以很容易地实现边长仅为4.5mm的立体像素（新机器达到0.5mm）。这使得可以观察和测量毫米波钎焊结构的内部，其细节水平和材料辨别能力远远优于传统的X射线。介电性能的测量也得到了改进，包括对行波管夹持杆的一维自动扫描和涂层的二维图谱，可以给出介电常数和损耗的可靠定量结果。
将这些新的自动化检测方法与人工智能和机器学习相结合是非常有前途的应用。在材料科学和化学研究中运用的定量结构-性质关系(QSPR)方法应适用于VE设计。对于给定的表征技术，必须设计合适的数值特征“描述符”(即尺寸、公差、材料属性)，并与合适的实验或基于仿真的性能“训练”指标相关联，同时结合自适应学习算法(例如神经网络)。QSPR方法可以发现隐藏的趋势和相关性，提供可靠的接受/驳回指导，为制造过程提供反馈，并允许使用更简单、成本更低的诊断方法。
VED与固态器件的比较
功率放大器的最新技术继续得益于固态和真空技术的共同进步。图4给出了当代放大器可用峰值饱和输出功率随频率变化的曲线，图中将单个GaN MMIC（微波单片集成电路）的峰值饱和输出功率与单个行波管器件和由行波管集成的MPM进行比较，这里重点是商业化产品和工业级的原型器件。可以看到，>50 dBm的输出功率水平代表了毫米波频率范围内商业器件性能的前沿，近期交付的接近100 GHz及以上的真空器件达到了50dBm以上的水平，特别是MPM适用于小体积、轻重量、大功率、低成本（SWaP-efficient）等高性价比应用平台。
图4 TWT典型输出功率
（郑玲丽译，郝保良校）
作者：Baruch Levush 博士是美国海军实验室电子科学技术部主要负责人。原文为2019年国际真空电子学会议（IVEC2019）的大会报告，从智能化高精度仿真模型和小批量柔性制造两方面系统评价了真空电子的设计与制造的最新进展。