高志忠
摘要
本文从雷达技术发展的角度阐述了雷达用微波功率器件的发展趋势，并指出今后将主要发展
MPM , MMIC
，毫米波真空器件和真空微电子器件。
关键词
雷达微波功率模块
单片微波集成电路
毫米波真空电子器件真空微电子
远距离探测雷达，过去主要在军事领域，作为一种防御手段，起着警戒、搜索、跟踪敌机的作用。随着雷达技术的发展，雷达也可作为进攻的辅助手段，如炮瞄、制导、寻的、引爆等，提高了武器的效能。今后，极强功率的雷达可作为微波辐射武器直接杀伤敌方人员和摧毁电子装备，使战争进人“电子兵器”时代。
在民用领域，雷达也有着广泛的应用。主要是在气象、天气预报、冰雪厚度测量；地图测绘和国土资源普查；导航、空中交通管制、自动着陆系统以及港口导航等。最近由于单片微波集成电路（
MMIC
）和相控阵天线技术的发展，雷达不断小型化和价格大大降低。这种小型化雷达已用于铁路，地铁机车的防障碍和小汽车的防撞及交通管理指挥系统等。雷达在国民经济中起着愈来愈重要的作用。
雷达发展的趋势是多功能、多目标、高精度和成像。作为军用雷达，还有一个极其重要的性能就是生存能力和四抗（抗电子干扰，低空突防，隐身和反辐射导弹）技术。
雷达发射机用的微波功率器件是雷达的最重要部件之一，它深刻地影响着雷达的性能。同时，雷达技术的发展引导着微波功率器件的发展方向。本文就雷达技术发展，讨论微波功率器件的发展趋势。
1
雷达技术的发展及对微波功率源的要求
为了实现雷达的各种应用要求，雷达技术发展趋势是采用有源相控阵技术，即采用相控阵列天线
（Phased
Array Antenna），这种天线波束是由若干小波束在空间合成而成。有源相控阵天线的每个辐射单元各自产生载频、相位、波形和幅度可控的辐射（波束），虽然每辐射单元的功率不很大，由于单元数量很大，其总辐射功率可很大。对每个波束进行计算机控制，则可实现全方位电扫，抑制旁瓣，波束成形，多目标搜索与跟踪等各种功能，此外现代雷达已广泛采用脉冲压缩，脉冲多谱勒测速和自适应等技术。
采用脉冲压缩和有源相控阵技术的发射机不要求辐射单元功率很大，而是采用较大数量单元来满足发射机的峰值功率和平均功率的要求。一般中远程雷达每单元的发射功率为几十到几百瓦脉冲功率，假如天线阵由
3 000
单元构成，其发射功率可达几百
kW 到
1 MW ,
若采用脉冲压缩体制，典型脉冲压缩比为
400 : 1
，其峰值功率相当于
400 MW
，因而探测距离足够远。
工作频率较低则波束较宽，大气衰减较低，但天线尺寸较大，常用于地面警戒和搜索雷达。频率升高后波束变窄，大气衰减增加，天线尺寸减小，常用于精密跟踪和引导雷达。机载雷达常采用较高频率（
X
波段）。宽的瞬时带宽将有利于脉冲压缩、自适应和电子对抗技术。雷达与电子干扰机斗争的胜败将取决于谁占有最宽的瞬时带宽。
雷达的自适应技术和低截获概念等要求能即时改变发射脉冲的载频、波形、脉宽、重复频率和幅度等，因此必须要对功率源进行调制，栅极调制的调制电压一般为工作电压的
1 / 60 ~ 1 / 120
，栅极放大系数为
60 ~120 。
由于有源相控阵列结构每单元的尺寸受工作波长的限制，所以在高频率时，不得不向微波集成电路方向发展。
2
几种类型器件述评
早期，微波真空器件的发展与雷达的发展是相互促进的，微波真空器件的水平直接影响雷达的性能。
磁控管由于其结构简单、紧凑、效率高、工作电压低，在
70
年代以前广泛用作雷达发射管。随后产生同轴磁控管和捷变频磁控管等。由于磁控管频率稳定度较低，新研制高性能雷达不再用磁控管作功率源，只在导弹寻的器和引爆装置中尚用毫米波磁控管作功率源。
速调管具有产生极大的峰值功率和平均功率的能力，高增益，适当的效率，坚固的结构和高的可靠性等优点。其缺点是工作电压高（相对磁控管）和频带窄。为此发展了多注速调管和宽带速调管。多注速调管提高了电子注电流，降低注电压，但其结构复杂。宽带速调管是将速调管的输出腔用宽频带的滤波器输出系统、分布作用腔或行波段来代替，在群聚段增加腔的数目并进行参差调谐，使整管的工作带宽得到扩展。据报导，最好的带宽达到
12 . 5 %
的水平[1]。一般宽带速调管的带宽达到
8
％已是相当高的水平。
前向波放大器（
CFA
）具有较高的效率、较低的工作电压、较宽的带宽（10%）和紧凑的结构，在
70
年代国际上曾掀起前向波热。前向波放大器、行波管和固态器件构成的放大链，与速调管放大链相比，其总效率、工作电压和发射机体积均优。前向波放大链的不足之处是平均功率承受能力和噪声均逊于速调管放大链。
行波管的发展和速调管一样具有漫长的历史。螺旋线
TWT
