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1.真空加大器件跟固态器件相比，真空器件的关键优势是上班频率高、频带宽、功率大、效率高，关键缺陷是体积和品质均较大。真空器件关键包含行波管、磁控管和速调管，它们具有各自的优势，运行于不同的畛域。其中，行波管关键优势为频带宽，速调管关键优势为功率大，磁控管关键优势为效率高。行波管运行最为宽泛，因此本文关键以行波管为例引见真空器件。1.1 历史开展真空电子器件的开展可追溯到二战时期。1963 年，TWTA 技术在设计改革方面取得了实质性停顿，提高了射频输入的功率和效率，封装也愈加紧凑。1973 年，欧洲首个行波管加大器研制成功。但是，到了 20 世纪 70 年代中期，半导体器件异军突起，真空器件投入大幅增加，其开展遭逢极大艰巨。直到 21 世纪初，美国三军特设委员会详细探讨了功率器件的历史、现状和开展，指出真空器件和固态器件之间的平衡投资策略。2015 年，美国先进方案钻研局 DARPA 区分启动了 INVEST，HAVOC 方案，允许真空功率器件的开展和不时增长的军事系统须要，特意是毫米涉及 THz 行波管。以后真空器件已取得长足提高，在雷达、通讯、电子战等系统中运行宽泛。1.2 钻研与运行现状随着技术的不时提高，现阶段行波管关键出现以下特点。一是高频率、宽带、高效率的特点，可有效减小系统的体积、重量、功耗和热耗，在星载、弹载、机载等平台上顺应性更强，从而在军事运行上优势突出。二是耐高温个性，使行波管的功率和相位随着温度的变动动摇庞大，对系统的环境控制要求大大降低。三是抗强电磁搅扰和攻打个性，使其在高功率微波武器和微波弹的反抗中显示出松软的生活才干。四是寿命大幅提高，统计钻研显示，大功率行波管经常使用寿命普遍大于 5 000 h，中小功率产品寿命大于 10 000 h，到达武器全寿命周期。图 1 为 2000 年前产品的平均初次缺点时期（MTTF）统计，可以看出各类系统中真空器件的稳固性都有优化，空间行波管的 MTTF 更是到达数百万 h 量级，体现出极高的牢靠性。
1.3 开展趋向1.3.1 更高频段毫无不懂，上班频段高是 TWTA 的相对优势所在。在高频段，固态功率加大器（SSPA）的输入功率和效率均远低于 TWTA，因此高频化是 TWTA 的肯定开展趋向。MEMS 微细加工工艺促使毫米波和 THz 频段的钻研推进。空间行波管随着 Ku 波段的趋于饱和以及高清电视、多媒体通讯等市场需求的驱动使得 Ka 波段的运行逐渐增多，而且有往 Q/V 频段迁徙的趋向，已逐渐成为新的钻研热点。而 THz 频段的通讯具有极高传输速率，随着波导技术的提高，在外太空探测中 TWTA 的运行后劲很大。1.3.2 更高的效率运行以来，各个波段行波管的效率均在不时提高。目前 L3 公司制作的 Ku 波段 88125H，效率可达 73%，为以后地下报道的最高值。目前电源效率曾经很高，普遍优于 90%，进一步提高效率将是一种研发应战，因此关键靠提高行波管的效率以成功总效率值的参与。经过优化行波管螺旋节距散布就是一种优化效率的有效方法。1.3.3 小型化行波管TWTA 小型化技术在过去几十年中已有了清楚的改良，而且行波管有源组阵等技术的开展推进着行波管小型化不时向前开展。另外 TWTA 的一个潜在的变动是参与 Mini-TWT 的经常使用。Mini-TWT 是传统 TWT 的小版本，是微波功率模块的基础，虽不可到达高射频输入功率，但在减小体积的同时也提高了效率，尤其在卫星通讯等畛域影响严重。2. 固态加大器件固态器件，也就是半导体电子器件。与 TWTA 相似，SSPA 理论需性能集成电源，其不同在于，SSPA 经常使用场效应晶体管作为射频功率加大的关键器件，上班电压低，成功也愈加容易。因为其单体输入功率较低，为了成功高功率加大，SSPA 须要将许多功率晶体管并联搁置，从而成功输入功率的分解。固态器件具有体积小、噪声低、稳固性好的优势，缺陷是运行频带低、单体输入功率小、效率低。2.1 历史开展二战以来，消息技术取得了飞速开展，动员并推进了第三次科技反派，深上天扭转了人们的生活和学习方式，也扭转了环球格式和军事奋斗方式。微电子技术是消息技术的外围，而半导体资料是微电子技术的基石。受半导体资料自身的限度，固态功率器件效率比拟低，在较高频率下输入功率十分小，并且随着频率和带宽的参与，其输入功率电平清楚降低，器件老本也大幅度回升。