搶先看！微波功率器件的基石和開拓者，新一代高效率長壽命行波管

功率行波管的發(fā)展走過了70年的歷程，具有寬頻帶、高功率、高效率等特點，是現(xiàn)代雷達通信電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的核心元器件，并不斷地推動系統(tǒng)向高頻率、高功率、集成化、一體化發(fā)展。

現(xiàn)階段行波管主要特點

高頻率、寬帶、高效率在軍事應(yīng)用上的特點突出。單體功率大、效率高可有效減小了系統(tǒng)的體積、重量、功耗和熱耗。在星載、彈載、機載等平臺上適應(yīng)性更強。

耐高溫特性。陶瓷金屬結(jié)構(gòu)的行波管對機械和溫度極度不敏感，在高、低溫條件下的功率波動和相位波動微小，對系統(tǒng)的環(huán)境控制大大降低。

抗強電磁干擾和攻擊。隨著高功率微波武器和微波彈的出現(xiàn)，真空管天生的抗電磁攻擊特性在大國激烈對抗中顯示出堅實的生存能力。

圖1、行波管、速調(diào)管、正交場放大器的MTTF［1］

壽命大幅提高。功率行波管壽命普遍大于1萬小時，中小功率水平達到10萬小時，支撐了武器全壽命周期。圖1為現(xiàn)有產(chǎn)品的系統(tǒng)平均首次故障時間（MTTF）統(tǒng)計，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4萬小時［1］，空間行波管的MTTF達到千萬小時量級，表現(xiàn)出極高的可靠性。

一、微波功率器件的基石

美軍作戰(zhàn)平臺中真空器件使用了20-30萬支（其中行波管約占50%，每年的訂貨量增長約10%），是現(xiàn)役電子戰(zhàn)、雷達和通信的主要功率器件，共270種系統(tǒng)至少服役到2050年，并且新開發(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不斷出現(xiàn)。國際上行波管典型應(yīng)用（公開報到）包括：

防空反導(dǎo)系統(tǒng)：“愛國者3”的相控陣?yán)走_（AN/MPQ-53升級到AN/MPQ-65），增加了行波管功率，平均功率達到20kW，具備高機動性，探測距離170km，導(dǎo)彈末引頭采用Ka頻段1kW行波管實現(xiàn)精確末制導(dǎo)。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)：“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機，采用行波管組成的干擾系統(tǒng)，服役8個月便擊敗F22隱身飛機；俄羅斯Su24 “希比內(nèi)”電子戰(zhàn)系統(tǒng)，在2014年癱瘓了宙斯盾艦；美軍通用SLQ-32艦載電子戰(zhàn)多波束系統(tǒng)（每套系統(tǒng)140支行波管），大量裝備與驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦和航母，可同時干擾80部雷達。

空間應(yīng)用：從L-V波段的90%以上衛(wèi)星功率放大器，最大效率達到72%，壽命15年，是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭通信、導(dǎo)航、偵察系統(tǒng)的關(guān)鍵件。由于空間行波管顯著的高效率、高可靠、大功率、抗輻照特性，該類管型會長期應(yīng)用在衛(wèi)星下行通信等領(lǐng)域。

大功率衛(wèi)星上行通信：200W-2000W的C-Q波段衛(wèi)星上行系統(tǒng)，幾乎全部采用超線性化行波管，是衛(wèi)星上行通信的核心器件，具備大功率、高效率、高可靠等優(yōu)點，連續(xù)工作壽命3-7年。

無人機：“全球鷹”和“捕食者”無人機的通信系統(tǒng)，采用行波管微波功率模塊（MPM）提供全天候高速衛(wèi)星通信。Ku頻段的無人機合成孔徑雷達（SAR）廣泛采用行波管作為高峰值功率（》1kW）、高效率、寬頻帶、小型化功率源。

地基遠(yuǎn)程預(yù)警與情報系統(tǒng)：美國的“丹麥眼鏡蛇”雷達（AN/FPS-108）有96個子陣組成，稀疏陣，每個子陣160個輻射單元，總峰值功率達到15.4MW，平均功率920kW，L波段帶寬200MHz，探測距離3200km。前蘇聯(lián)類似系統(tǒng)為“雞籠”“狗舍”大型地基警戒雷達，可探測距離3000km以上。

機載火控雷達：“二代、三代和四代戰(zhàn)斗機”采用集中發(fā)射機和無源相控陣的火控雷達是傳統(tǒng)機載火控的主力，具備成本低、重量輕等特點，現(xiàn)役飛機全球達到上萬架。如Su35的無源相控陣?yán)走_，平均功率5kW，正面探測距離達到400km，具備良好的作戰(zhàn)性能。

二、微波功率的兩種類型：固態(tài)器件和真空器件

“如果追求功率器件的極限，真空管永遠(yuǎn)是被選擇的器件，因為再也找不到比‘真空’更好的工作環(huán)境了”。真空管克服了電子“渡越時間”限制［2］，避免了“電子散射”和“晶格中的損耗”，可靈活控制電子的群聚和能量交換，單個器件峰值功率大于10GW，工作頻率達到1THz，能量交換效率可達到85%。

