微波功率放大器主要分為真空和固態(tài)兩種形式。基于真空器件的功率放大器，曾在軍事裝備的發(fā)展史上扮演過重要角色，而且由于其功率與效率的優(yōu)勢，現(xiàn)在仍廣泛應用于雷達、通信、電子對抗等領域。后隨著GaAs晶體管的問世，固態(tài)器件開始在低頻段替代真空管，尤其是隨著GaN，SiC等新材料的應用，固態(tài)器件的競爭力已大幅提高[1]。本文將對兩種器件以及它們競爭與融合的產物——微波功率模塊（MPM）的發(fā)展情況作一介紹與分析，以充分了解國際先進水平，也對促進國內技術的發(fā)展有所助益。

1.   真空放大器件

跟固態(tài)器件相比，真空器件的主要優(yōu)點是工作頻率高、頻帶寬、功率大、效率高，主要缺點是體積和質量均較大。真空器件主要包括行波管、磁控管和速調管，它們具有各自的優(yōu)勢，應用于不同的領域。其中，行波管主要優(yōu)勢為頻帶寬，速調管主要優(yōu)勢為功率大，磁控管主要優(yōu)勢為效率高。行波管應用最為廣泛，因此本文主要以行波管為例介紹真空器件。

1.1   歷史發(fā)展

真空電子器件的發(fā)展可追溯到二戰(zhàn)期間。1963年，TWTA技術在設計變革方面取得了實質性進展，提高了射頻輸出的功率和效率，封裝也更加緊湊。1973年，歐洲首個行波管放大器研制成功。然而，到了20世紀70年代中期，半導體器件異軍突起，真空器件投入大幅減少，其發(fā)展遭遇極大困難。直到21世紀初，美國三軍特設委員會詳細討論了功率器件的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展，指出真空器件和固態(tài)器件之間的平衡投資戰(zhàn)略。2015年，美國先進計劃研究局DARPA分別啟動了INVEST，HAVOC計劃，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行波管[2-4]。當前真空器件已取得長足進步，在雷達、通信、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)中應用廣泛。

1.2   研究與應用現(xiàn)狀

隨著技術的不斷進步，現(xiàn)階段行波管主要呈現(xiàn)以下特點。一是高頻率、寬帶、高效率的特點，可有效減小系統(tǒng)的體積、重量、功耗和熱耗，在星載、彈載、機載等平臺上適應性更強，從而在軍事應用上優(yōu)勢突出。二是耐高溫特性，使行波管的功率和相位隨著溫度的變化波動微小，對系統(tǒng)的環(huán)境控制要求大大降低。三是抗強電磁干擾和攻擊特性，使其在高功率微波武器和微波彈的對抗中顯示出堅實的生存能力。四是壽命大幅提高，統(tǒng)計研究顯示，大功率行波管使用壽命普遍大于5 000 h，中小功率產品壽命大于10 000 h，達到武器全壽命周期。圖1為2000年前產品的平均首次故障時間（MTTF）統(tǒng)計，可以看出各類系統(tǒng)中真空器件的穩(wěn)定性都有提升，空間行波管的MTTF更是達到數(shù)百萬h量級，表現(xiàn)出極高的可靠性[1, 4]。

圖 1 真空功率器件MTTF概況

Fig. 1 Mean time to failure (MTTF) of vacuum power device

公開報道顯示，美軍作戰(zhàn)平臺中真空器件被大量使用，是現(xiàn)役電子戰(zhàn)、雷達和通信的主要功率器件。新開發(fā)的高頻段、小型化行波管及功率模塊進一步推動高性能裝備的不斷出現(xiàn)。典型應用包括車載防空反導系統(tǒng)、地基遠程預警與情報系統(tǒng)、機載火控系統(tǒng)、無人機通信系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、空間以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)等[5]。下面介紹當前正在研究和應用的行波管的幾種重要技術。

1.2.1   行波管有源組陣技術

國外近幾年主要在更高頻段發(fā)展一系列的小型化行波管，頻段覆蓋X，Ku，K，Ka，140 GHz等，并不斷在新技術上獲得突破。國內經(jīng)過近10多年的努力，行波管在保持大功率和高效率的前提下，體積減小了1個數(shù)量級，為有源組陣技術奠定了良好的基礎。

