微波功率放大器原理及发展历程

2021-06-08 17:31:34      点击:
微波功率放大器主要分为真空和固态两种形式。基于真空器件的功率放大器,曾在军事装备的发展史上扮演过重要角色,而且由于其功率与效率的优势,现在仍广泛应用于雷达、通信、电子对抗等领域。后随着GaAs晶体管的问世,固态器件开始在低频段替代真空管,尤其是随着GaN,SiC等新材料的应用,固态器件的竞争力已大幅提高[1]。本文将对两种器件以及它们竞争与融合的产物——微波功率模块(MPM)的发展情况作一介绍与分析,以充分了解国际先进水平,也对促进国内技术的发展有所助益。

真空放大器件


跟固态器件相比,真空器件的主要优点是工作频率高、频带宽、功率大、效率高,主要缺点是体积和质量均较大。真空器件主要包括行波管、磁控管和速调管,它们具有各自的优势,应用于不同的领域。其中,行波管主要优势为频带宽,速调管主要优势为功率大,磁控管主要优势为效率高。行波管应用最为广泛,因此本文主要以行波管为例介绍真空器件。

历史发展


真空电子器件的发展可追溯到二战期间。1963年,TWTA技术在设计变革方面取得了实质性进展,提高了射频输出的功率和效率,封装也更加紧凑。1973年,欧洲首个行波管放大器研制成功。然而,到了20世纪70年代中期,半导体器件异军突起,真空器件投入大幅减少,其发展遭遇极大困难。直到21世纪初,美国三军特设委员会详细讨论了功率器件的历史、现状和发展,指出真空器件和固态器件之间的平衡投资战略。2015年,美国先进计划研究局DARPA分别启动了INVEST,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行波管[2-4]。当前真空器件已取得长足进步,在雷达、通信、电子战等系统中应用广泛。

研究与应用现状


随着技术的不断进步,现阶段行波管主要呈现以下特点。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、机载等平台上适应性更强,从而在军事应用上优势突出。二是耐高温特性,使行波管的功率和相位随着温度的变化波动微小,对系统的环境控制要求大大降低。三是抗强电磁干扰和攻击特性,使其在高功率微波武器和微波弹的对抗中显示出坚实的生存能力。四是寿命大幅提高,统计研究显示,大功率行波管使用寿命普遍大于5 000 h,中小功率产品寿命大于10 000 h,达到武器全寿命周期。图1为2000年前产品的平均首次故障时间(MTTF)统计,可以看出各类系统中真空器件的稳定性都有提升,空间行波管的MTTF更是达到数百万h量级,表现出极高的可靠性[1, 4]。

功率放大器
真空功率器件MTTF概况


公开报道显示,美军作战平台中真空器件被大量使用,是现役电子战、雷达和通信的主要功率器件。新开发的高频段、小型化行波管及功率模块进一步推动高性能装备的不断出现。典型应用包括车载防空反导系统、地基远程预警与情报系统、机载火控系统、无人机通信系统、电子战系统、空间以及卫星通信系统等[5]。下面介绍当前正在研究和应用的行波管的几种重要技术。

行波管有源组阵技术



国外近几年主要在更高频段发展一系列的小型化行波管,频段覆盖X,Ku,K,Ka,140 GHz等,并不断在新技术上获得突破。国内经过近10多年的努力,行波管在保持大功率和高效率的前提下,体积减小了1个数量级,为有源组阵技术奠定了良好的基础。

行波管有源组阵的形式分为单元放大式和子阵放大式两种。与无源相控阵相比,其单个行波管的功率要求低,器件的可靠性和寿命相对较高。同时各通道相对独立,某通道出现故障不会影响到其他通道,因此系统的可靠性高。而且整个辐射阵面可以分多个区域独立工作,实现系统多目标、多任务的能力。与固态有源相控阵相比,作用距离更远,威力更大,且配套的冷却车和电源车相对短小精悍,系统机动性高,战场生存能力强。由于其全金属、陶瓷密封结构,在面对高功率微波武器时的生存能力更强。在相同的阵面功率时所需的单元数将少1个数量级,因此成本会大幅降低。与单脉冲雷达相比,其作用距离、分辨率、多目标、多任务、寿命及任务可靠性等指标会更好[5]。目前,国内正在开展基于行波管的Ku波段稀布阵低栅瓣技术研究,以期在阵元间距30 mm的条件下实现−20 dB的栅瓣。


