搶先看！微波功率器件的基石和開拓者，新一代高效率長壽命行波管

功率行波管的發(fā)展走過了70年的歷程，具有寬頻帶、高功率、高效率等特點(diǎn)，是現(xiàn)代雷達(dá)通信電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的核心元器件，并不斷地推動系統(tǒng)向高頻率、高功率、集成化、一體化發(fā)展。

現(xiàn)階段行波管主要特點(diǎn)

高頻率、寬帶、高效率在軍事應(yīng)用上的特點(diǎn)突出。單體功率大、效率高可有效減小了系統(tǒng)的體積、重量、功耗和熱耗。在星載、彈載、機(jī)載等平臺上適應(yīng)性更強(qiáng)。

耐高溫特性。陶瓷金屬結(jié)構(gòu)的行波管對機(jī)械和溫度極度不敏感，在高、低溫條件下的功率波動和相位波動微小，對系統(tǒng)的環(huán)境控制大大降低。

抗強(qiáng)電磁干擾和攻擊。隨著高功率微波武器和微波彈的出現(xiàn)，真空管天生的抗電磁攻擊特性在大國激烈對抗中顯示出堅(jiān)實(shí)的生存能力。

圖1、行波管、速調(diào)管、正交場放大器的MTTF［1］

壽命大幅提高。功率行波管壽命普遍大于1萬小時，中小功率水平達(dá)到10萬小時，支撐了武器全壽命周期。圖1為現(xiàn)有產(chǎn)品的系統(tǒng)平均首次故障時間（MTTF）統(tǒng)計(jì)，可以看出電子戰(zhàn)系統(tǒng)的MTTF時間從1970年的1千小時提升至4萬小時［1］，空間行波管的MTTF達(dá)到千萬小時量級，表現(xiàn)出極高的可靠性。

一、微波功率器件的基石

美軍作戰(zhàn)平臺中真空器件使用了20-30萬支（其中行波管約占50%，每年的訂貨量增長約10%），是現(xiàn)役電子戰(zhàn)、雷達(dá)和通信的主要功率器件，共270種系統(tǒng)至少服役到2050年，并且新開發(fā)的高頻段、小型化行波管及功率模塊進(jìn)一步推動高性能裝備不斷出現(xiàn)。國際上行波管典型應(yīng)用（公開報(bào)到）包括：

防空反導(dǎo)系統(tǒng)：“愛國者3”的相控陣?yán)走_(dá)（AN/MPQ-53升級到AN/MPQ-65），增加了行波管功率，平均功率達(dá)到20kW，具備高機(jī)動性，探測距離170km，導(dǎo)彈末引頭采用Ka頻段1kW行波管實(shí)現(xiàn)精確末制導(dǎo)。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)：“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)，采用行波管組成的干擾系統(tǒng)，服役8個月便擊敗F22隱身飛機(jī)；俄羅斯Su24 “希比內(nèi)”電子戰(zhàn)系統(tǒng)，在2014年癱瘓了宙斯盾艦；美軍通用SLQ-32艦載電子戰(zhàn)多波束系統(tǒng)（每套系統(tǒng)140支行波管），大量裝備與驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦和航母，可同時干擾80部雷達(dá)。

空間應(yīng)用：從L-V波段的90%以上衛(wèi)星功率放大器，最大效率達(dá)到72%，壽命15年，是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭通信、導(dǎo)航、偵察系統(tǒng)的關(guān)鍵件。由于空間行波管顯著的高效率、高可靠、大功率、抗輻照特性，該類管型會長期應(yīng)用在衛(wèi)星下行通信等領(lǐng)域。

大功率衛(wèi)星上行通信：200W-2000W的C-Q波段衛(wèi)星上行系統(tǒng)，幾乎全部采用超線性化行波管，是衛(wèi)星上行通信的核心器件，具備大功率、高效率、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，連續(xù)工作壽命3-7年。

無人機(jī)：“全球鷹”和“捕食者”無人機(jī)的通信系統(tǒng)，采用行波管微波功率模塊（MPM）提供全天候高速衛(wèi)星通信。Ku頻段的無人機(jī)合成孔徑雷達(dá)（SAR）廣泛采用行波管作為高峰值功率（》1kW）、高效率、寬頻帶、小型化功率源。

