微波功率模块的发展状况及趋势

2019年06月14日

发射器件主要分为半导体固态器件和电真空器件两种形式。电真空器件作为功率放大器,在军事装备的发展历史上扮演了非常重要角色,直到现在仍是是雷达、通信、电子战等系统的核心元器件。GaAs晶体管问世之前,真空管是功率放大和发射的唯一解决方案。后来,晶体管半导体固态器件开始在低频段替代真空管,伴随着频率的增高,两者互有竞争,互相补充,在高频率段,一直是电真空器件的领地。电真空器件是实现大功率毫米波的必经之路。

 

1、微波功率模块的诞生背景


真空器件和固态器件各有特点:固态器件低电压、大电流,体积小,半导体工艺生产的一致性好,更适合密集有源阵列应用,但需要克服高频段单件功率小、效率低、温漂大和系统功耗大等问题。真空器件高电压、低电流,单个器件功率大、效率高、耐高温,系统成本低,但工艺生产一致性不如固态器件,而且存在单件体积大等需要克服的问题。

 

自从半导体固态电子器件诞生以来,两者即开始竞争。竞争的同时,器件之间、技术之间的相互融合导致了微波功率模块的诞生,微波功率模块,简称MPM(Microwave Power Moudle)。MPM克服了行波管加电困难的弊病,将行波管和与之配套的高压电源集成为一体,极大方便了使用。用户直接面对的是28V、48V、115V和270V等不同平台的中低电压。MPM集合了真空电子器件与固态器件的优点,其性能超过了单独的固态放大器和单独的行波管所能达到的性能。MPM兼有固态器件的低噪声性能和行波管的高功率、高效率;并且它相对行波管减轻了对电源的要求,减轻了电源重量;与单独的行波管相比,改善了增益和相位匹配及控制。MPM在毫米波频段,称为毫米波功率模块,简称MMPM (Millimeterwave Power Module)。继续延伸,可以到太赫兹功率模块,简称TPM (Terahertz Power Module)。

 

undefined

 

图1、固态器件和真空器件的竞争示意图

 

MPM的出现为电真空器件特别是行波管的应用插上了翅膀,目前两类器件间的竞争已经主要转化为纯固态器件与MPM之间的竞争。

 

2、微波功率模块的发展状况


国外MPM/MMPM及相关的技术已非常成熟。多家公司如L3、Thales、Triton、CPI、Sel-exES、MITEQ、dBcontrol、e2v等,均推出了自己的MPM产品,频段覆盖最高达到W波段和G波段,连续波输出功率最高达250W。

 

从各厂家推出的典型MPM产品看,具有低频模块高功率化、低功率模块高频化的特点。其中在输出功率100W等级,不同品牌及型号的MPM已完全覆盖2~40GHz的范围。同时在工作频段6~18GHz的MPM产品中,其输出功率最高已经达到250W。目前,国外MPM谐波控制在-11dBc~-4dBc之间,杂散控制在-60dBc~-40dBc之间。国外MPM的总效率大体在30%左右,产品重量控制也较为成熟,相对集中在2-3kg之间,而在尺寸上由于散热、电磁兼容设计等不同,体积大小不一。目前连续波MPM/MMPM技术水平(功率、频带)如图2所示。

 

undefined

 

图2、目前MPM 技术水平(功率、频带)

 

图3是L3公司推出的6.5-18GHz200W的MPM—M1245,其电源为270VDC,可以连续波工作,也可以脉冲工作,模块效率大于22%,体积216mmx247.7mmx38.1mm。图4是装在弹载平台的宽带模块,采用异性结构可适应弹载平台要求,其工作频率为2-18GHZ,由两支行波管频率合成,行波管频率分别为2-6GHz和6-18GHz。图5是L3推出的Ku波段1000W脉冲MPM。图6是意大利OfficineGalileo公司Ku波段空间应用MPM,带宽2GHz,饱和输出功率150W,增益51dB,效率61-63%,尺寸为330mm×87mm×120mm,重量1.85kg。

 

undefined

 

图3、L3公司的6-18GHzMPM——M1245

 

undefined

 

图4、2-18GHz 300W连续波MPM(2 TWTs)

 

undefined

 

图5、15-18GHz 1kW脉冲MPM

 

undefined

 

图6、意大利空间应用MPM

 

