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微波功率放大器發(fā)展概述

發(fā)布時(shí)間:2020-12-16 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。
 
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。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
 
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。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
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。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
 
微波功率放大器發(fā)展概述
 
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。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
 
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。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
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)。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
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。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
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。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
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
 
微波功率放大器發(fā)展概述
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。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
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)。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
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)。
 
微波功率放大器發(fā)展概述
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。
 
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