發(fā)射器件及組件實(shí)現(xiàn)功率能量的放大，具有高功率、高熱耗的特點(diǎn)，它可通過多個功率器件并聯(lián)放大、也可單個器件放大再進(jìn)行空間合成，自由度高。具有更高的單元輸出功率，更輕的體積、重量以及更寬的工作帶寬，這是整機(jī)系統(tǒng)對發(fā)射器件及組件的一直不變的需求。

發(fā)射器件主要分為半導(dǎo)體固態(tài)器件和電真空器件兩種形式。電真空器件作為功率放大器，在軍事裝備的發(fā)展歷史上扮演了非常重要角色，直到現(xiàn)在仍是是雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的核心元器件。GaAs晶體管問世之前，真空管是功率放大和發(fā)射的唯一解決方案。后來，晶體管半導(dǎo)體固態(tài)器件開始在低頻段替代真空管，伴隨著頻率的增高，兩者互有競爭，互相補(bǔ)充，在高頻率段，一直是電真空器件的領(lǐng)地。電真空器件是實(shí)現(xiàn)大功率毫米波的必經(jīng)之路。行波管作為真空功率器件的代表，圖1是行波管工作原理圖。行波管相對于固態(tài)器件有兩大優(yōu)勢。一是工作在真空環(huán)境，這意味著電子運(yùn)動過程中，不與半導(dǎo)體晶格發(fā)生碰撞并產(chǎn)生熱量。二是行波管可以使用“多級降壓收集極”部件，獲取互作用后電子的剩余能量，將其回收，進(jìn)一步提升放大器總效率。高效率是太空應(yīng)用電真空功率器件的主要原因。

圖1、行波管工作原理圖

在過去一段時間，有源相控陣的應(yīng)用曾經(jīng)推動了固態(tài)功率器件的大幅投資。本世紀(jì)初，美國三軍特設(shè)委員會探討了功率器件的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展，提出真空器件和固態(tài)器件之間的平衡投資戰(zhàn)略。2015年美國國防高級計(jì)劃研究局DARPA分別啟動了INVEST和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，特別是毫米波及THz電真空器件。

本文討論電真空功率器件，主要是微波功率行波管和模塊，在電子戰(zhàn)應(yīng)用中的發(fā)展趨勢。

1、電真空器件與固態(tài)器件的應(yīng)用情況比較

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，但需要克服高頻段單件功率小、效率低、溫漂大和系統(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等需要克服的問題。圖3是行波管放大器與固態(tài)功率放大器應(yīng)用情況的比較。

圖2、行波管放大器與固態(tài)功率放大器的應(yīng)用對比

國內(nèi)外結(jié)合這兩種器件特點(diǎn)，發(fā)展了不同的功率放大器。

MPM（Microwave Power Moudle）的出現(xiàn)為電真空功率器件特別是行波管的應(yīng)用插上了翅膀。目前兩類器件間的競爭已經(jīng)主要轉(zhuǎn)化為純固態(tài)器件與MPM之間的競爭。其后續(xù)電真空發(fā)展方向主要是MPM的研究。

MPM解決了電真空器件的“難使用”問題，并且相對固態(tài)器件，MPM在高頻段具有高效率、高功率、小體積、高性價比特點(diǎn)；在無人機(jī)等小型平臺，利用MPM非常便捷的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、干擾、通信一體化的發(fā)射機(jī)。目前用基本相同的發(fā)射機(jī)，分別驗(yàn)證了雷達(dá)發(fā)射機(jī)和電子戰(zhàn)干擾機(jī)的性能，得到良好效果；后續(xù)工作需要控制資源進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)一體化的發(fā)射機(jī)，同時研制生產(chǎn)一系列的MPM，頻率覆蓋2～40G，以及V、W波段、太赫茲的MMPM和TPM。大力推廣其產(chǎn)品應(yīng)用，使其應(yīng)用到無人機(jī)、誘餌、彈載、單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)。

2、電真空器件的特點(diǎn)、面臨問題及發(fā)展趨勢

經(jīng)過60多年的發(fā)展，現(xiàn)階段電真空器件已取得長足進(jìn)步，具有以下優(yōu)勢和特點(diǎn)：（1）高頻率、寬帶、高效率在軍事應(yīng)用上的優(yōu)勢突出。單體功率大、效率高有效減小了系統(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)。（2）耐高溫特性。在高、低溫條件下其功率波動和相位波動非常微小，對系統(tǒng)的環(huán)境控制大大降低。（3）抗強(qiáng)電磁干擾和攻擊。（4）壽命大幅提高。大功率行波管使用壽命普遍大于5000小時，中小功率產(chǎn)品壽命大于10000小時，空間應(yīng)用器件壽命達(dá)到15年，支撐武器的全壽命周期。圖3為現(xiàn)有電真空產(chǎn)品的平均首次故障時間(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3萬小時，空間行波管的MTTF達(dá)到數(shù)百萬小時量級，表現(xiàn)出極高的可靠性。

