摘要

 

微波功率放大器主要分為真空和固態(tài)兩種形式?；谡婵掌骷墓β史糯笃鳎谲娛卵b備的發(fā)展史上扮演過(guò)重要角色，而且由于其功率與效率的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在仍廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。后隨著 GaAs 晶體管的問(wèn)世，固態(tài)器件開(kāi)始在低頻段替代真空管，尤其是隨著 GaN，SiC 等新材料的應(yīng)用，固態(tài)器件的競(jìng)爭(zhēng)力已大幅提高。本文將對(duì)兩種器件以及它們競(jìng)爭(zhēng)與融合的產(chǎn)物——微波功率模塊（MPM）的發(fā)展情況作一介紹與分析，以充分了解國(guó)際先進(jìn)水平，也對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展有所助益。

1.真空放大器件

 

跟固態(tài)器件相比，真空器件的主要優(yōu)點(diǎn)是工作頻率高、頻帶寬、功率大、效率高，主要缺點(diǎn)是體積和質(zhì)量均較大。真空器件主要包括行波管、磁控管和速調(diào)管，它們具有各自的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。其中，行波管主要優(yōu)勢(shì)為頻帶寬，速調(diào)管主要優(yōu)勢(shì)為功率大，磁控管主要優(yōu)勢(shì)為效率高。行波管應(yīng)用最為廣泛，因此本文主要以行波管為例介紹真空器件。

 

1.1   歷史發(fā)展

 

真空電子器件的發(fā)展可追溯到二戰(zhàn)期間。1963 年，TWTA 技術(shù)在設(shè)計(jì)變革方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，提高了射頻輸出的功率和效率，封裝也更加緊湊。1973 年，歐洲首個(gè)行波管放大器研制成功。然而，到了 20 世紀(jì) 70 年代中期，半導(dǎo)體器件異軍突起，真空器件投入大幅減少，其發(fā)展遭遇極大困難。直到 21 世紀(jì)初，美國(guó)三軍特設(shè)委員會(huì)詳細(xì)討論了功率器件的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展，指出真空器件和固態(tài)器件之間的平衡投資戰(zhàn)略。2015 年，美國(guó)先進(jìn)計(jì)劃研究局 DARPA 分別啟動(dòng)了 INVEST，HAVOC 計(jì)劃，支持真空功率器件的發(fā)展和不斷增長(zhǎng)的軍事系統(tǒng)需要，特別是毫米波及 THz 行波管。當(dāng)前真空器件已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

 

1.2   研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

 

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)階段行波管主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。一是高頻率、寬帶、高效率的特點(diǎn)，可有效減小系統(tǒng)的體積、重量、功耗和熱耗，在星載、彈載、機(jī)載等平臺(tái)上適應(yīng)性更強(qiáng)，從而在軍事應(yīng)用上優(yōu)勢(shì)突出。二是耐高溫特性，使行波管的功率和相位隨著溫度的變化波動(dòng)微小，對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境控制要求大大降低。三是抗強(qiáng)電磁干擾和攻擊特性，使其在高功率微波武器和微波彈的對(duì)抗中顯示出堅(jiān)實(shí)的生存能力。四是壽命大幅提高，統(tǒng)計(jì)研究顯示，大功率行波管使用壽命普遍大于 5 000 h，中小功率產(chǎn)品壽命大于 10 000 h，達(dá)到武器全壽命周期。圖 1 為 2000 年前產(chǎn)品的平均首次故障時(shí)間（MTTF）統(tǒng)計(jì)，可以看出各類系統(tǒng)中真空器件的穩(wěn)定性都有提升，空間行波管的 MTTF 更是達(dá)到數(shù)百萬(wàn) h 量級(jí)，表現(xiàn)出極高的可靠性。

 

圖 1 真空功率器件 MTTF 概況

 

公開(kāi)報(bào)道顯示，美軍作戰(zhàn)平臺(tái)中真空器件被大量使用，是現(xiàn)役電子戰(zhàn)、雷達(dá)和通信的主要功率器件。新開(kāi)發(fā)的高頻段、小型化行波管及功率模塊進(jìn)一步推動(dòng)高性能裝備的不斷出現(xiàn)。典型應(yīng)用包括車載防空反導(dǎo)系統(tǒng)、地基遠(yuǎn)程預(yù)警與情報(bào)系統(tǒng)、機(jī)載火控系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、空間以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。下面介紹當(dāng)前正在研究和應(yīng)用的行波管的幾種重要技術(shù)。

