微波电真空器件的应用发展趋势

2019年06月21日

发射器件及组件实现功率能量的放大,具有高功率、高热耗的特点,它可通过多个功率器件并联放大、也可单个器件放大再进行空间合成,自由度高。具有更高的单元输出功率,更轻的体积、重量以及更宽的工作带宽,这是整机系统对发射器件及组件的一直不变的需求。

 

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。行波管作为真空功率器件的代表,图1是行波管工作原理图。行波管相对于固态器件有两大优势。一是工作在真空环境,这意味着电子运动过程中,不与半导体晶格发生碰撞并产生热量。二是行波管可以使用“多级降压收集极”部件,获取互作用后电子的剩余能量,将其回收,进一步提升放大器总效率。高效率是太空应用电真空功率器件的主要原因。

 

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图1、行波管工作原理图

 

在过去一段时间,有源相控阵的应用曾经推动了固态功率器件的大幅投资。本世纪初,美国三军特设委员会探讨了功率器件的历史、现状和发展,提出真空器件和固态器件之间的平衡投资战略。2015年美国国防高级计划研究局DARPA分别启动了INVEST和HAVOC计划,支持真空功率器件的发展和不断增长的军事系统需要,特别是毫米波及THz电真空器件。

 

本文讨论电真空功率器件,主要是微波功率行波管和模块,在电子战应用中的发展趋势。

 

1、电真空器件与固态器件的应用情况比较


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。图3是行波管放大器与固态功率放大器应用情况的比较。

 

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图2、行波管放大器与固态功率放大器的应用对比

 

国内外结合这两种器件特点,发展了不同的功率放大器。

 

MPM(Microwave Power Moudle)的出现为电真空功率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。其后续电真空发展方向主要是MPM的研究。

 

MPM解决了电真空器件的“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。

 

2、电真空器件的特点、面临问题及发展趋势


经过60多年的发展,现阶段电真空器件已取得长足进步,具有以下优势和特点:(1)高频率、宽带、高效率在军事应用上的优势突出。单体功率大、效率高有效减小了系统的体积、重量、功耗和热耗,在星载、弹载、机载等平台上适应性更强。(2)耐高温特性。在高、低温条件下其功率波动和相位波动非常微小,对系统的环境控制大大降低。(3)抗强电磁干扰和攻击。(4)寿命大幅提高。大功率行波管使用寿命普遍大于5000小时,中小功率产品寿命大于10000小时,空间应用器件寿命达到15年,支撑武器的全寿命周期。图3为现有电真空产品的平均首次故障时间(MTTF)统计,可以看出电子战系统的MTTF时间从1970年的1千小时提升至3万小时,空间行波管的MTTF达到数百万小时量级,表现出极高的可靠性。

 

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图3、目前真空功率器件的的MTTF

 

但是,也必须看到电真空器件面临的问题,主要有以下几点:(1)电真空器件在小功率、低频段不具有优势。(2)电真空器件的使用性问题:因为电真空器件需要高电压,相对固态器件对高压电源(EPC)要求较高,原来往往先有了管子,再花时间研制高可靠EPC,耽误进度和可靠性。随着国内外大力发展MPM,解决了其使用性问题。(3)电真空器件的可靠性问题:随着工艺改进和自动化设备完善,其可靠性大大提高。但目前很多细节需要进一步完善,以及行波管的抗驻波问题。(4)电真空器件加电维护问题:由于原来电真空的工艺,要求电真空器件每3个月、6个月加电维护一次,给用户带来一定困扰。随着工艺进步,要求电真空器件每2~5年老练一次,这样可以与系统的烤机和检查匹配起来。(5)与固态器件比较的意识问题:因为电真空器件发展较早,大约60、70年代就开始装备部队;而固态器件80年代才开始普遍应用。固态器件在低频段(尤其是4GHz以下)有明显优势,在更高频段可以说各有优缺点,在毫米波以上几乎只有电真空器件,整机系统方案设计时应选择最优的器件。

 

电真空器件发展趋势主要有二个方向。一是向小型化、模块化发展:低电压化,向着MPM发展。二是向高功率微波武器和医疗等单元大功率发展。

 

3、电真空器件的未来主要研究内容


未来电真空器件的优先领域和主要内容,可以分述如下。其中近期的研究内容有:

 

(1)电真空器件的低电压化:就如固态器件电压升高,解决低压大电流问题;电真空器件将低电压,有利于电源小型化和减少打火能力(提高系统可靠性)。

 

(2)光纤型MPM:体现了未来系统对发射机的综合智能化、灵活性的需求。将发射单元的接口除大功率微波输出等其余信号都通过光纤接口进行传输,包括与上位机的遥控、遥测通信以及射频输入接口。这样,首先解决了系统电缆较重的问题,其次还具有系统的电磁兼容性好以及灵活的接口关系和扩展功能的特点;

 

(3)模块化高速调制MPM:进一步小型化MPM,外形采用类似ASAAC的插拔式标准型结构设计,输出功率既可以通道合成也可以空间合成,易于采用机架的结构形式,解决MPM容易安装、维修问题;提高调制频率,解决收发问题,利于提高接收机灵敏度。

 

(4)长储存周期性MPM:由于MPM包含有TWT,原来的TWT老练周期短,针对弹载环境需要长存储周期使用,需要长储存周期性的MPM(周期17年,可结合定期检查进行老练存储)。

