微波功率放大器发展概述
时间：2020-09-23 11:48:02
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[导读]微波功率放大器主要分为真空和固态两种形式。本文将对两种器件以及它们竞争与融合的产物——微波功率模块（MPM）的发展情况作一介绍与分析，以充分了解国际先进水平，也对促进国内技术的发展有所助益。
摘要
微波功率放大器主要分为真空和固态两种形式。基于真空器件的功率放大器，曾在军事装备的发展史上扮演过重要角色，而且由于其功率与效率的优势，现在仍广泛应用于雷达、通信、电子对抗等领域。后随着GaAs晶体管的问世，固态器件开始在低频段替代真空管，尤其是随着GaN，SiC等新材料的应用，固态器件的竞争力已大幅提高。本文将对两种器件以及它们竞争与融合的产物——微波功率模块（MPM）的发展情况作一介绍与分析，以充分了解国际先进水平，也对促进国内技术的发展有所助益。
1. 真空放大器件
跟固态器件相比，真空器件的主要优点是工作频率高、频带宽、功率大、效率高，主要缺点是体积和质量均较大。真空器件主要包括行波管、磁控管和速调管，它们具有各自的优势，应用于不同的领域。其中，行波管主要优势为频带宽，速调管主要优势为功率大，磁控管主要优势为效率高。行波管应用最为广泛，因此本文主要以行波管为例介绍真空器件。
公开报道显示，美军作战平台中真空器件被大量使用，是现役电子战、雷达和通信的主要功率器件。新开发的高频段、小型化行波管及功率模块进一步推动高性能装备的不断出现。典型应用包括车载防空反导系统、地基远程预警与情报系统、机载火控系统、无人机通信系统、电子战系统、空间以及卫星通信系统等。下面介绍当前正在研究和应用的行波管的几种重要技术。
行波管有源组阵的形式分为单元放大式和子阵放大式两种。与无源相控阵相比，其单个行波管的功率要求低，器件的可靠性和寿命相对较高。同时各通道相对独立，某通道出现故障不会影响到其他通道，因此系统的可靠性高。而且整个辐射阵面可以分多个区域独立工作，实现系统多目标、多任务的能力。与固态有源相控阵相比，作用距离更远，威力更大，且配套的冷却车和电源车相对短小精悍，系统机动性高，战场生存能力强。由于其全金属、陶瓷密封结构，在面对高功率微波武器时的生存能力更强。在相同的阵面功率时所需的单元数将少1个数量级，因此成本会大幅降低。与单脉冲雷达相比，其作用距离、分辨率、多目标、多任务、寿命及任务可靠性等指标会更好。目前，国内正在开展基于行波管的Ku波段稀布阵低栅瓣技术研究，以期在阵元间距30 mm的条件下实现−20 dB的栅瓣。
另外，与行波管有源组阵相配套的小型化大功率环行器研究进展迅速。采用不等尺寸单元组成的非周期排列方式、径向等间距排列的非周期环形阵和子阵非规则排列等新型阵面技术能够很好解决大单元间距引起的栅瓣问题，这些共同保障行波管有源组阵的推进。
2. 固态放大器件
固态器件，也就是半导体电子器件。与TWTA类似，SSPA通常需配置集成电源，其不同在于，SSPA使用场效应晶体管作为射频功率放大的主要器件，工作电压低，实现也更加容易。由于其单体输出功率较低，为了实现高功率放大，SSPA需要将许多功率晶体管并联放置，从而实现输出功率的合成。固态器件具有体积小、噪声低、稳定性好的优点，缺点是应用频带低、单体输出功率小、效率低 。
近年来，在微波发射系统中普遍应用多个微波单片集成电路（MMIC）进行功率合成以获得更高的输出功率。而采用GaN材料研制的MMIC单片功率密度高、电流小、效率高。国内已采用Ku频段GaN材料单片和一款波导合成网络研制出一种功率放大器，并通过多个该放大器进行功率合成，得到了更大的宽带输出功率，在军事及民用领域均可适用。另提出了一种基于等效电路参数多偏差统计模型的微波GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）功率放大器的设计方法，并利用统计建模方法验证了统计模型。采用此模型进行Ku波段GaN HEMT功率放大器设计，具有较高的漏极效率，模拟结果在统计上与测量结果一致。
3. 微波功率模块
如前所述，电真空器件单管功率大于固态器件，可以应用的频段也更高，但真空器件需要高压电源，体积和质量较大。而固态功率器件由于半导体本身材料限制，效率较低，而且不适用于高频率。在此情况下，微波功率模块（MPM）应运而生。MPM作为一种新型的微波功率器件，其最大的特点在于充分利用了真空器件和固态器件的优点，并避免了其各自的缺点，从而获得高增益、低噪声、大功率、高效率等二者单独使用无法获得的优良性能。其集成电源的设计使用户不用直接面对高压，提高了安全性。
MPM将两种器件的优点有机结合，具备了大功率、高效率、小体积和低噪声等优点，可用于通信、电子对抗以及民用领域。对于机载和星载等应用平台，由于其对放大器的体积、质量等要求严格，MPM也将具有很好的前景。另外，由于MPM应用非常方便，传统的TWTA也有被MPM替代的趋势。