 

1.2.1   行波管有源組陣技術(shù)

 

國(guó)外近幾年主要在更高頻段發(fā)展一系列的小型化行波管，頻段覆蓋 X，Ku，K，Ka，140 GHz 等，并不斷在新技術(shù)上獲得突破。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)近 10 多年的努力，行波管在保持大功率和高效率的前提下，體積減小了 1 個(gè)數(shù)量級(jí)，為有源組陣技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。

 

行波管有源組陣的形式分為單元放大式和子陣放大式兩種。與無(wú)源相控陣相比，其單個(gè)行波管的功率要求低，器件的可靠性和壽命相對(duì)較高。同時(shí)各通道相對(duì)獨(dú)立，某通道出現(xiàn)故障不會(huì)影響到其他通道，因此系統(tǒng)的可靠性高。而且整個(gè)輻射陣面可以分多個(gè)區(qū)域獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多目標(biāo)、多任務(wù)的能力。與固態(tài)有源相控陣相比，作用距離更遠(yuǎn)，威力更大，且配套的冷卻車和電源車相對(duì)短小精悍，系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性高，戰(zhàn)場(chǎng)生存能力強(qiáng)。由于其全金屬、陶瓷密封結(jié)構(gòu)，在面對(duì)高功率微波武器時(shí)的生存能力更強(qiáng)。在相同的陣面功率時(shí)所需的單元數(shù)將少 1 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此成本會(huì)大幅降低。與單脈沖雷達(dá)相比，其作用距離、分辨率、多目標(biāo)、多任務(wù)、壽命及任務(wù)可靠性等指標(biāo)會(huì)更好。目前，國(guó)內(nèi)正在開(kāi)展基于行波管的 Ku 波段稀布陣低柵瓣技術(shù)研究，以期在陣元間距 30 mm 的條件下實(shí)現(xiàn)−20 dB 的柵瓣。

 

另外，與行波管有源組陣相配套的小型化大功率環(huán)行器研究進(jìn)展迅速。采用不等尺寸單元組成的非周期排列方式、徑向等間距排列的非周期環(huán)形陣和子陣非規(guī)則排列等新型陣面技術(shù)能夠很好解決大單元間距引起的柵瓣問(wèn)題，這些共同保障行波管有源組陣的推進(jìn)。

 

1.2.2   毫米波和 THz 行波管

 

5G 移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì) Ka 到 W 波段的毫米波功率放大器提出了需求。未來(lái) 5G 需要寬帶接入一個(gè)地區(qū)，而又不能采用光纖的地方，則只能選擇毫米波波段。THz 波由于具有頻率高、寬帶寬、波束窄等特點(diǎn)，使得其在雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。但隨著頻率的升高，對(duì)器件的加工工藝要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，微機(jī)械（MEMS）微細(xì)加工工藝的全面引入改善了傳統(tǒng)工藝，使得真空器件工作頻率進(jìn)入到毫米波和 THz 頻段，現(xiàn)有器件最高已經(jīng)達(dá)到 1 THz。短毫米波行波管近年來(lái)漸趨成熟，并初步形成了相關(guān)的系列產(chǎn)品，表 1 為國(guó)內(nèi)外典型毫米波行波管產(chǎn)品。諾格公司在 2013 年成功研制出了 220 GHz 的折疊波導(dǎo)行波管功率放大器，國(guó)內(nèi)中電第十二研究所以及中國(guó)工程物理研究院都開(kāi)展了 220 GHz 行波管的研究工作，諾格公司在 2016 年還首次將行波管工作頻率提高到 1 THz。表 2 為一些 THz 行波管典型研究的測(cè)試結(jié)果。

 

 

 

1.3   發(fā)展趨勢(shì)

 

1.3.1   更高頻段

 