为满足无线通讯、雷达、航空航天等对器件高频率、宽带宽、大功率和高效率的要求，20 世纪 90 年代起，以 GaN 和 SiC 为代表的宽禁带新型半导体资料深上天扭转了固态功率加大器的性能，并惹起了人们的关注和钻研。2.2 钻研与运行现状2.2.1 运行现状地下消息显示，各家的产品关键还是集中在 L，S 和 C 波段。就空间运行 SSPA 来说，2016 年，马萨诸塞州航空航天技术钻研所的钻研标明，SSPA 实践上可用于高达 Ku 波段的频率，且该波段中 SSPAs 的比例从波音公司之前钻研中的大概 1%参与到 6%，但更高波段则很少有运行了。一些上游的制作商的产品也可以大抵说明 SSPA 的运行状况。NEC 公司的 SSPA，在 L 波段输入功率和标称增益为 55 W 和 61 dB，S 波段为 24 W 和 70 dB，C 波段则为 20 W 和 86 dB。Airbus Defense and Space 公司开发的 SSPA，L 波段和 S 波段器件的输入功率为 15 W，效率为 31%，标称增益为 67 dB，C 波段的输入功率为 20 W，效率为 37%，标称增益为 70 dB。2.2.2 GaN 产品GaN 资料作为宽禁带半导体的关键代表，以优越的性能优势，在泛滥半导体资料中锋芒毕露，惹起了宽泛的关注和钻研。如表 3 所示，GaN 相比其它资料具有更优越的个性：大的禁带宽度，是 GaN 资料大功率运行的基本所在；优越的电子迁徙率，选择了器件的最高上班频率和加大增益；高的饱和电子漂移速度，提高了频率个性，使其适于高频器件的运行；高的击穿场强，无利于器件运行于大功率信号，也无利于器件尺寸的减小；良好的热导率，可降低沟道温度，使得器件的上班性能稳固；低的介电常数，这可使器件尺寸增大以提高器件功率，也可提高器件频率个性；高的 Baliga 优值，使其特意适宜于高频宽带大功率畛域运行。
近年来，在微波发射系统中普遍运行多个微波单片集成电路（MMIC）启动功率分解以取得更高的输入功率。而驳回 GaN 资料研制的 MMIC 单片功率密度高、电流小、效率高。国际已驳回 Ku 频段 GaN 资料单片和一款波导分解网络研制出一种功率加大器，并经过多个该加大器启动功率分解，获取了更大的宽带输入功率，在军事及民用畛域均可实用。另提出了一种基于等效电路参数多偏向统计模型的微波 GaN 高电子迁徙率晶体管（HEMT）功率加大器的设计方法，并应用统计建模方法验证了统计模型。驳回此模型启动 Ku 波段 GaN HEMT 功率加大器设计，具有较高的漏极效率，模拟结果在统计上与测量结果分歧。2.3 开展趋向GaN 和 SiC 等新资料优势清楚，它们使得固态器件的功率、频率和带宽都获取了极大的提高。SiC 的资料老本较高，这也成为阻碍其开展的一个起因，但运行前景宽广。GaN 技术正极速开展并逐渐走向运行，未来还将继续向高功率和高效率改良，包含基于金刚石衬底提高散热才干和最大功率密度，驳回新型场板结构改善晶体管电流崩塌效应以提高输入功率，驳回重叠结构提高功放电路电压摆幅和输入功率等。此外，它还将继续向更高频段打破，包含等比例增加技术优化特色频率，克制击穿电压降低、短沟道效应、漏提前、寄生 RC 提前好转等疑问。更高集成度增强技术，电渗析法（ED）工艺技术及允许片上系统 SoC 技术等也是其开展方向。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，可以运行的频段也更高，但真空器件须要低压电源，体积和品质较大。而固态功率器件因为半导体自身体料限度，效率较低，而且不实用于高频率。在此状况下，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沛应用了真空器件和固态器件的优势，并防止了其各自的缺陷，从而取得高增益、低噪声、大功率、高效率等二者独自经常使用不可取得的优同性能。其集成电源的设计经常使用户不用间接面对低压，提高了安保性。3.1 MPM 简介MPM 将固态功放、小型化行波管及微型集成电源所有封装在一个小空间内，发明性地把固态和真空两种技术联合起来，在性能上远远地超越独自的固态和真空器件。如图 2 所示，固态加大器作为前级，为整个加大链提供低噪声和相当的增益，行波管为末级功放，提供大功率输入，集成电源提供 MPM 所需的各级电压，并为模块提供控制和包全性能。