圖2是行波管工作原理圖：陰極發(fā)射的電子經(jīng)過細(xì)長的互作用系統(tǒng)，通過電子群聚實現(xiàn)與慢電磁行波的能量交換，是一個典型的非線性自洽過程，大部分電子失去能量，小部分電子獲得能量，實現(xiàn)電磁波在較寬的頻帶內(nèi)整體能量放大，而降壓收集極的使用進一步回收了一部分互作用后的電子能量，使得行波管總效率大幅提升。

固態(tài)功率器件類似于“三極管”原理，通過柵極開關(guān)源極電流實現(xiàn)微波功率放大，如圖3所示，其理想最大功率與材料的渡越時間有關(guān)，寬帶半導(dǎo)體GaN的功率帶寬積是GaAs的五倍以上。

行波管是慢電磁行波與電磁波的能量交換，陰極發(fā)射的電子進入互作用系統(tǒng)，產(chǎn)生電子的速度群聚和超越，沒有渡越時間限制，形成一個注-波自洽過程，大部分的電子交出能量，小部分的電子吸收能量，同時降壓收集極的使用可以進一步回收電子能量，使得器件總效率大幅提升，其功率容量主要受到電磁波傳輸系統(tǒng)的微波打火和器件體積限制。

表1 寬帶微波功率器件

圖5是典型寬帶行波管的功率和效率測試結(jié)果，行波管在6-18GHz 100W量級行波管，效率大于40%。表1是典型寬帶微波功率器件的比較，可以看出兩類器件特色不同：固態(tài)器件單片體積小，合成后可獲得100W量級的功率輸出，散熱條件要求高；行波管單體功率大，效率高，具有耐高溫特性。表2是用于GPS的空間行波管典型頻帶、功率和效率，具有70%的能量交換效率和超過15年的連續(xù)使用壽命。

表2、用于GPS系統(tǒng)的72%效率的L&S波段大功率空間行波管［11］

真空器件和固態(tài)器件各有特點：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，如F22和F35的機載火控雷達的有源陣列，但在應(yīng)用中需要克服高頻段單件功率小、效率低、溫飄大和系統(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、高壓打火和真空漏氣等需要持續(xù)克服的問題，特別是密集有源陣列的雷達大量應(yīng)用使得真空器件顯得更加笨重。

在很長一段時間，AESA的應(yīng)用大力推動了固態(tài)功率器件的投資，而真空器件投資大幅減少。本世紀(jì)初，美國三軍特設(shè)委員會編寫了“Investment strategy for vacuum electronics R&D” 和 “Investment balance for RF power vacuum electronics and solid-state R&D”，詳細(xì)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。

實際應(yīng)用中，特別是在寬帶大功率和毫米波段的軍事應(yīng)用中，真空器件的高峰值功率、大平均功率、高效率、寬頻帶、耐高溫特性是一種“與生俱來”的物理特性。

2015年美國DARPA先進計劃研究局DARPA分別啟動了“投入”（INVEST）、“浩劫”（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，特別是微波功率行波管，以獲得在軍用大功率源的持續(xù)壓倒性優(yōu)勢。

三、新一代毫米波和THz行波管

圖6是2017年最新公布的220GHz行波管產(chǎn)品，第一期產(chǎn)品獲得25W功率輸出，后續(xù)功率降持續(xù)提升至100W量級，用于太赫茲視頻合成孔徑雷達（ViSAR）。穿過云層、煙霧對地面運動目標(biāo)實時成像，在惡劣天氣下實現(xiàn)目前紅外瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的功能，對地面目標(biāo)實施全天候精確打擊，如圖7所示。

圖7、機載ViSAR作戰(zhàn)場景

2017年DARPA公布了最新的E波段通信行波管通信鏈路，上行頻率為71-76GHz，下行頻率81-86GHz，信道帶寬5GHz，為了采用高階調(diào)制，放大器工作在線性區(qū)域，實現(xiàn)主要參數(shù)和功能如下：

·實現(xiàn)100Gb/s的機載射頻通信鏈路；

·空對空距離超過200km，空對地距離（飛行高度18km）超過100km；

·頻譜效率大于20b/s/Hz；

·構(gòu)造一個等同于光纖的無線通信骨干網(wǎng)；

·能夠穿透云、霧、雨。

采用最新的行波管放大器（飽和功率約200W，線性功率約50W），該無線通信網(wǎng)計劃比預(yù)計完成時間提前3年，同時將2020年規(guī)劃的無線通信30Gb/s提高到100Gb/s，達到光纖通信速率。表3 為現(xiàn)有典型毫米波功率行波管的產(chǎn)品，預(yù)計到2020年500GHz以上行波管產(chǎn)品將獲得應(yīng)用。