毫無(wú)疑問(wèn)，工作頻段高是 TWTA 的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)所在。在高頻段，固態(tài)功率放大器（SSPA）的輸出功率和效率均遠(yuǎn)低于 TWTA，因此高頻化是 TWTA 的必然發(fā)展趨勢(shì)。MEMS 微細(xì)加工工藝促使毫米波和 THz 頻段的研究推進(jìn)?？臻g行波管隨著 Ku 波段的趨于飽和以及高清電視、多媒體通信等市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)使得 Ka 波段的應(yīng)用逐漸增多，而且有往 Q/V 頻段遷移的趨勢(shì)，已逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。而 THz 頻段的通信具有極高傳輸速率，隨著波導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，在外太空探測(cè)中 TWTA 的應(yīng)用潛力很大。

 

1.3.2   更高的效率

 

應(yīng)用以來(lái)，各個(gè)波段行波管的效率均在不斷提高。目前 L3 公司制造的 Ku 波段 88125H，效率可達(dá) 73%，為當(dāng)前公開(kāi)報(bào)道的最高值。目前電源效率已經(jīng)很高，普遍優(yōu)于 90%，進(jìn)一步提高效率將是一種研發(fā)挑戰(zhàn)，因此主要靠提高行波管的效率以實(shí)現(xiàn)總效率值的增加。通過(guò)優(yōu)化行波管螺旋節(jié)距分布就是一種提升效率的有效方法。

 

1.3.3   小型化行波管

 

TWTA 小型化技術(shù)在過(guò)去幾十年中已有了顯著的改進(jìn)，而且行波管有源組陣等技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著行波管小型化不斷向前發(fā)展。另外 TWTA 的一個(gè)潛在的變化是增加 Mini-TWT 的使用。Mini-TWT 是傳統(tǒng) TWT 的小版本，是微波功率模塊的基礎(chǔ)，雖無(wú)法達(dá)到高射頻輸出功率，但在減小體積的同時(shí)也提高了效率，尤其在衛(wèi)星通信等領(lǐng)域影響重大。

 

2.  固態(tài)放大器件

 

固態(tài)器件，也就是半導(dǎo)體電子器件。與 TWTA 類似，SSPA 通常需配置集成電源，其不同在于，SSPA 使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為射頻功率放大的主要器件，工作電壓低，實(shí)現(xiàn)也更加容易。由于其單體輸出功率較低，為了實(shí)現(xiàn)高功率放大，SSPA 需要將許多功率晶體管并聯(lián)放置，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的合成。固態(tài)器件具有體積小、噪聲低、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是應(yīng)用頻帶低、單體輸出功率小、效率低。

 

2.1   歷史發(fā)展

 

二戰(zhàn)以來(lái)，信息技術(shù)取得了飛速發(fā)展，發(fā)起并推動(dòng)了第三次科技革命，深刻地改變了人們的生活和學(xué)習(xí)方式，也改變了世界格局和軍事斗爭(zhēng)形式。微電子技術(shù)是信息技術(shù)的核心，而半導(dǎo)體材料是微電子技術(shù)的基石。受半導(dǎo)體材料本身的限制，固態(tài)功率器件效率比較低，在較高頻率下輸出功率非常小，并且隨著頻率和帶寬的增加，其輸出功率電平顯著下降，器件成本也大幅度上升。為滿足無(wú)線通訊、雷達(dá)、航空航天等對(duì)器件高頻率、寬帶寬、大功率和高效率的要求，20 世紀(jì) 90 年代起，以 GaN 和 SiC 為代表的寬禁帶新型半導(dǎo)體材料深刻地改變了固態(tài)功率放大器的性能，并引起了人們的關(guān)注和研究。

 

2.2   研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

 

2.2.1   應(yīng)用現(xiàn)狀

 

公開(kāi)信息顯示，各家的產(chǎn)品主要還是集中在 L，S 和 C 波段。就空間應(yīng)用 SSPA 來(lái)說(shuō)，2016 年，馬薩諸塞州航空航天技術(shù)研究所的研究表明，SSPA 實(shí)際上可用于高達(dá) Ku 波段的頻率，且該波段中 SSPAs 的比例從波音公司之前研究中的大約 1%增加到 6%，但更高波段則很少有應(yīng)用了。一些領(lǐng)先的制造商的產(chǎn)品也可以大致說(shuō)明 SSPA 的應(yīng)用情況。NEC 公司的 SSPA，在 L 波段輸出功率和標(biāo)稱增益為 55 W 和 61 dB，S 波段為 24 W 和 70 dB，C 波段則為 20 W 和 86 dB。Airbus Defense and Space 公司開(kāi)發(fā)的 SSPA，L 波段和 S 波段器件的輸出功率為 15 W，效率為 31%，標(biāo)稱增益為 67 dB，C 波段的輸出功率為 20 W，效率為 37%，標(biāo)稱增益為 70 dB。

