问题概述：

背景

人类进入信息社会，对通信容量和通信速率的需求快速持续增长，传统频段微波（6-42GHz）频谱资源日趋紧张，带宽容量有限，难以满足未来高数据速率大带宽基站的回传需求，进一步提高工作频段是必然趋势，未来5到10年内5G通信的频谱将拓展到E波段和W波段，以推动实现100Gbps的传输链路。

E波段频率范围60-90GHz，其中包含71-76GHz和81-86GHz两个完整的子频段，拥有10GHz的收发间隔（TR间隔），以及总共5GHz的可调制带宽，已被国际电信联盟（ITU）确定为通信频段，这是目前民用通信领域发布的最高传送频段，也是迄今为止ITU一次性发放的频谱资源中信道间隔最大的一次，如图1所示。因此E波段具有频带资源丰富、传输容量大、频谱使用成本低等一系列优势，华为等国内外通信技术领先企业已开展了一系列研究工作，10Gbps的E波段链路已经得到验证。W波段是另一个重点研究频段，在92-114.25GHz之间有一些不连续的频谱块可以利用。

图1 ITU建议的微波通信频段

然而在毫米波频段，雨天或湿度高的环境对信号衰减大，对于80GHz的信号，25mm/h的大雨量会导致约10dB/km的衰减，50mm/h的暴雨会导致约20dB/km的衰减，因此为保证相距数千米的站点之间的数据交换，发射功率必须达到数十瓦量级，美国联邦通信委员会（FCC）将E波段无线回传功率确定为35dBm。目前，在E、W波段最先进的GaN晶体管在3GHz的带宽下能够提供最高2W的饱和功率，远远低于需求。因此，研制E/W波段大功率放大器对于未来的民用和军用高速无线通信具有非常重要的意义。

行波管是一种在通信系统中使用历史悠久的传统放大器，和固态器件相比，具有功率大、效率高的先天优势，是在E/W波段实现数十瓦量级输出的最可行的器件。根据5G无线通信技术的发展，应针对E/W波段开展大功率行波管研制，分为三个产品：

（1）71-76GHz行波管

线性输出功率：50W；

效率：≥30%；

增益：≥37dB；

寿命：≥50000h；

MTBF：≥100000h；

工作比：连续波

（2）81-86GHz行波管

线性输出功率：50W；

效率：≥30%；

增益：≥35dB；

寿命：≥50000h；

MTBF：≥100000h；

工作比：连续波

（3）91-96GHz行波管

线性输出功率：40W；

效率：≥30%；

增益：≥30dB；

寿命：≥50000h；

MTBF：≥100000h；

工作比：连续波

一、 前沿进展

由于E/W波段行波管在未来无线通信中的重要意义，几年来各国纷纷开展相关研制工作。2016年美国L3公司研制出通信用高效率E波段毫米波功率模块，如图2所示。采用折叠波导慢波结构，工作电压20.8kV，工作电流220mA，连续波工作，饱和功率大于100W(最大225W)，效率大于20%（最高50%），采用了LTI公司的预失真线性化器，线性功率输出达到50W，如图3所示。

图2 L3公司研制的E波段MPM 图3 功率特性曲线

InnoSys公司也研制了E波段连续波行波管，采用微加工工艺制作新型耦合腔注波互作用结构，工作电压16kV，电流90mA，其无切断单段互作用电路实现增益25dB，饱和输出功率90W，线性段输出可达50W，如图4、图5所示。

图4 小信号增益 图5 输出功率随输入功率变化曲线

欧盟开展了“基于行波管的高数据率、高分配效率、高频谱效率和高能量效率的W波段无线网络”计划（TWEETHER），验证首个W波段（92-95GHz）的点对多点系统，该计划采用Thales公司研发的W波段折叠波导行波管，具有约40W饱和功率，电子注电压16kV,电流70mA，饱和增益超过40dB，如图6、图7所示。

图6 基于W波段行波管的无线通信 图7 AM/AM转换曲线

国内中国电科12所已开展了前期研究工作，2017年研制出E波段行波管样管，在40%工作比条件下，在5GHz带宽内饱和输出功率大于70 W，饱和增益大于35dB，非线性相移小于45°，具备了一定技术基础。

二、 关键难点、挑战

根据5G无线通信这一应用场景的特定需求，E/W波段行波管在保障功率、增益、带宽等主要技术指标的前提下，必须具备高线性度、高效率、长寿命、高可靠性等性能，并且可进行批量制造，这些要求是目前技术水平面临的挑战。

三、 重要意义

（简要介绍本问题取得突破后，对本领域或相关其他交叉领域科技发展的重大影响和引领作用，以及可能产生的重大科技、经济和社会效益）

W/E波段行波管难题一旦取得突破，行波管的一致性和可靠性问题将得到解决，真正实现高功率、高效率、线性化、高可靠、长寿命、批量制造，真正实现从实验室到5G通信实用的转化，从而保障高频谱效率、高数据速率、大带宽、大容量、低成本通信的实现。对于短毫米波乃至太赫兹行波管在军事电子系统、通信系统、生物、医疗、天文探测的大规模应用，也具有巨大的推动作用。