微波功率模块的发展状况及趋势

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)。

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。

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。

图3、L3公司的6-18GHzMPM——M1245

图4、2-18GHz 300W连续波MPM（2 TWTs）

图5、15-18GHz 1kW脉冲MPM

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。

图7、国内2～6GHz MPM、6～18GHzMPM、毫米波MPM的外观图

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。

图9、L3公司18~40GHzMMPM产品―M2842

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。

（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。

图12、MPM峰值功率与频率关系图

图13、L3公司的W波段MPM—M2839

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。