 

(5)宽带MPM:比如4~18GHz功率50W~100W的MPM,2.7~12GHz功率200W的MPM,18~40GHz功率50W~100W的MPM。这样,可大大减少发射机覆盖数量,同时针对性覆盖重点频率。

 

(6)航天应用的TWTA(行波管放大器)或MPM:随着二代导航、商业卫星发展,后续太空竞争将会促使航天应用的TWTA(行波管放大器)或MPM很大发展。

 

将来进一步的研究内容主要可以包括以下两点。

 

(1) 双模型MPM:目前目标实现两个体制干扰方式;采用同一台MPM实现两种工作模式:模式一,低占空比、高峰值功率输出,对付老式雷达;模式二,高占空比(可达到连续波)、相对低的功率输出,对付新式雷达。优点:解决MPM峰值高功率和大占比应用的矛盾问题。通过此技术的进一步衍生:在无人机等小型平台,实现雷达、干扰、通信一体化的发射机。

 

(2)T/R型MPM:解决电子战的天线共孔径问题,因为宽带大功率的环形器损耗、体积很大;通过EPC对TWT控制,实现TWT同一输出端子实现T/R功能,将大大解决系统带宽、小型化和可靠性问题。

 

(3) 功率精准控制型双管MPM:基础单元为双管集成,利用TWT的随温度其输出功率、增益、相位变化很小的特点,通过精密控制和快速引导,实时实现对发射功率的灵活、精准控制,实现多种干扰体制。

 

4、MPM典型特点及应用分析


(1)单体使用

 

针对未来战争的分布式“蜂群”作战需求,无人机、诱饵、弹载、单兵作战系统,要求干扰发射机具有高性价比;能实现大功率收发一体化;以及探测和干扰一体化。这也需要电真空器件小型化、综合化、灵巧化、实用化,即MPM将是其首选的功率器件。

 

(2)双模MPM

 

针对在无人机等小型平台,实现雷达、干扰、通信一体化的发射机,可使用双模型MPM发射机:高模状态下,4%工作比2KW输出功率(或10%工作比1KW输出功率)的SAR雷达发射机,可以取得比较好地成像效果;同时在低模状态下,即准连续波状态占空比、150W输出功率准连续波模式,此模式适合电子战使用后续需要控制资源进行整合,实现一体化的发射机。如图4所示。

 

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图4、T/R双模MPM的应用框图

 

同时在图4应用中,如果mini-TWT能实现双向传输(即发射端也能接收),就可以去掉环形器,这不仅大大缩小了体积,同时由于高功率环形器存在1dB以上的插损,可大大提高发射性能。

 

国外有报道指出,雷达的占空比有不断提高趋势,现在占空比可超过30%。那么,就存在这样想法:边发边收的工作模式,即T/R分开的模式,其好处是不浪费发射时间的接收性能,但这也引入了发射期间对接收通道的串扰问题。可以将发射通道信号引入到处理单元,进行相干处理,这样可获得很好的隔离度,不影响收发同时进行,如图5所示。

 

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图5、脉冲/连续波双模MPM的应用框图

 

(3)利用行波管的温度特性,实现精准控制和多干扰体制

 

随温度变化,行波管的输出功率、增益、相位变化很小。比如-55℃~125℃,其输出功率、增益变化不到1dB,输出相位变化不到5º。利用这个特性,通过精密控制和快速引导,实时实现对发射功率的灵活、精准控制,实现多种干扰体制。

 

(4)利用行波管的高效率和耐高温特性,使其应用在较差环境

 

行波管在高频段(4GHz以上频率)宽带情况下具有高效率,一般效率可达35%以上;同时其在125℃,甚至到150℃,其主要特性基本不变。因此,其适合应用在环控条件比较差的环境。这样可以使行波管或MPM在无环控的装机部位以及严酷的弹载环境。

 

以色列空军现在已将抛射型诱饵改为拖曳式诱饵。MPM具有高效率、耐高温、耐高压的特性,使其成为拖曳式诱饵的功率发射器件的设计首选。

 

5、结论


更高的输出功率密度,更宽的工作带宽,以及更小的体积、重量,这是整机系统对发射器件及组件的一直不变的需求。电真空器件与固态器件各有特点,应根据具体应用场合和具体发射频率,做最优选用。电真空器件虽然面临一些问题,但是电真空器件的优势也很明显,真空器件是实现毫米波、太赫兹功率的必经之路。本文陈述了电真空器件未来发展趋势和具体研究内容,并分析了其典型应用:单体使用,双模MPM应用,实时精准控制的应用,拖曳诱饵的应用等。显然,真空器件需求仍然强盛,应用范围将继续拓展。

 

充分了解器件特性,才能使装备得到最好的性价比,得到更好地发展。一方面,加强整机单位和器件单位的交流和沟通,可以促进器件的改进和优化,最佳匹配-整机需求;整机单位熟悉器件的特点和特性,不仅设计时可扬长避短,而且能充分拓展其应用。另一方面,不同研究领域的单位充分沟通了解,容易创造灵感,产生交叉技术和新的产品。

 

本文作者为中国电子科技集团公司第二十九研究所王斌研究员、周旭研究员等。

来源:深圳市首质诚科技有限公司

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