行波管有源組陣的形式分為單元放大式和子陣放大式兩種。與無源相控陣相比，其單個行波管的功率要求低，器件的可靠性和壽命相對較高。同時各通道相對獨立，某通道出現(xiàn)故障不會影響到其他通道，因此系統(tǒng)的可靠性高。而且整個輻射陣面可以分多個區(qū)域獨立工作，實現(xiàn)系統(tǒng)多目標、多任務的能力。與固態(tài)有源相控陣相比，作用距離更遠，威力更大，且配套的冷卻車和電源車相對短小精悍，系統(tǒng)機動性高，戰(zhàn)場生存能力強。由于其全金屬、陶瓷密封結構，在面對高功率微波武器時的生存能力更強。在相同的陣面功率時所需的單元數(shù)將少1個數(shù)量級，因此成本會大幅降低。與單脈沖雷達相比，其作用距離、分辨率、多目標、多任務、壽命及任務可靠性等指標會更好[5]。目前，國內正在開展基于行波管的Ku波段稀布陣低柵瓣技術研究，以期在陣元間距30 mm的條件下實現(xiàn)?20 dB的柵瓣。

另外，與行波管有源組陣相配套的小型化大功率環(huán)行器研究進展迅速。采用不等尺寸單元組成的非周期排列方式、徑向等間距排列的非周期環(huán)形陣和子陣非規(guī)則排列等新型陣面技術能夠很好解決大單元間距引起的柵瓣問題，這些共同保障行波管有源組陣的推進。

1.2.2   毫米波和THz行波管

5G移動通信技術的發(fā)展，對Ka到W波段的毫米波功率放大器提出了需求。未來5G需要寬帶接入一個地區(qū)，而又不能采用光纖的地方，則只能選擇毫米波波段[6]。THz波由于具有頻率高、寬帶寬、波束窄等特點，使得其在雷達探測領域具有重大的應用潛力。但隨著頻率的升高，對器件的加工工藝要求也越來越高。近年來，微機械（MEMS）微細加工工藝的全面引入改善了傳統(tǒng)工藝，使得真空器件工作頻率進入到毫米波和THz頻段，現(xiàn)有器件最高已經(jīng)達到1 THz。短毫米波行波管近年來漸趨成熟，并初步形成了相關的系列產品，表1為國內外典型毫米波行波管產品[7]。諾格公司在2013年成功研制出了220 GHz的折疊波導行波管功率放大器，國內中電第十二研究所以及中國工程物理研究院都開展了220 GHz行波管的研究工作，諾格公司在2016年還首次將行波管工作頻率提高到1 THz[8]。表2為一些THz行波管典型研究的測試結果。

1.3   發(fā)展趨勢

1.3.1   更高頻段

毫無疑問，工作頻段高是TWTA的絕對優(yōu)勢所在。在高頻段，固態(tài)功率放大器（SSPA）的輸出功率和效率均遠低于TWTA，因此高頻化是TWTA的必然發(fā)展趨勢。MEMS微細加工工藝促使毫米波和THz頻段的研究推進。空間行波管隨著Ku波段的趨于飽和以及高清電視、多媒體通信等市場需求的驅動使得Ka波段的應用逐漸增多，而且有往Q/V頻段遷移的趨勢，已逐漸成為新的研究熱點[9]。而THz頻段的通信具有極高傳輸速率，隨著波導技術的進步，在外太空探測中TWTA的應用潛力很大。

1.3.2   更高的效率

應用以來，各個波段行波管的效率均在不斷提高。目前L3公司制造的Ku波段88125H，效率可達73%，為當前公開報道的最高值。目前電源效率已經(jīng)很高，普遍優(yōu)于90%，進一步提高效率將是一種研發(fā)挑戰(zhàn)，因此主要靠提高行波管的效率以實現(xiàn)總效率值的增加。通過優(yōu)化行波管螺旋節(jié)距分布就是一種提升效率的有效方法[10]。

1.3.3   小型化行波管

TWTA小型化技術在過去幾十年中已有了顯著的改進，而且行波管有源組陣等技術的發(fā)展推動著行波管小型化不斷向前發(fā)展。另外TWTA的一個潛在的變化是增加Mini-TWT的使用。Mini-TWT是傳統(tǒng)TWT的小版本，是微波功率模塊的基礎，雖無法達到高射頻輸出功率，但在減小體積的同時也提高了效率，尤其在衛(wèi)星通信等領域影響重大[11-12]。