圖8、E波段100Gb/s高速無線通信鏈路

表3、毫米波功率行波管

四、新一代寬帶行波管及微波功率模塊

寬帶行波管的產(chǎn)品概況可分為三個階段：第一階段產(chǎn)品研制中，設(shè)計手段有限，主要靠經(jīng)驗公式進行工程修正，同時受到磁材料的磁能積限制，行波管采用了高電壓、低電流的設(shè)計，產(chǎn)品體積較大，電壓高，干擾機體積笨重；

第二階段產(chǎn)品設(shè)計中，大信號計算機仿真軟件的出現(xiàn)實現(xiàn)了低電壓工作，將6-18GHz中功率產(chǎn)品的工作電壓由10kV下降到3-6kV量級，消除了高壓打火帶來的故障率問題，體積縮小為第一階段產(chǎn)品的1/2，仍保持行波管具有40dB的高增益，并發(fā)展了新型的微波功率模塊MPM集成技術(shù)；

第三階段進一步實現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化和高效率，精確物理模型的出現(xiàn)使得“一次性設(shè)計成功”成為普遍現(xiàn)象，多級降壓收集極的應(yīng)用使得效率大幅提升到35-45%，同時固態(tài)器件的功率提升使得行波管增益只需要20dB， 體積重量降為原有產(chǎn)品的1/4-1/2；

另一方面，先進材料、加工方式和工藝方法的采用，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、自動化生產(chǎn)及微波功率模塊的大量使用（接口為低壓），使得行波管的使用壽命和可靠性大幅度提升，因此第三階段可稱為新一代產(chǎn)品。

緊湊型的高功率微波功率模塊（MPM）可獲得高功率密度輸出，并形成一個功率放大的“黑匣子”，降低系統(tǒng)的使用難度和維護成本，圖9為典型MPM的結(jié)構(gòu)，采用異性結(jié)構(gòu)可適應(yīng)不同平臺要求，如圖10（a）中裝在彈載平臺的寬帶模塊。

圖11是L3公司推出的新一代微波功率模塊：40W Ku波段［8］和50W Ka波段模塊［9］。其集合了固態(tài)器件、真空器件及電源，形成一個超級發(fā)射機，為用戶提供最佳的微波鏈路方案，用戶直接面對的是28V，115V和270V等不同平臺的中低壓。毫米波M1871模塊同一部手機大小，可在26.4-40GHz提供20-50W功率輸出，效率20-33%，體積僅為104x168x25mm3，重量1.13kg。

相比較固態(tài)器件，MPM可獲得寬帶高效率功率輸出，在空間、供電有限的平臺中，如無人機平臺的雷達、通信、電子對抗等多功能系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用。同時，由于形成了一個“黑匣子“模塊，其使用方法等同于SSPA，并且具有故障分散的特點，有利于稀疏的大功率有源相控陣體制的應(yīng)用。

國內(nèi)方面，在新一代小型化產(chǎn)品的研制中覆蓋了6-40GHz，圖12分別為中電十二所近期開發(fā)的6-18GHz 50W（重量：0.135kg，體積：135x25x16mm3）和30-37GHz 40W小型化行波管，進一步降低了工作電壓，同時體積和重量是現(xiàn)有產(chǎn)品的1/3~1/4。其中厘米波小型化行波管實現(xiàn)了超小型化（Mini管），全頻帶總效率大于35%，研制的6-18GHz 50W功率模塊僅有手機大小，是無人機、彈載寬帶電子戰(zhàn)的重要選擇。

在此基礎(chǔ)上開發(fā)的微波功率模塊只有6寸手機大小，如圖13所示，尺寸為140x86x20mm3。體積縮小后的行波管及模塊適應(yīng)了多種平臺要求，具有耐高溫、大功率、小體積特性。

圖14、通信、雷達多功能用毫米波行波管

行波管是一類寬帶功率放大器，在倍頻程工作時仍然能夠獲得高效率、小體積的功率輸出，寬頻帶、高功率、高效率是一種“得天獨厚”的特性。圖14是多功能用毫米波行波管：1）30-31GHz 連續(xù)波300W的衛(wèi)星上行通信；2）33-36GHz 300W脈沖雷達用；3）43.5-45.5GHz 175W衛(wèi)星上行通信。該管型的應(yīng)用使得一個產(chǎn)品覆蓋三個頻段。類似的寬帶國外產(chǎn)品如表4所示。

表4、多波段應(yīng)用產(chǎn)品

五、結(jié)論

由物理分析可知，“真空”是能量交換的最理想環(huán)境，避免了固體器件中電子的散射、碰撞等基本問題，真空器件的大功率密度、高效率、耐高溫、抗電磁攻擊特性是一種“與生俱來”的物理特性。一代產(chǎn)品推動一代系統(tǒng)的出現(xiàn)，行波管作為一種得天獨厚的寬帶功率器件，器件實現(xiàn)高效率、大功率、小體積、低成本，工藝實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、自動化，開展集成創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新，滿足不斷增長的“功率、頻率、帶寬”需求。