图 2 MPM 的组成MPM 将两种器件的优势无机联合，具有了大功率、高效率、小体积和低噪声等优势，可用于通讯、电子反抗以及民用畛域。关于机载和星载等运行平台，因为其对加大器的体积、品质等要求严厉，MPM 也将具有很好的前景。另外，因为 MPM 运行十分繁难，传统的 TWTA 也有被 MPM 代替的趋向。3.2 MPM 钻研现状3.2.1 国外开展现状MPM 的概念自 20 世纪 80 年代末初次提出以来，关系技术已较为成熟。目前多家国外公司如 L3，Thales，Triton，CPI，Selex ES，MITEQ，dBcontrol，e2v 等，均推出了自己的 MPM 产品。如图 3 所示，可以看出不同品牌及型号的 MPM 已涵盖了 2～45 GHz 的范围，最高已到达 W 波段和 G 波段，延续波输入功率最高达 250 W，并出现出低频模块高功率化、低功率模块高频化的特点。
图 3 以后 MPM 频率功率散布MPM 谐波克制均控制在−11～4 dBc 之间，杂波控制在−60～40 dBc 之间。MPM 效率关键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不时处于上游水平，MPM 产品效率均在 30%左右。在小型化上，各厂家 MPM 尺寸上严厉把控，总体控制较为成熟，相对集中在 2～3 kg 之间。而在尺寸上因为散热、电磁兼容设计等不同，体积大小不一，局部产品到达了 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，注册商标驳回 NanoMPM，尺寸为 127 mm×76 mm×25 mm，且品质仅为 700 g。
图 4 M1871 MPM3.2.2 国际开展现状在我国，关于 MPM 的钻研起步比拟晚，直到 2001 年以后才正式展开 MPM 的钻研。经过近 20 年的致力，在典型频段内，国际也成功研制了功率量级和尺寸与国外相当的 MPM 产品。以后，国际研发的 W 波段 MPM，成功延续波 50 W 的输入功率，增益 47 dB，带宽 6 GHz，尺寸 370 mm×180 mm×45 mm，模块总效率超越 10%，平衡加大组件能提供 16.5 dB 以上的增益，平权衡到达 7 dB。测试结果显示，在 6 GHz 带宽内输入功率大于 50 W，整管效率为 15.7%，集成电源能提供最高 17 kV 的低压，该模块满足了雷达、通讯、电子反抗等系统对 W 波段宽带大功率输入的要求。中国电子科技个人公司第十二钻研所开发的 4～18 GHz 50 W MPM，如图 5 所示，效率达 32%，但尺寸仅为 140 mm×86 mm×20 mm，其所用的小型化行波管尺寸为 135 mm×25 mm×16 mm，品质 135 g。中国航天科技个人公司五院西安分院正在研制 Ku 频段 500 W 脉冲双管 MPM，结构如图 6 所示，两支固态加大器、行波管和集成电源装置在一个盒体内，其中固态加大器装置于行波管上方，经过螺钉紧固在机壳上，固态加大器和行波管之间经过半钢电缆启动互联，尺寸为 310 mm×248 mm×60 mm，重量＜7 kg。
图 5 中国电子科技个人公司第十二钻研所 4～18 GHz 50 W MPM
图 6 Ku 频段 500 W 脉冲双管 MPM3.3 MPM 开展趋向3.3.1 高频率与宽频带向更高的频率推进，是 MPM 的开展方向。目前其上班频段曾经到达了毫米波波段，咱们将毫米波波段的微波功率模块又称之为毫米波功率模块（Millimeter Wave Power Module，MMPM）。L3 公司推出 W 频段 100 W 的 MPM—M2839，其上班于 92～96 GHz，重量为 6.3 kg，尺寸 375 mm×213 mm×83 mm。该公司又在 W 频段 MPM 的基础上，推出了 E 波段 MPM，该产品按上班频率分为 71～76 GHz 和 81～86 GHz 的两个型号，尺寸都是 376 mm×26.5 mm×7.6 mm。而满足带宽的要求是最后研制 MPM 的目的之一，随着技术的开展，目前已推出了多款上班频带 4.5～18 GHz 的 MPM 产品，可以在 2 个倍频程的带宽内提供 250 W 的最大输入功率。Thales 公司推出针对电子反抗运行的 MPM 产品，如图 7 所示上班频率 4.5～18 GHz 的 200 W MPM 产品 TH24512，以及上班频率 18～40 GHz 的 65 W 电子反抗用 MPM。