国内电真空功率器件行业,在过去的六十年中,实现了“跟踪仿制国外产品”到“引领行业发展”的跨越,产品性能不断突破。目前,已建立了国际一流的研发中心和生产线,高性能器件和新型装备蓬勃发展,持续推出一系列的满足新一代武器系统的行波管核心放大器产品。国内电真空器件行业已形成了2-50GHz系列化宽带行波管,实现了进口产品的100%替代,并且实现多个产品的批量出口。目前电真空器件在高效率、小型化和太赫兹高频率三个方向均有突破性发展。下面以MPM为代表介绍其研制与发展情况。

 

上世纪90年代,国内开始关注MPM技术,由中国电科29所、中国电科12所、中国电科14所、776厂、772厂以及电子科技大学等单位联合开发的2~6GHz100W、200W型MPM和6~18GHz100W、200W型MPM、毫米波MPM陆续研制成功,主要应用于机载电子战系统中,除了满足电性指标外,还具有高可靠的环境适应性。图8为中国电科12所开发的4~18GHz 50W微波功率模块,只有6吋手机大小,尺寸为140mm×86mm×20mm,模块效率32%。其所用的小型化行波管重量仅135g,尺寸为135mm×25mm×16mm。

 

undefined

 

图7、国内2~6GHz MPM、6~18GHzMPM、毫米波MPM的外观图

 

undefined

 

图8、4~18GHz50W功率模块及其所用的小型化行波管

 

总之,目前阶段的国内电真空器件发展水平基本与国外一致,已经解决了产品的有无问题,后续还需要提高产品的效能。

 

3、MPM的发展趋势


MPM结合了固态与电真空优点,MPM的发展趋势,有如下几点。

 

(1)向更宽的频带发展

 

最初研究MPM的目的之一是为了满足带宽的要求,随着技术的进步,目前已推出了多款工作频带4.5~18GHz的MPM产品,可以在2个倍频程的带宽内提供250W的最大输出功率。L3公司还推出了工作频率18~40GHz的MMPM产品M2842,输出功率100W,尺寸为248 mm×216 mm×38mm,重量3.4kg。Thales公司也推出针对电子对抗应用多款MPM产品。例如,工作频率4.5~18GHz200W的MPM产品TH24512,工作频率18~40GHz65W的电子对抗用MPM。

 

undefined

 

图9、L3公司18~40GHzMMPM产品―M2842

 

undefined

 

图10、Thales公司4.5~18GHzMPM产品―TH24512

 

(2)进一步小型化

 

L3公司先后推出了Ku波段40W产品M1870[8]和Ka波段50W产品M1871,并注册了NanoMPM的商标。M1870产品尺寸为140mm×77mm×25mm,重700g;M1871尺寸为168 mm×104 mm×25 mm,重1.13kg。这两个MPM在尺寸上可媲美于纯固态放大器产品,并在效率上占有优势,代表了MPM的小型化水平。其输入电源电压均是28V DC,接口MIL-STD-704E,极大地方便了使用。

 

undefined

 

(a)40WKu波段MPM—M1870 (b)50WKa波段MPM—M1871

 

图11、L3公司的NanoMPM

 

(3)向更高频率推进

 

向更高的频率推进,也是MPM的发展方向。L3公司先后推出了W频段、E波段、G波段的MPM产品。2013年,L3公司推出W频段100W的MPM—M2839,其工作于92-96GHz,重量为6.3kg,尺寸375mm×213mm×83mm。2016年,L3公司在W频段MPM的基础上,推出了E波段MPM,该产品按工作频率分为71~76GHz和81~86 GHz的两个型号,尺寸都是376mm×26.5mm×7.6mm。该MMPM可产生50W的线性输出(无线性化器饱和输出120W)。2017年,L3公司推出的G频段15W的MMPM,该MMPM工作频率232~234.5 GHz,尺寸380mm×240mm×70mm,重量为9kg。

 

undefined

 

图12、MPM峰值功率与频率关系图

 

undefined

 

图13、L3公司的W波段MPM—M2839

 

undefined

 

图14、L3公司G波段MPM产品

 

4、未来展望


MPM解决了电真空的“难使用”问题,并且相对固态器件,MPM在高频段具有高效率、高功率、小体积、高性价比特点;在无人机等小型平台,利用MPM非常便捷的特点,实现雷达、干扰、通信一体化的发射机。目前用基本相同的发射机,分别验证了雷达发射机和电子战干扰机的性能,得到良好效果;后续工作需要控制资源进行整合,实现一体化的发射机,同时研制生产一系列的MPM,频率覆盖2~40G,以及V、W波段、太赫兹的MMPM和TPM。大力推广其产品应用,使其应用到无人机、诱饵、弹载、单兵作战系统。

来源:深圳市首质诚科技有限公司

在线客服

询价客服

技术选型

在线时间

周一至周五
9:00-17:30