圖3、目前真空功率器件的的MTTF

但是，也必須看到電真空器件面臨的問題，主要有以下幾點(diǎn)：（1）電真空器件在小功率、低頻段不具有優(yōu)勢。（2）電真空器件的使用性問題：因?yàn)殡娬婵掌骷枰唠妷海鄬虘B(tài)器件對高壓電源（EPC）要求較高，原來往往先有了管子，再花時間研制高可靠EPC，耽誤進(jìn)度和可靠性。隨著國內(nèi)外大力發(fā)展MPM，解決了其使用性問題。（3）電真空器件的可靠性問題：隨著工藝改進(jìn)和自動化設(shè)備完善，其可靠性大大提高。但目前很多細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步完善，以及行波管的抗駐波問題。（4）電真空器件加電維護(hù)問題：由于原來電真空的工藝，要求電真空器件每3個月、6個月加電維護(hù)一次，給用戶帶來一定困擾。隨著工藝進(jìn)步，要求電真空器件每2~5年老練一次，這樣可以與系統(tǒng)的烤機(jī)和檢查匹配起來。（5）與固態(tài)器件比較的意識問題：因?yàn)殡娬婵掌骷l(fā)展較早，大約60、70年代就開始裝備部隊(duì)；而固態(tài)器件80年代才開始普遍應(yīng)用。固態(tài)器件在低頻段（尤其是4GHz以下）有明顯優(yōu)勢，在更高頻段可以說各有優(yōu)缺點(diǎn)，在毫米波以上幾乎只有電真空器件，整機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時應(yīng)選擇最優(yōu)的器件。

電真空器件發(fā)展趨勢主要有二個方向。一是向小型化、模塊化發(fā)展：低電壓化，向著MPM發(fā)展。二是向高功率微波武器和醫(yī)療等單元大功率發(fā)展。

3、電真空器件的未來主要研究內(nèi)容

未來電真空器件的優(yōu)先領(lǐng)域和主要內(nèi)容，可以分述如下。其中近期的研究內(nèi)容有：

（1）電真空器件的低電壓化：就如固態(tài)器件電壓升高，解決低壓大電流問題；電真空器件將低電壓，有利于電源小型化和減少打火能力（提高系統(tǒng)可靠性）。

（2）光纖型MPM：體現(xiàn)了未來系統(tǒng)對發(fā)射機(jī)的綜合智能化、靈活性的需求。將發(fā)射單元的接口除大功率微波輸出等其余信號都通過光纖接口進(jìn)行傳輸，包括與上位機(jī)的遙控、遙測通信以及射頻輸入接口。這樣，首先解決了系統(tǒng)電纜較重的問題，其次還具有系統(tǒng)的電磁兼容性好以及靈活的接口關(guān)系和擴(kuò)展功能的特點(diǎn)；

（3）模塊化高速調(diào)制MPM：進(jìn)一步小型化MPM，外形采用類似ASAAC的插拔式標(biāo)準(zhǔn)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輸出功率既可以通道合成也可以空間合成，易于采用機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式，解決MPM容易安裝、維修問題；提高調(diào)制頻率，解決收發(fā)問題，利于提高接收機(jī)靈敏度。

（4）長儲存周期性MPM：由于MPM包含有TWT，原來的TWT老練周期短，針對彈載環(huán)境需要長存儲周期使用，需要長儲存周期性的MPM（周期17年，可結(jié)合定期檢查進(jìn)行老練存儲）。

（5）寬帶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。這樣，可大大減少發(fā)射機(jī)覆蓋數(shù)量，同時針對性覆蓋重點(diǎn)頻率。

（6）航天應(yīng)用的TWTA（行波管放大器）或MPM：隨著二代導(dǎo)航、商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展，后續(xù)太空競爭將會促使航天應(yīng)用的TWTA（行波管放大器）或MPM很大發(fā)展。

將來進(jìn)一步的研究內(nèi)容主要可以包括以下兩點(diǎn)。

（1） 雙模型MPM：目前目標(biāo)實(shí)現(xiàn)兩個體制干擾方式；采用同一臺MPM實(shí)現(xiàn)兩種工作模式：模式一，低占空比、高峰值功率輸出，對付老式雷達(dá)；模式二，高占空比（可達(dá)到連續(xù)波）、相對低的功率輸出，對付新式雷達(dá)。優(yōu)點(diǎn)：解決MPM峰值高功率和大占比應(yīng)用的矛盾問題。通過此技術(shù)的進(jìn)一步衍生：在無人機(jī)等小型平臺，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、干擾、通信一體化的發(fā)射機(jī)。

（2）T/R型MPM：解決電子戰(zhàn)的天線共孔徑問題，因?yàn)閷拵?a target="_blank" class="keylink">大功率的環(huán)形器損耗、體積很大；通過EPC對TWT控制，實(shí)現(xiàn)TWT同一輸出端子實(shí)現(xiàn)T/R功能，將大大解決系統(tǒng)帶寬、小型化和可靠性問題。

（3） 功率精準(zhǔn)控制型雙管MPM：基礎(chǔ)單元為雙管集成，利用TWT的隨溫度其輸出功率、增益、相位變化很小的特點(diǎn)，通過精密控制和快速引導(dǎo)，實(shí)時實(shí)現(xiàn)對發(fā)射功率的靈活、精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)多種干擾體制。