图 7 TH24512 MPM3.3.2 小型化成功 MPM 的小型化，首先要成功各组件自身的小型化。而行波管作为 MPM 的末级输入，影响最为关键。L3 公司推出的产品 M1870（Ku 波段）和 M1871（Ka 波段）。它们的功率区分为 40 W 和 50 W，尺寸区分为 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。集成电源也是一个关键局部。消息工程大学在 2016 年研制的厚度无余 12 mm、效率到达 94%左右的用于 MPM 的 EPC 组件，如图 8 所示，在超薄设计上到达国际先进水平，为 MPM 的小型化设计和阵列化运行奠定了基础。
图 8 消息工程大学的超薄 EPC 组件3.3.3 规范化MPM 模块化的设计为少量量消费提供了便利，可使老本进一步降低，在模块化基础上消费的系列产品可依据不同场所要求启动设计，从而满足不同需求。如针对雷达运行的上班频段 13.5～18 GHz 功率 110 W 产品、针对数据通讯运行的上班频段 14.5～15.5 GHz 功率 100 W 产品，均驳回了一致的 2 250 mm×232 mm×35 mm 封装，系列产品规范化水平较高。另外，针对电子作战、卫星通讯传输等宽频带高功率的要求，也在启动相应的规范化设计。3.3.4 新型 MPM随着各类消息系统和器件不时朝着微型化和集成化的方向开展，双通道 MPM、双模 MPM 和 T/R 型 MPM 等将成为钻研重点。双通道 MPM 可同时成功两路搅扰信号输入，也具有空间分解才干，功率密度较传统 MPM 提高近 1 倍。当一路行波管发生缺点时，MPM 仍可在功率减半的条件下上班，提高 MPM 的冗余度。双模 MPM 同时成功准延续波和脉冲两种上班形式，成功新型的双模搅扰体制，为小型化、高性价比的雷达搅扰一体化奠定基础。T/R 型 MPM 使系统的天线可以收发共孔径，打破行波管收发性能，处置环型器频段限度和损耗疑问。MPM 作为一种全新的功率器件，将真空和固态器件启动了有效联合，其运行曾经笼罩了军事、民用等各个畛域。针对运行环境的不同，MPM 也可经过正入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讯的运行，则提高线性度；满足星载和机载系统的运行，则增强效率；满足电子反抗系统的运行，则成功高增益。随着技术的开展，MPM 在无人机等平台上也将体现出更为关键的作用。4. 总结功率加大器的最新技术继续得益于固态和真空技术的共同提高。经过对商业化产品和工业级的原型器件的统计，得出了当代加大器可用峰值饱和输入功率随频率变动的曲线，如图 9 所示。图中将单个 GaN MMIC 的峰值饱和输入功率与单个行波管器件和集成的 MPM 启动比拟，可以看到，大于 50 dBm 的输入功率水平代表了毫米波频率范围内商业器件性能的前沿。特意是 MPM 实用于小体积、轻品质、大功率、低老本（SWaP-efficient）等高性价比运行平台。
图 9 真空、固态及 MPM 最新饱和输入功率随频率变动图5. 论断本文首先区分引见了真空和固态加大器件的组成和特点，然后引见了它们的开展历史、以后的技术钻研状况和未来开展趋向。然后引出了两种器件相联合的产物——微波功率模块，偏重点引见了微波功率模块的发生环节和以后国际外的开展状况，并对未来的开展趋向启动了剖析和预测。最后总结了以后三种器件的功率水平。总之，真空和固态器件各有特点，应依据详细运行场所和上班频段，做最优选择。显然，在高频段上真空器件优势清楚，是成功毫米波、THz 功率的有效路径，因此需求庞大，应继续拓展。而在低频段上因为 GaN 等新资料的运行，SSPA 占据着统治的位置，未来依然会是钻研的热点。MPM 则集成了二者的优势，一方面处置了真空器件“加电难”的疑问，另一方面又处置了固态器件在高频段难以到达高功率的疑问，因此肯定会成为各个畛域钻研运行的重点。我国的 MPM 也要在充沛学习国外先进技术的基础上，坚持小型化、规范化，并向高频和宽带方向开展，不时改善单薄环节，增强工艺水平，成功产品的自主可控。
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