地基遠(yuǎn)程預(yù)警與情報(bào)系統(tǒng)：美國的“丹麥眼鏡蛇”雷達(dá)（AN/FPS-108）有96個子陣組成，稀疏陣，每個子陣160個輻射單元，總峰值功率達(dá)到15.4MW，平均功率920kW，L波段帶寬200MHz，探測距離3200km。前蘇聯(lián)類似系統(tǒng)為“雞籠”“狗舍”大型地基警戒雷達(dá)，可探測距離3000km以上。

機(jī)載火控雷達(dá)：“二代、三代和四代戰(zhàn)斗機(jī)”采用集中發(fā)射機(jī)和無源相控陣的火控雷達(dá)是傳統(tǒng)機(jī)載火控的主力，具備成本低、重量輕等特點(diǎn)，現(xiàn)役飛機(jī)全球達(dá)到上萬架。如Su35的無源相控陣?yán)走_(dá)，平均功率5kW，正面探測距離達(dá)到400km，具備良好的作戰(zhàn)性能。

二、微波功率的兩種類型：固態(tài)器件和真空器件

“如果追求功率器件的極限，真空管永遠(yuǎn)是被選擇的器件，因?yàn)樵僖舱也坏奖取婵铡玫墓ぷ鳝h(huán)境了”。真空管克服了電子“渡越時間”限制［2］，避免了“電子散射”和“晶格中的損耗”，可靈活控制電子的群聚和能量交換，單個器件峰值功率大于10GW，工作頻率達(dá)到1THz，能量交換效率可達(dá)到85%。

圖2是行波管工作原理圖：陰極發(fā)射的電子經(jīng)過細(xì)長的互作用系統(tǒng)，通過電子群聚實(shí)現(xiàn)與慢電磁行波的能量交換，是一個典型的非線性自洽過程，大部分電子失去能量，小部分電子獲得能量，實(shí)現(xiàn)電磁波在較寬的頻帶內(nèi)整體能量放大，而降壓收集極的使用進(jìn)一步回收了一部分互作用后的電子能量，使得行波管總效率大幅提升。

固態(tài)功率器件類似于“三極管”原理，通過柵極開關(guān)源極電流實(shí)現(xiàn)微波功率放大，如圖3所示，其理想最大功率與材料的渡越時間有關(guān)，寬帶半導(dǎo)體GaN的功率帶寬積是GaAs的五倍以上。

行波管是慢電磁行波與電磁波的能量交換，陰極發(fā)射的電子進(jìn)入互作用系統(tǒng)，產(chǎn)生電子的速度群聚和超越，沒有渡越時間限制，形成一個注-波自洽過程，大部分的電子交出能量，小部分的電子吸收能量，同時降壓收集極的使用可以進(jìn)一步回收電子能量，使得器件總效率大幅提升，其功率容量主要受到電磁波傳輸系統(tǒng)的微波打火和器件體積限制。

表1 寬帶微波功率器件

圖5是典型寬帶行波管的功率和效率測試結(jié)果，行波管在6-18GHz 100W量級行波管，效率大于40%。表1是典型寬帶微波功率器件的比較，可以看出兩類器件特色不同：固態(tài)器件單片體積小，合成后可獲得100W量級的功率輸出，散熱條件要求高；行波管單體功率大，效率高，具有耐高溫特性。表2是用于GPS的空間行波管典型頻帶、功率和效率，具有70%的能量交換效率和超過15年的連續(xù)使用壽命。

表2、用于GPS系統(tǒng)的72%效率的L&S波段大功率空間行波管［11］

真空器件和固態(tài)器件各有特點(diǎn)：固態(tài)器件低電壓、大電流，體積小，半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)的一致性好，更適合密集有源陣列應(yīng)用，如F22和F35的機(jī)載火控雷達(dá)的有源陣列，但在應(yīng)用中需要克服高頻段單件功率小、效率低、溫飄大和系統(tǒng)功耗大等問題。

