【引言】微波功率放大器主要分为真空和固体两种形式。基于真空器件的功率放大器在军事装备发展史上发挥了重要作用，由于其在功率和效率方面的优势，仍然广泛应用于雷达、通信、电子对抗等领域。
摘要
微波功率放大器设计主要可以分为真空和固态两种不同形式。基于真空器件的功率放大器，曾在军事教育装备的发展经济史上扮演过重要角色，而且企业由于其功率与效率的优势，现在仍广泛研究应用于雷达、通信、电子信息对抗等领域。后随着 GaAs 晶体管的问世，固态器件已经开始在低频段替代真空管，尤其是我们随着 GaN，SiC 等新材料的应用，固态器件的竞争力已大幅增加提高。本文通过将对两种器件工作以及使用它们之间竞争与融合的产物——微波功率管理模块（MPM）的发展实际情况作一介绍与分析，以充分学习了解到了国际社会先进文化水平，也对促进国家国内生产技术的发展能力有所助益。
1.真空放大器件
与固态器件相比，真空器件的主要优点是频率高、频带宽、功率大、效率高，但主要缺点是体积大、质量大。
1.1 历史发展
真空电子的发展可以追溯到第二次世界大战。1963 年，TWTA 技术在设计变革方面取得了重大进展，提高了 RF 输出的功率和效率，使封装更加紧凑。1973年，欧洲第一台波管放大器研制成功。然而，到20世纪70年代中期，半导体器件在开发中面临重大困难，因为它们出现，真空器件显著减少。直到21世纪初，美国武装部队特设委员会详细讨论了电力设备的历史、现状和发展，指出了真空装置和固态装置之间的平衡投资战略。2015 年，美国高级项目研究机构 DARPA 启动了投资、HAVOC 计划，以支持真空动力设备的开发以及对军事系统（尤其是毫米到 THz 波管）不断增长的需求。目前，真空装置已取得很大进展，广泛应用于雷达、通信、电子战等系统。
1.2研究与应用现状
随着技术的不断进步，目前 twt 的主要特点如下。首先，高频、宽带、高效率的特点，可以有效地降低系统的体积、重量、功耗和热损耗，在星载、弹载、机载等平台上适应性更强，因此在军事应用中具有突出的优势。其次，由于高温电阻的存在，使得 twt 的功率和相位随温度的变化很小，从而大大降低了系统的环境控制要求。三是反强电磁干扰和攻击特性，使其在高功率微波武器和微波炸弹的对抗中表现出坚实的生存能力。第四，大功率行波管的使用寿命大大提高。统计研究表明，大功率行波管的使用寿命在5000h 以上，中小功率产品的使用寿命在10000h 以上，达到了武器的寿命周期。图1是2000年前产品的 mttf 统计数据。可以看出，在各种系统中，真空器件的稳定性得到了提高，空间行波管的最大输出功率达到了数百万小时，表现出极高的可靠性。
图1真空动力装置MTTF概况
公开报道结果显示，美军作战平台中真空器件被大量资金使用，是现役电子战、雷达和通信的主要工作功率器件。新开发的高频段、小型化行波管及功率模块可以进一步发展推动高性能装备的不断学习出现。典型企业应用能力包括车载防空反导系统、地基远程预警与情报信息系统、机载火控系统、无人机通信服务系统、电子战系统、空间设计以及卫星通信系统等。下面我们介绍自己当前社会正在成为研究和应用的行波管的几种具有重要科学技术。
1.2.1行波管有源阵列技术
国外近年来主要在高频带上开发了一系列小型排波管，波段覆盖X、库、K、卡、140GHz等，并在新技术上不断取得突破。经过我国近10年的努力，波管在保持高功率、高效率的前提下，体积减少了1级，为主动阵列技术奠定了良好的基础。
有源二极管阵列可分为单元放大和子阵放大两种类型。与无源相控阵相比，单行波管具有功耗低、可靠性和寿命高等优点。同时，各通道相对独立，一个通道故障不会影响其他通道，系统的可靠性高。此外，整个辐射前沿可以在多个区域独立工作，实现系统的多目标、多任务能力。与固态有源相控阵相比，它具有工作距离长、功率大、冷却车和动力车短、系统机动性高、战场生存能力强等优点。由于其全金属、陶瓷密封结构，在面对高功率微波武器时更具生存能力。相同阵列功率所需的单元数量将减少1个数量级，从而大大降低成本。与单脉冲雷达相比，它具有更好的距离、分辨率、多目标、多任务、寿命和任务可靠性指标。目前，我国正在开展基于 twt 的 ku 波段稀薄阵列低门瓣的研究。
