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微波功率放大器發展概述
閱讀：2941 發布時間：2021-3-23
微波功率放大器主要分為真空和固態兩種形式。基于真空器件的功率放大器，曾在軍事裝備的發展*扮演過重要角色，而且由于其功率與效率的優勢，現在仍廣泛應用于雷達、通信、電子對抗等領域。后隨著 GaAs 晶體管的問世，固態器件開始在低頻段替代真空管，尤其是隨著 GaN，SiC 等新材料的應用，固態器件的競爭力已大幅提高。本文將對兩種器件以及它們競爭與融合的產物——微波功率模塊（MPM）的發展情況作一介紹與分析，以充分了解 水平，也對促進國內技術的發展有所助益。
1. 真空放大器件
跟固態器件相比，真空器件的主要優點是工作頻率高、頻帶寬、功率大、效率高，主要缺點是體積和質量均較大。真空器件主要包括行波管、磁控管和速調管，它們具有各自的優勢，應用于不同的領域。其中，行波管主要優勢為頻帶寬，速調管主要優勢為功率大，磁控管主要優勢為效率高。行波管應用較為廣泛，因此本文主要以行波管為例介紹真空器件。
1.1 歷史發展
真空電子器件的發展可追溯到二戰期間。1963 年，TWTA 技術在設計變革方面取得了實質性進展，提高了射頻輸出的功率和效率，封裝也更加緊湊。1973 年，歐洲先行波管放大器研制成功。然而，到了 20 世紀 70 年代中期，半導體器件異軍突起，真空器件投入大幅減少，其發展遭遇困難。直到 21 世紀初，美國三軍特設委員會詳細討論了功率器件的歷史、現狀和發展，指出真空器件和固態器件之間的平衡投資戰略。2015 年，美國先進計劃研究局 DARPA 分別啟動了 INVEST，HAVOC 計劃，支持真空功率器件的發展和不斷增長的軍事系統需要，特別是毫米波及 THz 行波管。當前真空器件已取得長足進步，在雷達、通信、電子戰等系統中應用廣泛。
1.2 研究與應用現狀
隨著技術的不斷進步，現階段行波管主要呈現以下特點。一是高頻率、寬帶、高效率的特點，可有效減小系統的體積、重量、功耗和熱耗，在星載、彈載、機載等平臺上適應性更強，從而在軍事應用上優勢突出。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微小，對系統的環境控制要求大大降低。三是抗強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抗中顯示出堅實的生存能力。四是壽命大幅提高，統計研究顯示，大功率行波管使用壽命普遍大于 5 000 h，中小功率產品壽命大于 10 000 h，達到武器全壽命周期。圖 1 為 2000 年前產品的平均*故障時間（MTTF）統計，可以看出各類系統中真空器件的穩定性都有提升，空間行波管的 MTTF 更是達到數百萬 h 量級，表現出*的可靠性。
圖 1 真空功率器件 MTTF 概況
公開報道顯示，美軍作戰平臺中真空器件被大量使用，是現役電子戰、雷達和通信的主要功率器件。新開發的高頻段、小型化行波管及功率模塊進一步推動高性能裝備的不斷出現。典型應用包括車載防空反導系統、地基遠程預警與情報系統、機載火控系統、無人機通信系統、電子戰系統、空間以及衛星通信系統等。下面介紹當前正在研究和應用的行波管的幾種重要技術。
1.2.1 行波管有源組陣技術
國外近幾年主要在更高頻段發展一系列的小型化行波管，頻段覆蓋 X，Ku，K，Ka，140 GHz 等，并不斷在新技術上獲得突破。國內經過近 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 個數量級，為有源組陣技術奠定了良好的基礎。