 

2.2.2   GaN 產(chǎn)品

 

GaN 材料作為寬禁帶半導(dǎo)體的重要代表，以優(yōu)越的性能優(yōu)勢(shì)，在眾多半導(dǎo)體材料中脫穎而出，引起了廣泛的關(guān)注和研究。如表 3 所示，GaN 相比其它材料具有更優(yōu)越的特性：大的禁帶寬度，是 GaN 材料大功率應(yīng)用的根本所在；優(yōu)越的電子遷移率，決定了器件的最高工作頻率和放大增益；高的飽和電子漂移速度，提高了頻率特性，使其適于高頻器件的應(yīng)用；高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，有利于器件應(yīng)用于大功率信號(hào)，也有利于器件尺寸的減??；良好的熱導(dǎo)率，可降低溝道溫度，使得器件的工作性能穩(wěn)定；低的介電常數(shù)，這可使器件尺寸增大以提高器件功率，也可提高器件頻率特性；高的 Baliga 優(yōu)值，使其特別適合于高頻寬帶大功率領(lǐng)域應(yīng)用。

 

 

近年來(lái)，在微波發(fā)射系統(tǒng)中普遍應(yīng)用多個(gè)微波單片集成電路（MMIC）進(jìn)行功率合成以獲得更高的輸出功率。而采用 GaN 材料研制的 MMIC 單片功率密度高、電流小、效率高。國(guó)內(nèi)已采用 Ku 頻段 GaN 材料單片和一款波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)研制出一種功率放大器，并通過(guò)多個(gè)該放大器進(jìn)行功率合成，得到了更大的寬帶輸出功率，在軍事及民用領(lǐng)域均可適用。另提出了一種基于等效電路參數(shù)多偏差統(tǒng)計(jì)模型的微波 GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）功率放大器的設(shè)計(jì)方法，并利用統(tǒng)計(jì)建模方法驗(yàn)證了統(tǒng)計(jì)模型。采用此模型進(jìn)行 Ku 波段 GaN HEMT 功率放大器設(shè)計(jì)，具有較高的漏極效率，模擬結(jié)果在統(tǒng)計(jì)上與測(cè)量結(jié)果一致。

 

2.3   發(fā)展趨勢(shì)

 

GaN 和 SiC 等新材料優(yōu)勢(shì)明顯，它們使得固態(tài)器件的功率、頻率和帶寬都得到了極大的提高。SiC 的材料成本較高，這也成為阻礙其發(fā)展的一個(gè)因素，但應(yīng)用前景廣闊。GaN 技術(shù)正快速發(fā)展并逐步走向應(yīng)用，未來(lái)還將繼續(xù)向高功率和高效率改進(jìn)，包括基于金剛石襯底提高散熱能力和最大功率密度，采用新型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)改善晶體管電流崩塌效應(yīng)以提高輸出功率，采用堆疊結(jié)構(gòu)提高功放電路電壓擺幅和輸出功率等。此外，它還將繼續(xù)向更高頻段突破，包括等比例縮小技術(shù)提升特征頻率，克服擊穿電壓降低、短溝道效應(yīng)、漏延遲、寄生 RC 延遲惡化等問(wèn)題。更高集成度增強(qiáng)技術(shù)，電滲析法（ED）工藝技術(shù)及支持片上系統(tǒng) SoC 技術(shù)等也是其發(fā)展方向。

 

3.   微波功率模塊

 

如前所述，電真空器件單管功率大于固態(tài)器件，可以應(yīng)用的頻段也更高，但真空器件需要高壓電源，體積和質(zhì)量較大。而固態(tài)功率器件由于半導(dǎo)體本身材料限制，效率較低，而且不適用于高頻率。在此情況下，微波功率模塊（MPM）應(yīng)運(yùn)而生。MPM 作為一種新型的微波功率器件，其最大的特點(diǎn)在于充分利用了真空器件和固態(tài)器件的優(yōu)點(diǎn)，并避免了其各自的缺點(diǎn)，從而獲得高增益、低噪聲、大功率、高效率等二者單獨(dú)使用無(wú)法獲得的優(yōu)良性能。其集成電源的設(shè)計(jì)使用戶不用直接面對(duì)高壓，提高了安全性。