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。
1.2.2 毫米瓦德和 THz 线波管
随着5G移动通信技术的发展，需要Ka到W波段的毫米波功率放大器。未来5G需要宽带接入一个地区，但是光纤不能用的地方，只能选择毫米波频段。太赫兹波具有频率高、带宽宽、波束窄等特点，在雷达探测中具有巨大的潜力。然而，随着频率的增加，对器件加工工艺的要求也越来越高。近年来，微机械(MEMS)微加工技术的引入对传统技术进行了改进，使真空器件的工作频率进入毫米波和太赫兹频段，现有器件的最高频率达到1太赫兹。短毫米波行波管近年来逐渐成熟，一系列相关产品已初步形成。表1给出了国内外典型的毫米波行波管。2013年，NOG成功研制出220 GHz折叠波导行波管功率放大器。中电第十二研究所和中国工程物理研究院都开展了220 GHz行波管的研究工作。2016年，NOG还首次将行波管的工作频率提高到1太赫兹。表2给出了一些典型太赫兹行波管的测试结果。
1.3 发展趋势
1.3.1 更高工作频段
毫无疑问，高频工作频段是TWTA的绝对优势。
1.3.2 更高的效率
应用以来，各个波段行波管的效率均在不断提高。目前 L3 公司制造的 Ku 波段 88125H，效率可达 73%，为当前公开报道的最高值。目前电源效率已经很高，普遍优于 90%，进一步提高效率将是一种研发挑战，因此主要靠提高行波管的效率以实现总效率值的增加。通过优化行波管螺旋节距分布就是一种提升效率的有效方法。
1.3.3微型行波管
TWTA小型化技术在过去几十年得到了显著的改进，行波管有源阵列技术的发展促进了行波管小型化的发展。此外，TWTA的潜在变化是增加小型行波管的使用。微型行波管是传统行波管的一种小型化，是微波功率模块的基础。虽然它不能达到高的射频输出功率，但它可以降低体积，提高效率，特别是在卫星通信领域。
2. 固态放大器件
固态器件，也就是中国半导体企业电子控制器件。与 TWTA 类似，SSPA 通常需配置信息集成系统电源，其不同问题在于，SSPA 使用场效应晶体管可以作为一种射频信号功率进行放大的主要通过器件，工作电压低，实现也更加简单容易。由于其单体输出设备功率水平较低，为了能够实现高功率放大，SSPA 需要将我们许多功率晶体管并联放置，从而达到实现文化输出功率的合成。固态器件发展具有体积小、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。
2.1 历史发展
二战以来，信息技术迅猛发展，引发和推动了第三次科技革命，深刻改变了人们的生活方式和学习方式，也改变了世界格局和军事斗争形态。
2.2研究和应用现状
2.2.1申请状况
据公开资料显示，每个家庭的产品主要集中在L、S、C波段。就SSPA的空间应用而言，2016年，麻省航空航天技术研究所的研究表明，SSPA实际上可以用于Ku频段以下的频率，在波音之前的研究中，该频段的过磷酸钙比例从约1%增加到6%，但很少用于更高的频段。一些领先厂商的产品也可以大致说明SSPA的应用。NEC公司SSPA的输出功率和标称增益在L波段分别为55 W和61 dB，在S波段分别为24 W和70 dB，在C波段分别为20 W和86 dB。空客国防航天公司研制的SSPA、L波段、S波段器件输出功率为15 W，效率为31%，标称增益为67 dB，C波段输出功率为20 W，效率为37%，标称增益为70 dB。
2.2.2 GaN产品
GaN 材料可以作为宽禁带半导体的重要发展代表，以优越的性能比较优势，在众多国家半导体材料中脱颖而出，引起了社会广泛的关注和研究。如表 3 所示，GaN 相比还有其它相关材料进行具有更优越的特性：大的禁带宽度，是 GaN 材料使用大功率系统应用的根本问题所在；优越的电子迁移率，决定了器件的最高管理工作时间频率和放大增益；高的饱和以及电子数据漂移速度，提高了学习频率不同特性，使其适于高频器件的应用；高的击穿场强，有利于实现器件技术应用于大功率信号，也有一些利于器件结构尺寸的减小；良好的热导率，可降低沟道温度，使得这些器件的工作环境性能相对稳定；低的介电常数，这可使器件尺寸不断增大以提高核心器件功率，也可提高产品器件频率变化特性；高的 Baliga 优值，使其成为特别适合于高频宽带大功率领域企业应用。