4、MPM典型特點(diǎn)及應(yīng)用分析

（1）單體使用

針對未來戰(zhàn)爭的分布式“蜂群”作戰(zhàn)需求，無人機(jī)、誘餌、彈載、單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)，要求干擾發(fā)射機(jī)具有高性價比；能實(shí)現(xiàn)大功率收發(fā)一體化；以及探測和干擾一體化。這也需要電真空器件小型化、綜合化、靈巧化、實(shí)用化，即MPM將是其首選的功率器件。

（2）雙模MPM

針對在無人機(jī)等小型平臺，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、干擾、通信一體化的發(fā)射機(jī)，可使用雙模型MPM發(fā)射機(jī)：高模狀態(tài)下，4%工作比2KW輸出功率（或10%工作比1KW輸出功率）的SAR雷達(dá)發(fā)射機(jī)，可以取得比較好地成像效果；同時在低模狀態(tài)下，即準(zhǔn)連續(xù)波狀態(tài)占空比、150W輸出功率準(zhǔn)連續(xù)波模式，此模式適合電子戰(zhàn)使用后續(xù)需要控制資源進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)一體化的發(fā)射機(jī)。如圖4所示。

圖4、T/R雙模MPM的應(yīng)用框圖

同時在圖4應(yīng)用中，如果mini-TWT能實(shí)現(xiàn)雙向傳輸（即發(fā)射端也能接收），就可以去掉環(huán)形器，這不僅大大縮小了體積，同時由于高功率環(huán)形器存在1dB以上的插損，可大大提高發(fā)射性能。

國外有報(bào)道指出，雷達(dá)的占空比有不斷提高趨勢，現(xiàn)在占空比可超過30%。那么，就存在這樣想法：邊發(fā)邊收的工作模式，即T/R分開的模式，其好處是不浪費(fèi)發(fā)射時間的接收性能，但這也引入了發(fā)射期間對接收通道的串?dāng)_問題?？梢詫l(fā)射通道信號引入到處理單元，進(jìn)行相干處理，這樣可獲得很好的隔離度，不影響收發(fā)同時進(jìn)行，如圖5所示。

圖5、脈沖/連續(xù)波雙模MPM的應(yīng)用框圖

（3）利用行波管的溫度特性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和多干擾體制

隨溫度變化，行波管的輸出功率、增益、相位變化很小。比如-55℃~125℃，其輸出功率、增益變化不到1dB，輸出相位變化不到5º。利用這個特性，通過精密控制和快速引導(dǎo)，實(shí)時實(shí)現(xiàn)對發(fā)射功率的靈活、精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)多種干擾體制。

（4）利用行波管的高效率和耐高溫特性，使其應(yīng)用在較差環(huán)境

行波管在高頻段(4GHz以上頻率)寬帶情況下具有高效率，一般效率可達(dá)35%以上；同時其在125℃，甚至到150℃，其主要特性基本不變。因此，其適合應(yīng)用在環(huán)控條件比較差的環(huán)境。這樣可以使行波管或MPM在無環(huán)控的裝機(jī)部位以及嚴(yán)酷的彈載環(huán)境。

以色列空軍現(xiàn)在已將拋射型誘餌改為拖曳式誘餌。MPM具有高效率、耐高溫、耐高壓的特性，使其成為拖曳式誘餌的功率發(fā)射器件的設(shè)計(jì)首選。

5、結(jié)論

更高的輸出功率密度，更寬的工作帶寬，以及更小的體積、重量，這是整機(jī)系統(tǒng)對發(fā)射器件及組件的一直不變的需求。電真空器件與固態(tài)器件各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場合和具體發(fā)射頻率，做最優(yōu)選用。電真空器件雖然面臨一些問題，但是電真空器件的優(yōu)勢也很明顯，真空器件是實(shí)現(xiàn)毫米波、太赫茲功率的必經(jīng)之路。本文陳述了電真空器件未來發(fā)展趨勢和具體研究內(nèi)容，并分析了其典型應(yīng)用：單體使用，雙模MPM應(yīng)用，實(shí)時精準(zhǔn)控制的應(yīng)用，拖曳誘餌的應(yīng)用等。顯然，真空器件需求仍然強(qiáng)盛，應(yīng)用范圍將繼續(xù)拓展。

充分了解器件特性，才能使裝備得到最好的性價比，得到更好地發(fā)展。一方面，加強(qiáng)整機(jī)單位和器件單位的交流和溝通，可以促進(jìn)器件的改進(jìn)和優(yōu)化，最佳匹配-整機(jī)需求；整機(jī)單位熟悉器件的特點(diǎn)和特性，不僅設(shè)計(jì)時可揚(yáng)長避短，而且能充分拓展其應(yīng)用。另一方面，不同研究領(lǐng)域的單位充分溝通了解，容易創(chuàng)造靈感，產(chǎn)生交叉技術(shù)和新的產(chǎn)品。

本文作者為中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所王斌研究員、周旭研究員等。