最初用作低噪声和小功率放大器，由于固态器件逐渐占领了该领域，螺旋线
TWT
技术的发展及螺旋线自身固有的宽频带特性，已成为微波真空器件中、小功率宽带放大器的主要管型，广泛用作卫星通讯、电子干扰和雷达的功率源‘目前螺旋线
TWT
的峰值功率限制在
20 ~ 40kW
，变态螺旋线（环杆或环圈结构）可以超过50kW。连续波能力在低频端亦可达到几千瓦的水平。螺旋线
TWT
的带宽达到三倍频的水平，英国
EEV
公司用三支管子覆盖了
2 ~ 40 GHz
的频率范围。螺旋线的最高工作频率低于
50 GHz
，采用降压收集极其总效率达到
50 ％。
合腔行波管（
CCTWT
）自
60
年代以来得到迅速发展，其功率容量大、结构坚固、热承受能力高。功率量级由几千瓦到最大
200
千瓦峰值功率输出，平均功率亦达到几千瓦到十几千瓦的水平。带宽最高可达
12 %，一般为
10 %
，工作频率最高可到
100 GHz
。采用梯形线结构的
Millitron
工作频率80
~100 GHz
，带宽达
20 % ，连续波输出
100W
。带降压收集极
CCTWT
的总效率亦能接近
50%。
CCTWT
广泛地应用于卫星直播电视（
DBS
）、电子干扰和雷达中。
70
年代后期相控技术得到突破，脉冲
TWT
广泛采用栅控技术。随着大规模集成电路技术的发展，栅控技术与数字信号处理技术和雷达数据处理技术相结合，大大提高了雷达的性能。雷达的多功能和自适应技术的发展均有赖于栅控技术和计算机技术的突破。栅控脉冲功率
TWT
广泛用于中近程雷达特别是机载雷达中。
在
70
年代，微波真空器件基本覆盖厘米波段以后，自然地向毫米波段发展。由于毫米波雷达结构尺寸小、精度高、带宽宽等许多优点，因而得到很快发展。毫米波磁控管主要用于火控雷达，导弹寻的和引爆装置中。在这些装置中充分发展了毫米波磁控管雷达的天线尺寸小、结构紧凑、电压低、精度高和价格低的优点，至今仍然大量使用。毫米波行波管有绝对瞬时带宽宽的特点，特别适合成像和抗干扰、性能要求较高的雷达。
由于毫米波在大气中传输衰减较大，对远距离探测和风暴测量需要较大功率的毫米波源。
70
年代后期开始发展快波器件，包括各种电子回旋脉塞和自由电子激光。回旋器件可以将频率扩展到
300 GHz
以上，在频率为
140 GHz
时，峰值功率达
1 MW ，平均功率达
400 kW
。阶梯调谐回旋管在
198 ~ 328 GHz时，峰值功率达
430 kW
。自由电子激光可以获得更高的频率和功率，在
300 GHz 时可得
1 MW ，波长在
240.0~640.0 nm
可获得
6MW
的平均功率。然而这些高功率源由于其结构复杂、庞大，需要极高的电压和磁场，尚不能直接用于雷达中。
美国三军／
ARPA
（美国预先研究计划局）[2]
从
1991
年开始组织政府和工业部门共同开发紧凑的高功率毫米波放大器，目标是发展
35GHz和95
GHz
高功率（峰值功率几十千瓦，平均功率几千瓦）谐波回旋放大器。计划分两阶段进行，第一阶段由海军实验室（
NRL）和
Northrop 研制
35 GHz
谐波回旋潘尼管（
Harmonic Gyropeniotron
）
, Litton 和
Varian
公司则研制
95 GHz谐波回旋速调管和
TWT 放大器。
1994
年开始第二阶段计划研制适合野外试验的
95 GHz , 40 kW
峰值，
10
％工作比的高性能放大器。虽然计划还在进行中，但深信在毫米波和亚毫米波区域，该放大器将会有广阔的军事和商业应用领域。
3 固态功率器件的发展及两种模块比较
3.1
固态功率放大器（SSPA）技术的发展
固态器件经过多年研究和发展，特别是
GaAs FET 和
MMIC
技术的发展，使半导体技术达到新的水平。西门子半导体集团的
E . Pettenpul[3]认为今后十年，欧洲信息理论技术和工业的特征是基本结构更新。在电视通信、网络、计算机、自动管理系统和雷达领域的应用，要求柔性的和整体服务质量。由于要求系统小型化，对高频元件小型化要求随之增长。在雷达领域，由于采用有源发射／接收（T/R）模块的相控阵雷达技术，系统效率高、可移动性和高可靠性，固态器件市场是十分吸引人的。
固态放大器主要有内部匹配FET
(Internally Matched Power FETs)、功率MMIC放大器和放大器组件三种形式。内部匹配FET是将多个FET芯片结合在一起，它具有高的功率承受能力和高的功率附加效率（
Power added efficiencies
）
，在
C
到
Ku波段得到广泛应用。在
C 波段功率达到
10~ 30W
，三菱报导在