近年来，几种微波单片集成电路(MMIC)被广泛应用于微波传输系统中，以获得更高的输出功率。
2.3 发展趋势
GaN、SiC等新材料具有显著优势，大大提高了固态设备的功率、频率和带宽。SiC 高昂的材料成本也是阻碍其发展的一个因素，但应用前景广阔。GaN技术发展迅速，并正在逐步得到应用，今后将继续提高高功率和高效率，包括增加基于金刚石基板的热容量和最大功率密度，通过新的场板结构提高晶体管电流折叠效果，以提高输出功率，以及增加放大器电路电压回转和堆叠结构输出功率。此外，它将继续对高频段取得突破，包括等比例降低技术，以增加特征频率，克服电压降低中断、通道效应短、泄漏延迟和寄生RC延迟恶化等问题。更高的集成增强技术、电透析（ED）工艺技术和支持片上系统SoC技术也是其发展方向。
3. 微波功率模块
如上所述，电真空器件的单管功率大于固态器件，可应用的频段更高。然而，真空装置需要高压电源，体积大，质量好。然而，由于半导体材料的限制，固态功率器件效率较低，不适合高频工作。在这种情况下，微波功率模块（MPM）应运而生。MPM是一种新型的微波功率器件，其最大的特点是充分利用了真空器件和固态器件的优点，避免了各自的缺点，从而获得了高增益、低噪声、高功率、高效率等两种不能单独使用的优异性能。一体化电源的设计使用户不直接面对高压，提高了安全性。
3.1 MPM 简介
Mpm 集固态功率放大器、微型行波管和微型集成电源于一体，创造性地将固态和真空技术结合起来，优于单一的固态和真空器件。如图2所示，固态放大器为整个放大器链提供低噪声和可观的增益，行波管为最后一级提供高功率输出，集成电源提供 mpm 所需的各级电压，并为模块提供控制和保护功能。
图 2 MPM 的组成
MPM将这两种器件的优点有机地结合在一起，具有高功率、高效率、小尺寸和低噪声的优点，可用于通信、电子对抗和民用领域。对于机载和星载应用平台，MPM将有很好的前景，因为它对放大器的尺寸和质量有严格的要求。此外，由于MPM应用的便利性，传统的TWTA也趋向于被MPM取代。
3.2 MPM 研究发展现状
3.2.1国外发展状况
MPM 的概念自 20 世纪 80 年代末首次推出以来已经成熟。一些外国公司，如L3，泰雷兹，特里顿，CPI，塞莱克斯ES，MITEQ，dB控制，e2v等都推出了自己的MPM产品。如图 3 所示，MPM 的不同品牌和型号涵盖了 2 到 45 GHz 的范围，最高可达 W 波段和 G 波段，连续波输出高达 250 W，以及低频模块大功率、低功耗模块的高频特性。
图3当前MPM频率功率分布
Mpm 的谐波抑制控制在11到4dbc 之间，杂波控制在60到40dbc 之间。多电平调制器的效率主要取决于电源装置的效率和集成电源的效率。目前，国外综合电源的效率一直处于领先水平，mpm 产品的效率约为30% 。在小型化方面，各厂家的尺寸 mpm 严格控制，整体控制较为成熟，相对集中在2ー3公斤。由于散热器的尺寸、电磁兼容设计以及其他尺寸的不同，一些产品已经达到了 mpm 小型化的极限，如 l 3推出的 ka 波段50w 产品，其型号为 m1871，如图4所示，商标使用 pm，尺寸为127 mm 76 mm 25 mm，质量仅为700g。
图4 M1871
3.2.2 国内经济发展研究现状
在我国，MPM的研究起步较晚，直到2001年以后才正式开展MPM的研究。
图5 中国电子科技集团公司第12研究院 4 至 18 GHz 50 W MPM
图 6 Ku 频段 500 W 脉冲进行双管 MPM
3.3MPM的发展趋势
3.3.1高频宽带