真空器件高電壓、低電流，單個器件功率大、效率高、耐高溫，系統(tǒng)成本低，但工藝生產(chǎn)一致性不如固態(tài)器件，而且存在單件體積大、高壓打火和真空漏氣等需要持續(xù)克服的問題，特別是密集有源陣列的雷達(dá)大量應(yīng)用使得真空器件顯得更加笨重。

在很長一段時間，AESA的應(yīng)用大力推動了固態(tài)功率器件的投資，而真空器件投資大幅減少。本世紀(jì)初，美國三軍特設(shè)委員會編寫了“Investment strategy for vacuum electronics R&D” 和 “Investment balance for RF power vacuum electronics and solid-state R&D”，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。

實(shí)際應(yīng)用中，特別是在寬帶大功率和毫米波段的軍事應(yīng)用中，真空器件的高峰值功率、大平均功率、高效率、寬頻帶、耐高溫特性是一種“與生俱來”的物理特性。

2015年美國DARPA先進(jìn)計(jì)劃研究局DARPA分別啟動了“投入”（INVEST）、“浩劫”（HAVOC）計(jì)劃，支持真空功率器件的發(fā)展和不斷增長的軍事系統(tǒng)需要，特別是微波功率行波管，以獲得在軍用大功率源的持續(xù)壓倒性優(yōu)勢。

三、新一代毫米波和THz行波管

圖6是2017年最新公布的220GHz行波管產(chǎn)品，第一期產(chǎn)品獲得25W功率輸出，后續(xù)功率降持續(xù)提升至100W量級，用于太赫茲視頻合成孔徑雷達(dá)（ViSAR）。穿過云層、煙霧對地面運(yùn)動目標(biāo)實(shí)時成像，在惡劣天氣下實(shí)現(xiàn)目前紅外瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的功能，對地面目標(biāo)實(shí)施全天候精確打擊，如圖7所示。

圖7、機(jī)載ViSAR作戰(zhàn)場景

2017年DARPA公布了最新的E波段通信行波管通信鏈路，上行頻率為71-76GHz，下行頻率81-86GHz，信道帶寬5GHz，為了采用高階調(diào)制，放大器工作在線性區(qū)域，實(shí)現(xiàn)主要參數(shù)和功能如下：

·實(shí)現(xiàn)100Gb/s的機(jī)載射頻通信鏈路；

·空對空距離超過200km，空對地距離（飛行高度18km）超過100km；

·頻譜效率大于20b/s/Hz；

·構(gòu)造一個等同于光纖的無線通信骨干網(wǎng)；

·能夠穿透云、霧、雨。

采用最新的行波管放大器（飽和功率約200W，線性功率約50W），該無線通信網(wǎng)計(jì)劃比預(yù)計(jì)完成時間提前3年，同時將2020年規(guī)劃的無線通信30Gb/s提高到100Gb/s，達(dá)到光纖通信速率。表3 為現(xiàn)有典型毫米波功率行波管的產(chǎn)品，預(yù)計(jì)到2020年500GHz以上行波管產(chǎn)品將獲得應(yīng)用。

圖8、E波段100Gb/s高速無線通信鏈路

表3、毫米波功率行波管

四、新一代寬帶行波管及微波功率模塊

寬帶行波管的產(chǎn)品概況可分為三個階段：第一階段產(chǎn)品研制中，設(shè)計(jì)手段有限，主要靠經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行工程修正，同時受到磁材料的磁能積限制，行波管采用了高電壓、低電流的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品體積較大，電壓高，干擾機(jī)體積笨重；

第二階段產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，大信號計(jì)算機(jī)仿真軟件的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了低電壓工作，將6-18GHz中功率產(chǎn)品的工作電壓由10kV下降到3-6kV量級，消除了高壓打火帶來的故障率問題，體積縮小為第一階段產(chǎn)品的1/2，仍保持行波管具有40dB的高增益，并發(fā)展了新型的微波功率模塊MPM集成技術(shù)；