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。與無源相控陣相比，其單個行波管的功率要求低，器件的可靠性和壽命相對較高。同時各通道相對獨立，某通道出現故障不會影響到其他通道，因此系統的可靠性高。而且整個輻射陣面可以分多個區域獨立工作，實現系統多目標、多任務的能力。與固態有源相控陣相比，作用距離更遠，威力更大，且配套的冷卻車和電源車相對短小精悍，系統機動性高，戰場生存能力強。由于其全金屬、陶瓷密封結構，在面對高功率微波武器時的生存能力更強。在相同的陣面功率時所需的單元數將少 1 個數量級，因此成本會大幅降低。與單脈沖雷達相比，其作用距離、分辨率、多目標、多任務、壽命及任務可靠性等指標會更好。目前，國內正在開展基于行波管的 Ku 波段稀布陣低柵瓣技術研究，以期在陣元間距 30 mm 的條件下實現−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行器研究進展迅速。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形陣和子陣非規則排列等新型陣面技術能夠很好解決大單元間距引起的柵瓣問題，這些共同保障行波管有源組陣的推進。
1.2.2 毫米波和 THz 行波管
5G 移動通信技術的發展，對 Ka 到 W 波段的毫米波功率放大器提出了需求。未來 5G 需要寬帶接入一個地區，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，使得其在雷達探測領域具有重大的應用潛力。但隨著頻率的升高，對器件的加工工藝要求也越來越高。近年來，微機械（MEMS）微細加工工藝的全面引入改善了傳統工藝，使得真空器件工作頻率進入到毫米波和 THz 頻段，現有器件 高已經達到 1 THz。短毫米波行波管近年來漸趨成熟，并初步形成了相關的系列產品，表 1 為國內外典型毫米波行波管產品。諾格公司在 2013 年成功研制出了 220 GHz 的折疊波導行波管功率放大器，國內中電第十二研究所以及中國工程物理研究院都開展了 220 GHz 行波管的研究工作，諾格公司在 2016 年還*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試結果。
1.3 發展趨勢
1.3.1 更高頻段
毫無疑問，工作頻段高是 TWTA 的優勢所在。在高頻段，固態功率放大器（SSPA）的輸出功率和效率均遠低于 TWTA，因此高頻化是 TWTA 的必然發展趨勢。MEMS 微細加工工藝促使毫米波和 THz 頻段的研究推進。空間行波管隨著 Ku 波段的趨于飽和以及高清電視、多媒體通信等市場需求的驅動使得 Ka 波段的應用逐漸增多，而且有往 Q/V 頻段遷移的趨勢，已逐漸成為新的研究熱點。而 THz 頻段的通信具有*傳輸速率，隨著波導技術的進步，在外太空探測中 TWTA 的應用潛力很大。
1.3.2 更高的效率
應用以來，各個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 73%，為當前公開報道的高值。目前電源效率已經很高，普遍優于 90%，進一步提高效率將是一種研發挑戰，因此主要靠提高行波管的效率以實現總效率值的增加。通過優化行波管螺旋節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 小型化技術在過去幾十年中已有了顯著的改進，而且行波管有源組陣等技術的發展推動著行波管小型化不斷向前發展。另外 TWTA 的一個潛在的變化是增加 Mini-TWT 的使用。Mini-TWT 是傳統 TWT 的小版本，是微波功率模塊的基礎，雖無法達到高射頻輸出功率，但在減小體積的同時也提高了效率，尤其在衛星通信等領域影響重大。
2. 固態放大器件
固態器件，也就是半導體電子器件。與 TWTA 類似，SSPA 通常需配置集成電源，其不同在于，SSPA 使用場效應晶體管作為射頻功率放大的主要器件，工作電壓低，實現也更加容易。由于其單體輸出功率較低，為了實現高功率放大，SSPA 需要將許多功率晶體管并聯放置，從而實現輸出功率的合成。固態器件具有體積小、噪聲低、穩定性好的優點，缺點是應用頻帶低、單體輸出功率小、效率低。
2.1 歷史發展
二戰以來，信息技術取得了飛速發展，發起并推動了第三次科技革命，深刻地改變了人們的生活和學習方式，也改變了世界格局和軍事斗爭形式。微電子技術是信息技術的核心，而半導體材料是微電子技術的基石。受半導體材料本身的限制，固態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。為滿足無線通訊、雷達、航空航天等對器件高頻率、寬帶寬、大功率和高效率的要求，20 世紀 90 年代起，以 GaN 和 SiC 為代表的寬禁帶新型半導體材料深刻地改變了固態功率放大器的性能，并引起了人們的關注和研究。