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。

毫米波和THz行波管


5G移动通信技术的发展,对Ka到W波段的毫米波功率放大器提出了需求。未来5G需要宽带接入一个地区,而又不能采用光纤的地方,则只能选择毫米波波段[6]。THz波由于具有频率高、宽带宽、波束窄等特点,使得其在雷达探测领域具有重大的应用潜力。但随着频率的升高,对器件的加工工艺要求也越来越高。近年来,微机械(MEMS)微细加工工艺的全面引入改善了传统工艺,使得真空器件工作频率进入到毫米波和THz频段,现有器件最高已经达到1 THz。短毫米波行波管近年来渐趋成熟,并初步形成了相关的系列产品,表1为国内外典型毫米波行波管产品[7]。诺格公司在2013年成功研制出了220 GHz的折叠波导行波管功率放大器,国内中电第十二研究所以及中国工程物理研究院都开展了220 GHz行波管的研究工作,诺格公司在2016年还首次将行波管工作频率提高到1 THz[8]。表2为一些THz行波管典型研究的测试结果。
功率放大器
功率放大器

发展趋势



更高频段



毫无疑问,工作频段高是TWTA的绝对优势所在。在高频段,固态功率放大器(SSPA)的输出功率和效率均远低于TWTA,因此高频化是TWTA的必然发展趋势。MEMS微细加工工艺促使毫米波和THz频段的研究推进。空间行波管随着Ku波段的趋于饱和以及高清电视、多媒体通信等市场需求的驱动使得Ka波段的应用逐渐增多,而且有往Q/V频段迁移的趋势,已逐渐成为新的研究热点[9]。而THz频段的通信具有极高传输速率,随着波导技术的进步,在外太空探测中TWTA的应用潜力很大。

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[10]。

小型化行波管



TWTA小型化技术在过去几十年中已有了显著的改进,而且行波管有源组阵等技术的发展推动着行波管小型化不断向前发展。另外TWTA的一个潜在的变化是增加Mini-TWT的使用。Mini-TWT是传统TWT的小版本,是微波功率模块的基础,虽无法达到高射频输出功率,但在减小体积的同时也提高了效率,尤其在卫星通信等领域影响重大[11-12]。


固态放大器件



固态器件,也就是半导体电子器件。与TWTA类似,SSPA通常需配置集成电源,其不同在于,SSPA使用场效应晶体管作为射频功率放大的主要器件,工作电压低,实现也更加容易。由于其单体输出功率较低,为了实现高功率放大,SSPA需要将许多功率晶体管并联放置,从而实现输出功率的合成。固态器件具有体积小、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。

历史发展



二战以来,信息技术取得了飞速发展,发起并推动了第三次科技革命,深刻地改变了人们的生活和学习方式,也改变了世界格局和军事斗争形式。微电子技术是信息技术的核心,而半导体材料是微电子技术的基石[13]。受半导体材料本身的限制,固态功率器件效率比较低,在较高频率下输出功率非常小,并且随着频率和带宽的增加,其输出功率电平显著下降,器件成本也大幅度上升。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材料深刻地改变了固态功率放大器的性能,并引起了人们的关注和研究。


研究与应用现状



应用现状



公开信息显示,各家的产品主要还是集中在L,S和C波段。就空间应用SSPA来说,2016年,马萨诸塞州航空航天技术研究所的研究表明,SSPA实际上可用于高达Ku波段的频率,且该波段中SSPAs的比例从波音公司之前研究中的大约1%增加到6%,但更高波段则很少有应用了。一些领先的制造商的产品也可以大致说明SSPA的应用情况。NEC公司的SSPA,在L波段输出功率和标称增益为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波段器件的输出功率为15 W,效率为31%,标称增益为67 dB,C波段的输出功率为20 W,效率为37%,标称增益为70 dB[11]。