第三階段進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化和高效率，精確物理模型的出現(xiàn)使得“一次性設(shè)計(jì)成功”成為普遍現(xiàn)象，多級降壓收集極的應(yīng)用使得效率大幅提升到35-45%，同時固態(tài)器件的功率提升使得行波管增益只需要20dB， 體積重量降為原有產(chǎn)品的1/4-1/2；

另一方面，先進(jìn)材料、加工方式和工藝方法的采用，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、自動化生產(chǎn)及微波功率模塊的大量使用（接口為低壓），使得行波管的使用壽命和可靠性大幅度提升，因此第三階段可稱為新一代產(chǎn)品。

緊湊型的高功率微波功率模塊（MPM）可獲得高功率密度輸出，并形成一個功率放大的“黑匣子”，降低系統(tǒng)的使用難度和維護(hù)成本，圖9為典型MPM的結(jié)構(gòu)，采用異性結(jié)構(gòu)可適應(yīng)不同平臺要求，如圖10（a）中裝在彈載平臺的寬帶模塊。

圖11是L3公司推出的新一代微波功率模塊：40W Ku波段［8］和50W Ka波段模塊［9］。其集合了固態(tài)器件、真空器件及電源，形成一個超級發(fā)射機(jī)，為用戶提供最佳的微波鏈路方案，用戶直接面對的是28V，115V和270V等不同平臺的中低壓。毫米波M1871模塊同一部手機(jī)大小，可在26.4-40GHz提供20-50W功率輸出，效率20-33%，體積僅為104x168x25mm3，重量1.13kg。

相比較固態(tài)器件，MPM可獲得寬帶高效率功率輸出，在空間、供電有限的平臺中，如無人機(jī)平臺的雷達(dá)、通信、電子對抗等多功能系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用。同時，由于形成了一個“黑匣子“模塊，其使用方法等同于SSPA，并且具有故障分散的特點(diǎn)，有利于稀疏的大功率有源相控陣體制的應(yīng)用。

國內(nèi)方面，在新一代小型化產(chǎn)品的研制中覆蓋了6-40GHz，圖12分別為中電十二所近期開發(fā)的6-18GHz 50W（重量：0.135kg，體積：135x25x16mm3）和30-37GHz 40W小型化行波管，進(jìn)一步降低了工作電壓，同時體積和重量是現(xiàn)有產(chǎn)品的1/3~1/4。其中厘米波小型化行波管實(shí)現(xiàn)了超小型化（Mini管），全頻帶總效率大于35%，研制的6-18GHz 50W功率模塊僅有手機(jī)大小，是無人機(jī)、彈載寬帶電子戰(zhàn)的重要選擇。

在此基礎(chǔ)上開發(fā)的微波功率模塊只有6寸手機(jī)大小，如圖13所示，尺寸為140x86x20mm3。體積縮小后的行波管及模塊適應(yīng)了多種平臺要求，具有耐高溫、大功率、小體積特性。

圖14、通信、雷達(dá)多功能用毫米波行波管

行波管是一類寬帶功率放大器，在倍頻程工作時仍然能夠獲得高效率、小體積的功率輸出，寬頻帶、高功率、高效率是一種“得天獨(dú)厚”的特性。圖14是多功能用毫米波行波管：1）30-31GHz 連續(xù)波300W的衛(wèi)星上行通信；2）33-36GHz 300W脈沖雷達(dá)用；3）43.5-45.5GHz 175W衛(wèi)星上行通信。該管型的應(yīng)用使得一個產(chǎn)品覆蓋三個頻段。類似的寬帶國外產(chǎn)品如表4所示。

表4、多波段應(yīng)用產(chǎn)品

五、結(jié)論

由物理分析可知，“真空”是能量交換的最理想環(huán)境，避免了固體器件中電子的散射、碰撞等基本問題，真空器件的大功率密度、高效率、耐高溫、抗電磁攻擊特性是一種“與生俱來”的物理特性。一代產(chǎn)品推動一代系統(tǒng)的出現(xiàn)，行波管作為一種得天獨(dú)厚的寬帶功率器件，器件實(shí)現(xiàn)高效率、大功率、小體積、低成本，工藝實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、自動化，開展集成創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新，滿足不斷增長的“功率、頻率、帶寬”需求。