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微波功率放大器发展探讨

摘要：微波功率放大器主要分为真空和固态两种形式。本文将对两种器件以及

它们竞争与融合的产物——微波功率模块（MPM）的发展情况作一介绍与分析。

关键词：微波功率放大器；发展

0引言

微波功率放大器主要分为真空和固态两种形式。基于真空器件的功率放大器，

曾在军事装备的发展史上扮演过重要角色，而且由于其功率与效率的优势，现在

仍广泛应用于雷达、通信、电子对抗等领域。后随着GaAs晶体管的问世，固态

器件开始在低频段替代真空管，尤其是随着GaN，SiC等新材料的应用，固态器

件的竞争力已大幅提高。

1真空放大器件研究与应用现状

跟固态器件相比，真空器件的主要优点是工作频率高、频带宽、功率大、效

率高，主要缺点是体积和质量均较大。真空器件主要包括行波管、磁控管和速调

管，它们具有各自的优势，应用于不同的领域。其中，行波管主要优势为频带宽，

速调管主要优势为功率大，磁控管主要优势为效率高。行波管应用最为广泛，因

此本文主要以行波管为例介绍真空器件。

随着技术的不断进步，现阶段行波管主要呈现以下特点。一是高频率、宽带、

高效率的特点，可有效减小系统的体积、重量、功耗和热耗，在星载、弹载、机

载等平台上适应性更强，从而在军事应用上优势突出。二是耐高温特性，使行波

管的功率和相位随着温度的变化波动微小，对系统的环境控制要求大大降低。三

是抗强电磁干扰和攻击特性，使其在高功率微波武器和微波弹的对抗中显示出坚

实的生存能力。四是寿命大幅提高，统计研究显示，大功率行波管使用寿命普遍

大于5000h，中小功率产品寿命大于10000h，达到武器全寿命周期。

1.1行波管有源组阵技术

国外近几年主要在更高频段发展一系列的小型化行波管，频段覆盖X，Ku，K，

Ka，140GHz等，并不断在新技术上获得突破。国内经过近10多年的努力，行波

管在保持大功率和高效率的前提下，体积减小了1个数量级，为有源组阵技术奠

定了良好的基础。

行波管有源组阵的形式分为单元放大式和子阵放大式两种。与无源相控阵相

比，其单个行波管的功率要求低，器件的可靠性和寿命相对较高。同时各通道相

对独立，某通道出现故障不会影响到其他通道，因此系统的可靠性高。而且整个

辐射阵面可以分多个区域独立工作，实现系统多目标、多任务的能力。与固态有

源相控阵相比，作用距离更远，威力更大，且配套的冷却车和电源车相对短小精

悍，系统机动性高，战场生存能力强。由于其全金属、陶瓷密封结构，在面对高

功率微波武器时的生存能力更强。在相同的阵面功率时所需的单元数将少1个数

量级，因此成本会大幅降低。与单脉冲雷达相比，其作用距离、分辨率、多目标、

多任务、寿命及任务可靠性等指标会更好。目前，国内正在开展基于行波管的Ku

波段稀布阵低栅瓣技术研究，以期在阵元间距30mm的条件下实现−20dB的栅瓣。

另外，与行波管有源组阵相配套的小型化大功率环行器研究进展迅速。采用

不等尺寸单元组成的非周期排列方式、径向等间距排列的非周期环形阵和子阵非

规则排列等新型阵面技术能够很好解决大单元间距引起的栅瓣问题，这些共同保

障行波管有源组阵的推进。

1.2毫米波和THz行波管

5G移动通信技术的发展，对Ka到W波段的毫米波功率放大器提出了需求。

未来5G需要宽带接入一个地区，而又不能采用光纤的地方，则只能选择毫米波

波段。THz波由于具有频率高、宽带宽、波束窄等特点，使得其在雷达探测领域

具有重大的应用潜力。但随着频率的升高，对器件的加工工艺要求也越来越高。

近年来，微机械（MEMS）微细加工工艺的全面引入改善了传统工艺，使得真空器

件工作频率进入到毫米波和THz频段，现有器件最高已经达到1THz。短毫米波

行波管近年来渐趋成熟，并初步形成了相关的系列产品。

1.3发展趋势

1.3.1更高频段

毫无疑问，工作频段高是TWTA的绝对优势所在。在高频段，固态功率放大

器（SSPA）的输出功率和效率均远低于TWTA，因此高频化是TWTA的必然发展趋

势。MEMS微细加工工艺促使毫米波和THz频段的研究推进。空间行波管随着Ku

波段的趋于饱和以及高清电视、多媒体通信等市场需求的驱动使得Ka波段的应

用逐渐增多，而且有往Q/V频段迁移的趋势，已逐渐成为新的研究热点。而THz

频段的通信具有极高传输速率，随着波导技