MPM谐波抑制均控制在−11～4 dBc之间，杂波控制在−60～40 dBc之间。MPM效率主要取决于功率器件和集成电源的效率，目前国外集成电源效率一直处于领先水平，MPM产品效率均在30%左右。在小型化上，各厂家MPM尺寸上严格把控，总体控制较为成熟，相对集中在2～3 kg之间。而在尺寸上由于散热、电磁兼容设计等不同，体积大小不一，部分产品达到了MPM小型化的极致，如L3公司推出的Ka频段50 W产品，其型号为M1871，如图4所示，注册商标采用NanoMPM，尺寸为127 mm×76 mm×25 mm，且质量仅为700 g。
实现MPM的小型化，首先要实现各组件自身的小型化。而行波管作为MPM的末级输出，影响最为关键。L3公司推出的产品M1870（Ku波段）和M1871（Ka波段）。它们的功率分别为40 W和50 W，尺寸分别为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。集成电源也是一个重要部分。信息工程大学在2016年研制的厚度不足12 mm、效率达到94%左右的用于MPM的EPC组件，如图8所示，在超薄设计上达到国内先进水平，为MPM的小型化设计和阵列化应用奠定了基础。
MPM模块化的设计为大批量生产提供了便利，可使成本进一步降低，在模块化基础上生产的系列产品可根据不同场合要求进行设计，从而满足不同需求。如针对雷达应用的工作频段13.5～18 GHz功率110 W产品、针对数据通信应用的工作频段14.5～15.5 GHz功率100 W产品，均采用了统一的2 250 mm×232 mm×35 mm封装，系列产品标准化程度较高。另外，针对电子作战、卫星通信传输等宽频带高功率的要求，也在进行相应的标准化设计。
随着各类信息系统和器件不断朝着微型化和集成化的方向发展，双通道MPM、双模MPM和T/R型MPM等将成为研究重点。双通道MPM可同时实现两路干扰信号输出，也具备空间合成能力，功率密度较传统MPM提高近1倍。当一路行波管出现故障时，MPM仍可在功率减半的条件下工作，提高MPM的冗余度。双模MPM同时实现准连续波和脉冲两种工作模式，实现新型的双模干扰体制，为小型化、高性价比的雷达干扰一体化奠定基础。T/R型MPM使系统的天线可以收发共孔径，突破行波管收发功能，解决环型器频段限制和损耗问题。
MPM作为一种全新的功率器件，将真空和固态器件进行了有效结合，其应用已经覆盖了军事、民用等各个领域。针对应用环境的不同，MPM也可通过合理选择器件的性能参数，以满足不同的需求。如满足数据传输和通信的应用，则提高线性度；满足星载和机载系统的应用，则增强效率；满足电子对抗系统的应用，则实现高增益。随着技术的发展，MPM在无人机等平台上也将表现出更为重要的作用。
4. 总 结
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。通过对商业化产品和工业级的原型器件的统计，得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，如图9所示。图中将单个GaN MMIC的峰值饱和输出功率与单个行波管器件和集成的MPM进行比较，可以看到，大于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。特别是MPM适用于小体积、轻质量、大功率、低成本（SWaP-efficient）等高性价比应用平台。
5. 结 论
本文首先分别介绍了真空和固态放大器件的组成和特点，然后介绍了它们的发展历史、当前的技术研究状况和未来发展趋势。而后引出了两种器件相结合的产物——微波功率模块，并重点介绍了微波功率模块的产生过程和当前国内外的发展状况，并对未来的发展趋势进行了分析和预测。最后总结了当前三种器件的功率水平。
总之，真空和固态器件各有特点，应根据具体应用场合和工作频段，做最优选用。显然，在高频段上真空器件优势明显，是实现毫米波、THz功率的有效途径，因此需求巨大，应继续拓展。而在低频段上由于GaN等新材料的应用，SSPA占据着统治的地位，未来仍然会是研究的热点。MPM则集成了二者的优点，一方面解决了真空器件“加电难”的问题，另一方面又解决了固态器件在高频段难以达到高功率的问题，因此必然会成为各个领域研究应用的重点。我国的MPM也要在充分学习国外先进技术的基础上，坚持小型化、标准化，并向高频和宽带方向发展，不断改善薄弱环节，增强工艺水平，实现产品的自主可控。（参考文献略）
作者：李建兵, 林鹏飞, 郝保良, 孙建邦 来源：强激光与粒子束
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