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摘要
微波功率放大器主要分為真空和固態(tài)兩種形式。基于真空器件的功率放大器，曾在*事裝備的發(fā)展*扮演過重要角色，而且由于其功率與效率的優(yōu)勢，現(xiàn)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(tài)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(tài)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(fā)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(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(yōu)勢，應用于不同的領域。其中，行波管主要優(yōu)勢為頻帶寬，速調管主要優(yōu)勢為功率大，磁控管主要優(yōu)勢為效率高。行波管應用廣泛，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(fā)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(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(fā)展和不斷增長的*事系統(tǒng)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(zhàn)等系統(tǒng)中應用廣泛。
1.2 研究與應用現(xiàn)狀
隨著技術的不斷進步，現(xiàn)階段行波管主要呈現(xiàn)以下特點。一是高頻率、寬帶、高效率的特點，可有效減小系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)的環(huán)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(tǒng)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(tǒng)計，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 更是達到數百萬 h 量級，表現(xiàn)出*的可靠性。
圖 1 真空功率器件 MTTF 概況
公開報道顯示，美軍**平臺中真空器件被大量使用，是現(xiàn)役電子戰(zhàn)、雷達和通信的主要功率器件。新開發(fā)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(xiàn)。典型應用包括車載防空反導系統(tǒng)、地基遠程預警與情報系統(tǒng)、機載火控系統(tǒng)、無人機通信系統(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(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(xiàn)故障不會影響到其他通道，因此系統(tǒng)的可靠性高。而且整個輻射陣面可以分多個區(qū)域獨立工作，實現(xiàn)系統(tǒng)多目標、多任務的能力。與固態(tài)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(tǒng)機動性高，戰(zhàn)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(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(fā)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(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，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(tǒng)工藝，使得真空器件工作頻率進入到毫米波和 THz 頻段，現(xiàn)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(fā)展趨勢
1.3.1 更高頻段
毫無疑問，工作頻段高是 TWTA 的優(yōu)勢所在。在高頻段，固態(tài)功率放大器（SSPA）的輸出功率和效率均遠低于 TWTA，因此高頻化是 TWTA 的必然發(fā)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(yōu)于 90%，進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現(xiàn)總效率值的增加。通過優(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(fā)展推動著行波管小型化不斷向前發(fā)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(tǒng) 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(wèi)星通信等領域影響重大。
2. 固態(tài)放大器件
固態(tài)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(xiàn)也更加容易。由于其單體輸出功率較低，為了實現(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，缺點是應用頻帶低、單體輸出功率小、效率低。
2.1 歷史發(fā)展
二戰(zhàn)以來，信息技術取得了飛速發(fā)展，發(fā)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(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(tài)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(xiàn)狀
2.2.1 應用現(xiàn)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(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(yōu)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(wěn)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(yōu)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(fā)射系統(tǒng)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*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(tǒng)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(tǒng)計建模方法驗證了統(tǒng)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(tǒng)計上與測量結果一致。
2.3 發(fā)展趨勢
GaN 和 SiC 等新材料優(yōu)勢明顯，它們使得固態(tài)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(fā)展的一個因素，但應用前景廣闊。GaN 技術正快速發(fā)展并逐步走向應用，未來還將繼續(xù)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最大功率密度，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(xù)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(tǒng) SoC 技術等也是其發(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(tài)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，其最大的特點在于充分利用了真空器件和固態(tài)器件的優(yōu)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(yōu)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(tài)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(chuàng)造性地把固態(tài)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(tài)和真空器件。如圖 2 所示，固態(tài)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(yōu)點有機結合，具備了大功率、高效率、小體積和低噪聲等優(yōu)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(tǒng)的 TWTA 也有被 MPM 替代的趨勢。
3.2 MPM 研究現(xiàn)狀
3.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)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(xù)波輸出功率高達 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。
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(fā)展現(xiàn)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(fā)的 W 波段 MPM，實現(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 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(tǒng)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(fā)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(tài)放大器、行波管和集成電源安裝在一個盒體內，其中固態(tài)放大器安裝于行波管上方，通過螺釘緊固在機殼上，固態(tài)放大器和行波管之間通過半鋼電纜進行互聯(lián)，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(fā)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(fā)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最初研制 MPM 的目的之一，隨著技術的發(fā)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 的最大輸出功率。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(xiàn) MPM 的小型化，首先要實現(xiàn)各組件自身的小型化。而行波管作為 MPM 的末級輸出，影響關鍵。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(tǒng)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(zhàn)、衛(wèi)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(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。雙通道 MPM 可同時實現(xiàn)兩路干擾信號輸出，也具備空間合成能力，功率密度較傳統(tǒng) MPM 提高近 1 倍。當一路行波管出現(xiàn)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(xiàn)準連續(xù)波和脈沖兩種工作模式，實現(xiàn)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(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題。
MPM 作為一種全新的功率器件，將真空和固態(tài)器件進行了有效結合，其應用已經覆蓋了民用等各個領域。針對應用環(huán)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(tǒng)的應用，則增強效率；滿足電子對抗系統(tǒng)的應用，則實現(xiàn)高增益。隨著技術的發(fā)展，MPM 在無人機等平臺上也將表現(xiàn)出更為重要的作用。
4. 總 結
功率放大器的新技術繼續(xù)得益于固態(tài)和真空技術的共同進步。通過對商業(yè)化產品和工業(yè)級的原型器件的統(tǒng)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(yè)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(tài)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(tài)放大器件的組成和特點，然后介紹了它們的發(fā)展歷史、當前的技術研究狀況和未來發(fā)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(fā)展狀況，并對未來的發(fā)展趨勢進行了分析和預測。最后總結了當前三種器件的功率水平。
總之，真空和固態(tài)器件各有特點，應根據具體應用場合和工作頻段，做優(yōu)選用。顯然，在高頻段上真空器件優(yōu)勢明顯，是實現(xiàn)毫米波、THz 功率的有效途徑，因此需求巨大，應繼續(xù)拓展。而在低頻段上由于 GaN 等新材料的應用，SSPA 占據著統(tǒng)治的地位，未來仍然會是研究的熱點。MPM 則集成了二者的優(yōu)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(tài)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(fā)展，不斷改善薄弱環(huán)節(jié)，增強工藝水平，實現(xiàn)產品的自主可控。
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