GaN产品



GaN材料作为宽禁带半导体的重要代表,以优越的性能优势,在众多半导体材料中脱颖而出,引起了广泛的关注和研究。如表3所示,GaN相比其它材料具有更优越的特性:大的禁带宽度,是GaN材料大功率应用的根本所在;优越的电子迁移率,决定了器件的最高工作频率和放大增益;高的饱和电子漂移速度,提高了频率特性,使其适于高频器件的应用;高的击穿场强,有利于器件应用于大功率信号,也有利于器件尺寸的减小;良好的热导率,可降低沟道温度,使得器件的工作性能稳定;低的介电常数,这可使器件尺寸增大以提高器件功率,也可提高器件频率特性;高的Baliga优值,使其特别适合于高频宽带大功率领域应用[13-14]。
功率放大器

近年来,在微波发射系统中普遍应用多个微波单片集成电路(MMIC)进行功率合成以获得更高的输出功率。而采用GaN材料研制的MMIC单片功率密度高、电流小、效率高。国内已采用Ku频段GaN材料单片和一款波导合成网络研制出一种功率放大器,并通过多个该放大器进行功率合成,得到了更大的宽带输出功率,在军事及民用领域均可适用[15-16]。另提出了一种基于等效电路参数多偏差统计模型的微波GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)功率放大器的设计方法,并利用统计建模方法验证了统计模型。采用此模型进行Ku波段GaN HEMT功率放大器设计,具有较高的漏极效率,模拟结果在统计上与测量结果一致[17]。

发展趋势


GaN和SiC等新材料优势明显,它们使得固态器件的功率、频率和带宽都得到了极大的提高。SiC的材料成本较高,这也成为阻碍其发展的一个因素,但应用前景广阔。GaN技术正快速发展并逐步走向应用,未来还将继续向高功率和高效率改进,包括基于金刚石衬底提高散热能力和最大功率密度,采用新型场板结构改善晶体管电流崩塌效应以提高输出功率,采用堆叠结构提高功放电路电压摆幅和输出功率等。此外,它还将继续向更高频段突破,包括等比例缩小技术提升特征频率,克服击穿电压降低、短沟道效应、漏延迟、寄生RC延迟恶化等问题。更高集成度增强技术,电渗析法(ED)工艺技术及支持片上系统SoC技术等也是其发展方向[18]。

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,可以应用的频段也更高,但真空器件需要高压电源,体积和质量较大。而固态功率器件由于半导体本身材料限制,效率较低,而且不适用于高频率。在此情况下,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分利用了真空器件和固态器件的优点,并避免了其各自的缺点,从而获得高增益、低噪声、大功率、高效率等二者单独使用无法获得的优良性能。其集成电源的设计使用户不用直接面对高压,提高了安全性。

MPM简介


MPM将固态功放、小型化行波管及微型集成电源全部封装在一个小空间内,创造性地把固态和真空两种技术结合起来,在性能上远远地超过单独的固态和真空器件。如图2所示,固态放大器作为前级,为整个放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[19]。

功率放大器
MPM的组成


MPM将两种器件的优点有机结合,具备了大功率、高效率、小体积和低噪声等优点,可用于通信、电子对抗以及民用领域。对于机载和星载等应用平台,由于其对放大器的体积、质量等要求严格,MPM也将具有很好的前景[20]。另外,由于MPM应用非常方便,传统的TWTA也有被MPM替代的趋势。

MPM研究现状


国外发展现状



MPM的概念自20世纪80年代末首次提出以来,相关技术已较为成熟。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,最高已达到W波段和G波段,连续波输出功率最高达250 W,并呈现出低频模块高功率化、低功率模块高频化的特点[21]。
功率放大器
当前MPM频率功率分布

MPM谐波抑制均控制在−11~4 dBc之间,杂波控制在−60~40 dBc之间。MPM效率主要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一直处于领先水平,MPM产品效率均在30%左右。在小型化上,各厂家MPM尺寸上严格把控,总体控制较为成熟,相对集中在2~3 kg之间。而在尺寸上由于散热、电磁兼容设计等不同,体积大小不一,部分产品达到了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,注册商标采用NanoMPM,尺寸为127 mm×76 mm×25 mm,且质量仅为700 g[21]。
功率放大器
M1871 MPM

