微波电真空器件的应用发展趋势.docVIP

微波电真空器件的应用发展趋势 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。 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。 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。 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