2.2 研究與應用現狀
2.2.1 應用現狀
公開信息顯示，各家的產品主要還是集中在 L，S 和 C 波段。就空間應用 SSPA 來說，2016 年，馬薩諸塞州航空航天技術研究所的研究表明，SSPA 實際上可用于高達 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用了。一些好的制造商的產品也可以大致說明 SSPA 的應用情況。NEC 公司的 SSPA，在 L 波段輸出功率和標稱增益為 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 公司開發的 SSPA，L 波段和 S 波段器件的輸出功率為 15 W，效率為 31%，標稱增益為 67 dB，C 波段的輸出功率為 20 W，效率為 37%，標稱增益為 70 dB。
2.2.2 GaN 產品
GaN 材料作為寬禁帶半導體的重要代表，以*的性能優勢，在眾多半導體材料中脫穎而出，引起了廣泛的關注和研究。如表 3 所示，GaN 相比其它材料具有更*的特性：大的禁帶寬度，是 GaN 材料大功率應用的根本所在；*的電子遷移率，決定了器件的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用；高的擊穿場強，有利于器件應用于大功率信號，也有利于器件尺寸的減小；良好的熱導率，可降低溝道溫度，使得器件的工作性能穩定；低的介電常數，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 優值，使其特別適合于高頻寬帶大功率領域應用。
近年來，在微波發射系統中普遍應用多個微波單片集成電路（MMIC）進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。國內已采用 Ku 頻段 GaN 材料單片和一款波導合成網絡研制出一種功率放大器，并通過多個該放大器進行功率合成，得到了更大的寬帶輸出功率，在軍事及民用領域均可適用。另提出了一種基于等效電路參數多偏差統計模型的微波 GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）功率放大器的設計方法，并利用統計建模方法驗證了統計模型。采用此模型進行 Ku 波段 GaN HEMT 功率放大器設計，具有較高的漏極效率，模擬結果在統計上與測量結果一致。
2.3 發展趨勢
GaN 和 SiC 等新材料優勢明顯，它們使得固態器件的功率、頻率和帶寬都得到了提高。SiC 的材料成本較高，這也成為阻礙其發展的一個因素，但應用前景廣闊。GaN 技術正快速發展并逐步走向應用，未來還將繼續向高功率和高效率改進，包括基于金剛石襯底提高散熱能力和大功率密度，采用新型場板結構改善晶體管電流崩塌效應以提高輸出功率，采用堆疊結構提高功放電路電壓擺幅和輸出功率等。此外，它還將繼續向更高頻段突破，包括等比例縮小技術提升特征頻率，克服擊穿電壓降低、短溝道效應、漏延遲、寄生 RC 延遲惡化等問題。更高集成度增強技術，電滲析法（ED）工藝技術及支持片上系統 SoC 技術等也是其發展方向。
3. 微波功率模塊
如前所述，電真空器件單管功率大于固態器件，可以應用的頻段也更高，但真空器件需要高壓電源，體積和質量較大。而固態功率器件由于半導體本身材料限制，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）應運而生。MPM 作為一種新型的微波功率器件，其大的特點在于充分利用了真空器件和固態器件的優點，并避免了其各自的缺點，從而獲得高增益、低噪聲、大功率、高效率等二者單獨使用無法獲得的優良性能。其集成電源的設計使用戶不用直接面對高壓，提高了安全性。
3.1 MPM 簡介
MPM 將固態功放、小型化行波管及微型集成電源全部封裝在一個小空間內，創造性地把固態和真空兩種技術結合起來，在性能上遠遠地超過單獨的固態和真空器件。如圖 2 所示，固態放大器作為前級，為整個放大鏈提供低噪聲和相當的增益，行波管為末級功放，提供大功率輸出，集成電源提供 MPM 所需的各級電壓，并為模塊提供控制和保護功能。