国内发展现状


在我国,对于MPM的研究起步比较晚,直到2001年以后才正式开展MPM的研究。通过近20年的努力,在典型频段内,国内也成功研制了功率量级和尺寸与国外相当的MPM产品。当前,国内研发的W波段MPM,实现连续波50 W的输出功率,增益47 dB,带宽6 GHz,尺寸370 mm×180 mm×45 mm,模块总效率超过10%,均衡放大组件能提供16.5 dB以上的增益,均衡量达到7 dB。测试结果显示,在6 GHz带宽内输出功率大于50 W,整管效率为15.7%,集成电源能提供最高17 kV的高压,该模块满足了雷达、通信、电子对抗等系统对W波段宽带大功率输出的要求[22]。中国电子科技集团公司第十二研究所开发的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,质量135 g。中国航天科技集团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,两支固态放大器、行波管和集成电源安装在一个盒体内,其中固态放大器安装于行波管上方,通过螺钉紧固在机壳上,固态放大器和行波管之间通过半钢电缆进行互联,尺寸为310 mm×248 mm×60 mm,重量<7 kg[1, 21]。

功率放大器
Ku频段500 W脉冲双管MPM

MPM发展趋势


高频率与宽频带


向更高的频率推进,是MPM的发展方向。目前其工作频段已经达到了毫米波波段,我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,其工作于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,该产品按工作频率分为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初研制MPM的目的之一,随着技术的发展,目前已推出了多款工作频带4.5~18 GHz的MPM产品,可以在2个倍频程的带宽内提供250 W的最大输出功率[1, 21]。Thales公司推出针对电子对抗应用的MPM产品,如图7所示工作频率4.5~18 GHz的200 W MPM产品TH24512,以及工作频率18~40 GHz的65 W电子对抗用MPM[23]。
功率放大器
TH24512 MPM

小型化


实现MPM的小型化,首先要实现各组件自身的小型化。而行波管作为MPM的末级输出,影响最为关键。L3公司推出的产品M1870(Ku波段)和M1871(Ka波段)。它们的功率分别为40 W和50 W,尺寸分别为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[1, 21, 23]。集成电源也是一个重要部分。信息工程大学在2016年研制的厚度不足12 mm、效率达到94%左右的用于MPM的EPC组件,如图8所示,在超薄设计上达到国内先进水平,为MPM的小型化设计和阵列化应用奠定了基础。
功率放大器
信息工程大学的超薄EPC组件

标准化


MPM模块化的设计为大批量生产提供了便利,可使成本进一步降低,在模块化基础上生产的系列产品可根据不同场合要求进行设计,从而满足不同需求。如针对雷达应用的工作频段13.5~18 GHz功率110 W产品、针对数据通信应用的工作频段14.5~15.5 GHz功率100 W产品,均采用了统一的2 250 mm×232 mm×35 mm封装,系列产品标准化程度较高。另外,针对电子作战、卫星通信传输等宽频带高功率的要求,也在进行相应的标准化设计。

新型MPM



随着各类信息系统和器件不断朝着微型化和集成化的方向发展,双通道MPM、双模MPM和T/R型MPM等将成为研究重点。双通道MPM可同时实现两路干扰信号输出,也具备空间合成能力,功率密度较传统MPM提高近1倍。当一路行波管出现故障时,MPM仍可在功率减半的条件下工作,提高MPM的冗余度。双模MPM同时实现准连续波和脉冲两种工作模式,实现新型的双模干扰体制,为小型化、高性价比的雷达干扰一体化奠定基础。T/R型MPM使系统的天线可以收发共孔径,突破行波管收发功能,解决环型器频段限制和损耗问题。


MPM作为一种全新的功率器件,将真空和固态器件进行了有效结合,其应用已经覆盖了军事、民用等各个领域。针对应用环境的不同,MPM也可通过合理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信的应用,则提高线性度;满足星载和机载系统的应用,则增强效率;满足电子对抗系统的应用,则实现高增益。随着技术的发展,MPM在无人机等平台上也将表现出更为重要的作用。

总 结



功率放大器的最新技术继续得益于固态和真空技术的共同进步。通过对商业化产品和工业级的原型器件的统计,得出了当代放大器可用峰值饱和输出功率随频率变化的曲线,如图9所示。图中将单个GaN MMIC的峰值饱和输出功率与单个行波管器件和集成的MPM进行比较,可以看到,大于50 dBm的输出功率水平代表了毫米波频率范围内商业器件性能的前沿。特别是MPM适用于小体积、轻质量、大功率、低成本(SWaP-efficient)等高性价比应用平台。
功率放大器
真空、固态及MPM最新饱和输出功率随频率变化图