 

3.1   MPM 簡(jiǎn)介

 

MPM 將固態(tài)功放、小型化行波管及微型集成電源全部封裝在一個(gè)小空間內(nèi)，創(chuàng)造性地把固態(tài)和真空兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)單獨(dú)的固態(tài)和真空器件。如圖 2 所示，固態(tài)放大器作為前級(jí)，為整個(gè)放大鏈提供低噪聲和相當(dāng)?shù)脑鲆?，行波管為末?jí)功放，提供大功率輸出，集成電源提供 MPM 所需的各級(jí)電壓，并為模塊提供控制和保護(hù)功能。

 

圖 2 MPM 的組成

 

MPM 將兩種器件的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，具備了大功率、高效率、小體積和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，可用于通信、電子對(duì)抗以及民用領(lǐng)域。對(duì)于機(jī)載和星載等應(yīng)用平臺(tái)，由于其對(duì)放大器的體積、質(zhì)量等要求嚴(yán)格，MPM 也將具有很好的前景。另外，由于 MPM 應(yīng)用非常方便，傳統(tǒng)的 TWTA 也有被 MPM 替代的趨勢(shì)。

 

3.2   MPM 研究現(xiàn)狀

 

3.2.1   國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

 

MPM 的概念自 20 世紀(jì) 80 年代末首次提出以來(lái)，相關(guān)技術(shù)已較為成熟。目前多家國(guó)外公司如 L3，Thales，Triton，CPI，Selex ES，MITEQ，dBcontrol，e2v 等，均推出了自己的 MPM 產(chǎn)品。如圖 3 所示，可以看出不同品牌及型號(hào)的 MPM 已涵蓋了 2～45 GHz 的范圍，最高已達(dá)到 W 波段和 G 波段，連續(xù)波輸出功率最高達(dá) 250 W，并呈現(xiàn)出低頻模塊高功率化、低功率模塊高頻化的特點(diǎn)。

 

圖 3 當(dāng)前 MPM 頻率功率分布

 

MPM 諧波抑制均控制在−11～4 dBc 之間，雜波控制在−60～40 dBc 之間。MPM 效率主要取決于功率器件和集成電源的效率，目前國(guó)外集成電源效率一直處于領(lǐng)先水平，MPM 產(chǎn)品效率均在 30%左右。在小型化上，各廠家 MPM 尺寸上嚴(yán)格把控，總體控制較為成熟，相對(duì)集中在 2～3 kg 之間。而在尺寸上由于散熱、電磁兼容設(shè)計(jì)等不同，體積大小不一，部分產(chǎn)品達(dá)到了 MPM 小型化的極致，如 L3 公司推出的 Ka 頻段 50 W 產(chǎn)品，其型號(hào)為 M1871，如圖 4 所示，注冊(cè)商標(biāo)采用 NanoMPM，尺寸為 127 mm×76 mm×25 mm，且質(zhì)量?jī)H為 700 g。

 

圖 4  M1871 MPM

 

3.2.2   國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

 

在我國(guó)，對(duì)于 MPM 的研究起步比較晚，直到 2001 年以后才正式開(kāi)展 MPM 的研究。通過(guò)近 20 年的努力，在典型頻段內(nèi)，國(guó)內(nèi)也成功研制了功率量級(jí)和尺寸與國(guó)外相當(dāng)?shù)?MPM 產(chǎn)品。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)研發(fā)的 W 波段 MPM，實(shí)現(xiàn)連續(xù)波 50 W 的輸出功率，增益 47 dB，帶寬 6 GHz，尺寸 370 mm×180 mm×45 mm，模塊總效率超過(guò) 10%，均衡放大組件能提供 16.5 dB 以上的增益，均衡量達(dá)到 7 dB。測(cè)試結(jié)果顯示，在 6 GHz 帶寬內(nèi)輸出功率大于 50 W，整管效率為 15.7%，集成電源能提供最高 17 kV 的高壓，該模塊滿足了雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等系統(tǒng)對(duì) W 波段寬帶大功率輸出的要求。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所開(kāi)發(fā)的 4～18 GHz 50 W MPM，如圖 5 所示，效率達(dá) 32%，但尺寸僅為 140 mm×86 mm×20 mm，其所用的小型化行波管尺寸為 135 mm×25 mm×16 mm，質(zhì)量 135 g。中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院西安分院正在研制 Ku 頻段 500 W 脈沖雙管 MPM，結(jié)構(gòu)如圖 6 所示，兩支固態(tài)放大器、行波管和集成電源安裝在一個(gè)盒體內(nèi)，其中固態(tài)放大器安裝于行波管上方，通過(guò)螺釘緊固在機(jī)殼上，固態(tài)放大器和行波管之間通過(guò)半鋼電纜進(jìn)行互聯(lián)，尺寸為 310 mm×248 mm×60 mm，重量＜7 kg。