圖 2 MPM 的組成
MPM 將兩種器件的優點有機結合，具備了大功率、高效率、小體積和低噪聲等優點，可用于通信、電子對抗以及民用領域。對于機載和星載等應用平臺，由于其對放大器的體積、質量等要求嚴格，MPM 也將具有很好的前景。另外，由于 MPM 應用非常方便，傳統的 TWTA 也有被 MPM 替代的趨勢。
3.2 MPM 研究現狀
3.2.1 國外發展現狀
MPM 的概念自 20 世紀 80 年代末*提出以來，相關技術已較為成熟。目前多家國外公司如 L3，Thales，Triton，CPI，Selex ES，MITEQ，dBcontrol，e2v 等，均推出了自己的 MPM 產品。如圖 3 所示，可以看出不同品牌及型號的 MPM 已涵蓋了 2～45 GHz 的范圍，高已達到 W 波段和 G 波段，連續波輸出功率高達 250 W，并呈現出低頻模塊高功率化、低功率模塊高頻化的特點。
圖 3 當前 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，目前國外集成電源效率一直處于領 水平，MPM 產品效率均在 30%左右。在小型化上，各廠家 MPM 尺寸上嚴格把控，總體控制較為成熟，相對集中在 2～3 kg 之間。而在尺寸上由于散熱、電磁兼容設計等不同，體積大小不一，部分產品達到了 MPM 小型化的，如 L3 公司推出的 Ka 頻段 50 W 產品，其型號為 M1871，如圖 4 所示，注冊商標采用 NanoMPM，尺寸為 127 mm×76 mm×25 mm，且質量僅為 700 g。
圖 4 M1871 MPM
3.2.2 國內發展現狀
在我國，對于 MPM 的研究起步比較晚，直到 2001 年以后才正式開展 MPM 的研究。通過近 20 年的努力，在典型頻段內，國內也成功研制了功率量級和尺寸與國外相當的 MPM 產品。當前，國內研發的 W 波段 MPM，實現連續波 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 10%，均衡放大組件能提供 16.5 dB 以上的增益，均衡量達到 7 dB。測試結果顯示，在 6 GHz 帶寬內輸出功率大于 50 W，整管效率為 15.7%，集成電源能提供高 17 kV 的高壓，該模塊滿足了雷達、通信、電子對抗等系統對 W 波段寬帶大功率輸出的要求。中國電子科技集團公司第十二研究所開發的 4～18 GHz 50 W MPM，如圖 5 所示，效率達 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，質量 135 g。中國航天科技集團公司五院西安分院正在研制 Ku 頻段 500 W 脈沖雙管 MPM，結構如圖 6 所示，兩支固態放大器、行波管和集成電源安裝在一個盒體內，其中固態放大器安裝于行波管上方，通過螺釘緊固在機殼上，固態放大器和行波管之間通過半鋼電纜進行互聯，尺寸為 310 mm×248 mm×60 mm，重量＜7 kg。
圖 5 中國電子科技集團公司第十二研究所 4～18 GHz 50 W MPM
圖 6 Ku 頻段 500 W 脈沖雙管 MPM
3.3 MPM 發展趨勢
3.3.1 高頻率與寬頻帶
向更高的頻率推進，是 MPM 的發展方向。目前其工作頻段已經達到了毫米波波段，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 的基礎上，推出了 E 波段 MPM，該產品按工作頻率分為 71～76 GHz 和 81～86 GHz 的兩個型號，尺寸都是 376 mm×26.5 mm×7.6 mm。而滿足帶寬的要求是初研制 MPM 的目的之一，隨著技術的發展，目前已推出了多款工作頻帶 4.5～18 GHz 的 MPM 產品，可以在 2 個倍頻程的帶寬內提供 250 W 的大輸出功率。Thales 公司推出針對電子對抗應用的 MPM 產品，如圖 7 所示工作頻率 4.5～18 GHz 的 200 W MPM 產品 TH24512，以及工作頻率 18～40 GHz 的 65 W 電子對抗用 MPM。