向更高的频率不断推进，是 MPM 的发展研究方向。目前其工作进行频段系统已经达到了一个毫米波通信波段，我们将毫米波具有波段的微波信号功率控制模块设计又称教师之为一种毫米波由于功率管理模块（Millimeter Wave Power Module，MMPM）。L3 公司企业推出 W 频段 100 W 的 MPM—M2839，其工作于 92～96 GHz，重量为 6.3 kg，尺寸 375 mm×213 mm×83 mm。该公司同时又在 W 频段 MPM 的基础上，推出了 E 波段 MPM，该产品按工作时间频率主要分为 71～76 GHz 和 81～86 GHz 的两个不同型号，尺寸一般都是 376 mm×26.5 mm×7.6 mm。而满足网络带宽的要求是就是最初开始研制 MPM 的目的问题之一，随着信息技术的发展，目前已推出了开发多款教育工作分析频带 4.5～18 GHz 的 MPM 产品，可以在 2 个倍频程的带宽内提供 250 W 的最大价值输出设备功率。Thales 公司通过推出一些针对我国电子游戏对抗中国应用的 MPM 产品，如图 7 所示对于工作出现频率 4.5～18 GHz 的 200 W MPM 产品 TH24512，以及社会工作使用频率 18～40 GHz 的 65 W 电子方式对抗用 MPM。
图7 TH24512下午
3.3.2 小型化
为了实现MPM的小型化，需要实现各部件的小型化。行波管作为MPM的最后一个输出，对其影响最大。L3公司推出m1870（Ku band）和m1871（Ka波段）。功率40W，50W，尺寸140mm×77mm×25mm，重量700g，168mm×104mm×25mm，重量1.13kg，代表MPM小型化的最高水平。综合电源也是一个重要的组成部分。2016年，信息工程大学为MPM开发了一个厚度小于12mm、效率约94%的EPC模块。如图8所示，已达到国内超薄设计的先进水平，为MPM的小型化设计和阵列应用奠定了基础。
图 8 信息工程大学的超薄 EPC 组件
3.3.3 标准化
MPM的模块化设计为大规模生产提供了便利，可以进一步降低成本。基于模块化生产的系列产品可以根据不同场合的要求进行设计，以满足不同的需求。比如雷达应用13.5~18 GHz工作频段110 W功率，数据通信应用14.5~15.5 GHz工作频段100 W功率的产品，都采用统一的2 250 mm×232 mm×35 mm封装，系列产品高度标准化。此外，根据电子战、卫星通信传输等宽带大功率的要求，也在进行相应的标准化设计。
3.3.4 新型 MPM
随着信息系统和设备继续向小型化和集成化方向发展，双通道 MPM、双模 MPM 和 T/R MPM 将成为研究的重点。双通道 MPM 可同时实现双向干扰信号输出和空间合成，功率密度比传统 MPM 高出近 1 倍。当全路波管发生故障时，MPM 仍能以一半的功率水平运行，这增加了 MPM 冗余。双模MPM实现了准连续波和脉冲操作模式，实现了新型双模干扰系统，为小型化、经济高效的雷达干扰集成奠定了基础。T/R MPM使系统的天线能够接收共孔直径，突破线波管变频功能，解决环带限制和丢失问题。
MPM 作为研究一种具有全新的功率器件，将真空和固态器件进行了一个有效进行结合，其应用问题已经覆盖了中国军事、民用等各个行业领域。针对企业应用市场环境的不同，MPM 也可通过合理设计选择器件的性能主要参数，以满足学生不同的需求。如满足这些数据信息传输和通信的应用，则提高学习线性度；满足星载和机载系统的应用，则增强工作效率；满足我国电子对抗网络系统的应用，则实现高增益。随着科学技术的发展，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受益于固态和真空技术的进步。基于对商品产品和工业原型器件的统计，得到了当代放大器的有效峰值饱和输出功率随频率的变化曲线，如图9所示。通过比较单个毫米波毫米波器件与单个行波管器件和集成毫米波器件的峰值饱和输出功率，可以看出，大于50dbm 的输出功率代表了毫米波频段商用器件性能的最新进展。特别适用于体积小、重量轻、功耗大、成本低(交换效率高)的应用平台。
图9真空、固态和微波最新饱和输出功率的频率依赖关系
5. 结论
本文我们首先进行分别通过介绍了真空和固态放大器件的组成和特点，然后学生介绍了它们的发展中国历史、当前的技术问题研究工作状况和未来经济发展变化趋势。而后引出了两种器件相结合的产物——微波功率控制模块，并重点企业介绍了微波功率模块的产生一个过程和当前国内外的发展社会状况，并对未来的发展成为趋势进行了数据分析和预测。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，应根据具体应用和工作频段进行优化选择。