 

圖 5  中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所 4～18 GHz 50 W MPM

 

圖 6  Ku 頻段 500 W 脈沖雙管 MPM

 

3.3   MPM 發(fā)展趨勢(shì)

 

3.3.1   高頻率與寬頻帶

 

向更高的頻率推進(jìn)，是 MPM 的發(fā)展方向。目前其工作頻段已經(jīng)達(dá)到了毫米波波段，我們將毫米波波段的微波功率模塊又稱之為毫米波功率模塊（Millimeter Wave Power Module，MMPM）。L3 公司推出 W 頻段 100 W 的 MPM—M2839，其工作于 92～96 GHz，重量為 6.3 kg，尺寸 375 mm×213 mm×83 mm。該公司又在 W 頻段 MPM 的基礎(chǔ)上，推出了 E 波段 MPM，該產(chǎn)品按工作頻率分為 71～76 GHz 和 81～86 GHz 的兩個(gè)型號(hào)，尺寸都是 376 mm×26.5 mm×7.6 mm。而滿足帶寬的要求是最初研制 MPM 的目的之一，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已推出了多款工作頻帶 4.5～18 GHz 的 MPM 產(chǎn)品，可以在 2 個(gè)倍頻程的帶寬內(nèi)提供 250 W 的最大輸出功率。Thales 公司推出針對(duì)電子對(duì)抗應(yīng)用的 MPM 產(chǎn)品，如圖 7 所示工作頻率 4.5～18 GHz 的 200 W MPM 產(chǎn)品 TH24512，以及工作頻率 18～40 GHz 的 65 W 電子對(duì)抗用 MPM。

 

圖 7  TH24512 MPM

 

3.3.2   小型化

 

實(shí)現(xiàn) MPM 的小型化，首先要實(shí)現(xiàn)各組件自身的小型化。而行波管作為 MPM 的末級(jí)輸出，影響最為關(guān)鍵。L3 公司推出的產(chǎn)品 M1870（Ku 波段）和 M1871（Ka 波段）。它們的功率分別為 40 W 和 50 W，尺寸分別為 140 mm×77 mm×25 mm、重 700 g 和 168 mm×104 mm×25 mm、重 1.13 kg，代表了 MPM 小型化的最高水平。集成電源也是一個(gè)重要部分。信息工程大學(xué)在 2016 年研制的厚度不足 12 mm、效率達(dá)到 94%左右的用于 MPM 的 EPC 組件，如圖 8 所示，在超薄設(shè)計(jì)上達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，為 MPM 的小型化設(shè)計(jì)和陣列化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

 

圖 8  信息工程大學(xué)的超薄 EPC 組件

 

3.3.3   標(biāo)準(zhǔn)化

 

MPM 模塊化的設(shè)計(jì)為大批量生產(chǎn)提供了便利，可使成本進(jìn)一步降低，在模塊化基礎(chǔ)上生產(chǎn)的系列產(chǎn)品可根據(jù)不同場(chǎng)合要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而滿足不同需求。如針對(duì)雷達(dá)應(yīng)用的工作頻段 13.5～18 GHz 功率 110 W 產(chǎn)品、針對(duì)數(shù)據(jù)通信應(yīng)用的工作頻段 14.5～15.5 GHz 功率 100 W 產(chǎn)品，均采用了統(tǒng)一的 2 250 mm×232 mm×35 mm 封裝，系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度較高。另外，針對(duì)電子作戰(zhàn)、衛(wèi)星通信傳輸?shù)葘掝l帶高功率的要求，也在進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

 

3.3.4   新型 MPM

 