圖 7 TH24512 MPM
3.3.2 小型化
實現 MPM 的小型化，首先要實現各組件自身的小型化。而行波管作為 MPM 的末級輸出，影響較為關鍵。L3 公司推出的產品 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 小型化的高水平。集成電源也是一個重要部分。信息工程大學在 2016 年研制的厚度不足 12 mm、效率達到 94%左右的用于 MPM 的 EPC 組件，如圖 8 所示，在超薄設計上達到*水平，為 MPM 的小型化設計和陣列化應用奠定了基礎。
圖 8 信息工程大學的超薄 EPC 組件
3.3.3 標準化
MPM 模塊化的設計為大批量生產提供了便利，可使成本進一步降低，在模塊化基礎上生產的系列產品可根據不同場合要求進行設計，從而滿足不同需求。如針對雷達應用的工作頻段 13.5～18 GHz 功率 110 W 產品、針對數據通信應用的工作頻段 14.5～15.5 GHz 功率 100 W 產品，均采用了統一的 2 250 mm×232 mm×35 mm 封裝，系列產品標準化程度較高。另外，針對電子作戰、衛星通信傳輸等寬頻帶高功率的要求，也在進行相應的標準化設計。
3.3.4 新型 MPM
隨著各類信息系統和器件不斷朝著微型化和集成化的方向發展，雙通道 MPM、雙模 MPM 和 T/R 型 MPM 等將成為研究重點。雙通道 MPM 可同時實現兩路干擾信號輸出，也具備空間合成能力，功率密度較傳統 MPM 提高近 1 倍。當一路行波管出現故障時，MPM 仍可在功率減半的條件下工作，提高 MPM 的冗余度。雙模 MPM 同時實現準連續波和脈沖兩種工作模式，實現新型的雙模干擾體制，為小型化、高性價比的雷達干擾一體化奠定基礎。T/R 型 MPM 使系統的天線可以收發共孔徑，突破行波管收發功能，解決環型器頻段限制和損耗問題。
MPM 作為一種全新的功率器件，將真空和固態器件進行了有效結合，其應用已經覆蓋了軍事、民用等各個領域。針對應用環境的不同，MPM 也可通過合理選擇器件的性能參數，以滿足不同的需求。如滿足數據傳輸和通信的應用，則提高線性度；滿足星載和機載系統的應用，則增強效率；滿足電子對抗系統的應用，則實現高增益。隨著技術的發展，MPM 在無人機等平臺上也將表現出更為重要的作用。
4. 總 結
功率放大器的 新技術繼續得益于固態和真空技術的共同進步。通過對商業化產品和工業級的原型器件的統計，得出了當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 GaN MMIC 的峰值飽和輸出功率與單個行波管器件和集成的 MPM 進行比較，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商業器件性能的前沿。特別是 MPM 適用于小體積、輕質量、大功率、低成本（SWaP-efficient）等高性價比應用平臺。
圖 9 真空、固態及 MPM 新飽和輸出功率隨頻率變化圖
5. 結 論
本文首先分別介紹了真空和固態放大器件的組成和特點，然后介紹了它們的發展歷史、當前的技術研究狀況和未來發展趨勢。而后引出了兩種器件相結合的產物——微波功率模塊，并重點介紹了微波功率模塊的產生過程和當前國內外的發展狀況，并對未來的發展趨勢進行了分析和預測。后總結了當前三種器件的功率水平。
總之，真空和固態器件各有特點，應根據具體應用場合和工作頻段，做 優選用。顯然，在高頻段上真空器件優勢明顯，是實現毫米波、THz 功率的有效途徑，因此需求巨大，應繼續拓展。而在低頻段上由于 GaN 等新材料的應用，SSPA 占據著統治的地位，未來仍然會是研究的熱點。MPM 則集成了二者的優點，一方面解決了真空器件“加電難”的問題，另一方面又解決了固態器件在高頻段難以達到高功率的問題，因此必然會成為各個領域研究應用的重點。我國的 MPM 也要在充分學習外先進技術的基礎上，堅持小型化、標準化，并向高頻和寬帶方向發展，不斷改善薄弱環節，增強工藝水平，實現產品的自主可控。
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