隨著各類信息系統(tǒng)和器件不斷朝著微型化和集成化的方向發(fā)展，雙通道 MPM、雙模 MPM 和 T/R 型 MPM 等將成為研究重點(diǎn)。雙通道 MPM 可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路干擾信號(hào)輸出，也具備空間合成能力，功率密度較傳統(tǒng) MPM 提高近 1 倍。當(dāng)一路行波管出現(xiàn)故障時(shí)，MPM 仍可在功率減半的條件下工作，提高 MPM 的冗余度。雙模 MPM 同時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)波和脈沖兩種工作模式，實(shí)現(xiàn)新型的雙模干擾體制，為小型化、高性價(jià)比的雷達(dá)干擾一體化奠定基礎(chǔ)。T/R 型 MPM 使系統(tǒng)的天線可以收發(fā)共孔徑，突破行波管收發(fā)功能，解決環(huán)型器頻段限制和損耗問(wèn)題。

 

MPM 作為一種全新的功率器件，將真空和固態(tài)器件進(jìn)行了有效結(jié)合，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了軍事、民用等各個(gè)領(lǐng)域。針對(duì)應(yīng)用環(huán)境的不同，MPM 也可通過(guò)合理選擇器件的性能參數(shù)，以滿足不同的需求。如滿足數(shù)據(jù)傳輸和通信的應(yīng)用，則提高線性度；滿足星載和機(jī)載系統(tǒng)的應(yīng)用，則增強(qiáng)效率；滿足電子對(duì)抗系統(tǒng)的應(yīng)用，則實(shí)現(xiàn)高增益。隨著技術(shù)的發(fā)展，MPM 在無(wú)人機(jī)等平臺(tái)上也將表現(xiàn)出更為重要的作用。

 

4.   總結(jié)

 

功率放大器的最新技術(shù)繼續(xù)得益于固態(tài)和真空技術(shù)的共同進(jìn)步。通過(guò)對(duì)商業(yè)化產(chǎn)品和工業(yè)級(jí)的原型器件的統(tǒng)計(jì)，得出了當(dāng)代放大器可用峰值飽和輸出功率隨頻率變化的曲線，如圖 9 所示。圖中將單個(gè) GaN MMIC 的峰值飽和輸出功率與單個(gè)行波管器件和集成的 MPM 進(jìn)行比較，可以看到，大于 50 dBm 的輸出功率水平代表了毫米波頻率范圍內(nèi)商業(yè)器件性能的前沿。特別是 MPM 適用于小體積、輕質(zhì)量、大功率、低成本（SWaP-efficient）等高性價(jià)比應(yīng)用平臺(tái)。

 

圖 9 真空、固態(tài)及 MPM 最新飽和輸出功率隨頻率變化圖

 

5.   結(jié)論

 

本文首先分別介紹了真空和固態(tài)放大器件的組成和特點(diǎn)，然后介紹了它們的發(fā)展歷史、當(dāng)前的技術(shù)研究狀況和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。而后引出了兩種器件相結(jié)合的產(chǎn)物——微波功率模塊，并重點(diǎn)介紹了微波功率模塊的產(chǎn)生過(guò)程和當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。最后總結(jié)了當(dāng)前三種器件的功率水平。

 

總之，真空和固態(tài)器件各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合和工作頻段，做最優(yōu)選用。顯然，在高頻段上真空器件優(yōu)勢(shì)明顯，是實(shí)現(xiàn)毫米波、THz 功率的有效途徑，因此需求巨大，應(yīng)繼續(xù)拓展。而在低頻段上由于 GaN 等新材料的應(yīng)用，SSPA 占據(jù)著統(tǒng)治的地位，未來(lái)仍然會(huì)是研究的熱點(diǎn)。MPM 則集成了二者的優(yōu)點(diǎn)，一方面解決了真空器件“加電難”的問(wèn)題，另一方面又解決了固態(tài)器件在高頻段難以達(dá)到高功率的問(wèn)題，因此必然會(huì)成為各個(gè)領(lǐng)域研究應(yīng)用的重點(diǎn)。我國(guó)的 MPM 也要在充分學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持小型化、標(biāo)準(zhǔn)化，并向高頻和寬帶方向發(fā)展，不斷改善薄弱環(huán)節(jié)，增強(qiáng)工藝水平，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自主可控。