4GHz ，输出
20W
，功率附加效率为
39%，在
11 .2 GHz
，输出功率
13W ，增益
5.8 dB
，功率附加效率
25 %
，其包装尺寸为6.5
mm X 12 mm [4]。
GaAs MMIC
，其重量和尺寸均优于上述的内部匹配
FET
，特别适合毫米波段。在毫米波段，
30 GHz MMIC
达到饱和输出功率
3W ，增益
3 . 3dB
，最大功率附加效率
12%。为了提高增益，采用二级或三级放大，在
27.2 ~ 29 GHz
线性增益达到
12 dB
，饱和输出功率为
1.58 W
，尺寸为
18mm X 31 mm
。东芝
2 ~ 10 GHz
频带
MMIC
宽带放大器，功率输出达到
100 mW
，线性增益
5 . 6dB 。
固态功率放大器将高频组件分成低功率级、推动级和末级功放三个主要部分。在
C , X 波段（
5 ~10 GHz
）功率放大器，输出功率
14W
，总效率
25% ；在
X , Ku 波段（
8 ~14GHz ）
，峰值输出功率
10W ，功率合成效率
86 %[5]。为了提高最终的输出功率，日本广播协会（
NHK ）
采用圆柱腔型功率合成器，在
12.5 GHz
，带宽
125 MHz，输出功率
50W
，包括电子调节器总效率超过21.6
% ，尺寸为
340 mm X 390mm X 130mm
。
1990 年报导了[4]日本三菱公司研制出
Ku 波段功率输出
30W ，线性增益
50dB ，总效率
20 % ，带宽为
500 MHz的放大器。
1994 年报导[6]
C波段
27w
IMPFET
，功率附加效率
50%
±
3%
，线性增益
12 dB 。德国的
M . Tschernitz[7]报导了在
W波段（
75
~110GHz
）采用金刚石散热器的碰撞雪崩渡越时间二极管（
IMPATT
）结构的振荡器，其主要参数列于表1中。
表1
封装GaAs
– IMPATT
二极管的实验结果
|
二极管直径/µm |
26 |
26 |
21 |
21 |
16 |
16 |
|
频率/GHz |
80 |
90 |
87 |
110 |
90 |
98 |
|
PL/Mw |
160 |
100 |
165 |
10 |
140 |
80 |
|
ŋ/% |
7.0 |
5.0 |
8.6 |
0.5 |
10.4 |
6.0 |
|
I/mA |
200 |
200 |
160 |
160 |
115 |
115 |
目前半导体技术还在发展，除砷化稼（
GaAs
）器件以外还发展了磷化锢（
InP ）和碳化硅（SIC）器件。美国
H . Steysnal
等[8]报导了用于同一阵列的
GaAs 和
InP
性能比较。由表中所列参数可看出
InP 器件较
GaAs，器件有了重大改进，特别是在接收机单元增益和发射机的功率附加效率方面尤为显著，这结果可以减小单元数目或降低冷却要求。
表
2 用于
4000 单元阵列的
GaAs 和
InP 器件性能比较
|
|
GaAs PHEMT |
InP HEMT |
|
|
GaAs PHEMT |
InP HEMT |
|
20GHz
接收阵列 |
|
|
|
40GHz
发射阵列 |
|
|
|
单元增益/dB |
27 |
29 |
|
单元输出/mW |
25 |
25 |
|
噪声系数/dB |
3.0 |
2.3 |
|
电源电流/mA |
35 |
25 |
|
电源电流/mA |
40 |
20 |
|
电压/V |
3 |
2 |
|
电压/V |
4 |
1.5 |
|
阵列输出/W |
93 |
93 |
|
阵列G/T/(dB/K) |
11 |
14 |
|
耗散功率/W |
470 |
200 |
|
总直流功率/W |
800 |
150 |
|
|
|
|
3.2 MPM和SSPA两种模块比较[9~11]
固态器件近期虽然有较快发展，但
MMIC 和
SSPA
仍处于较低的功率水平，
SSPA
模块的体积较大。对于中远程雷达，为要达到较高的峰值功率和平均功率，势必增加相控阵单元的数量，其结果是增加了雷达的成本和复杂性。另一不足之处是功率附加效率较低，低于功率
TWT
的总效率，因此发展中远程相控阵雷达，微波功率源是一个重要关键。
微波功率模块（
MPM
）计划最初由美国电子器件顾问团（
AGED ）的
A
（微波）工作小组首先提出，尔后由海军研究室的附属专家组更详细地研究了
MPM 概念，并认为
MPM
将广泛用于下一代微波系统，包括电子战、雷达和通讯领域。三军／
ARPA 的
MPM 计划在
1991 年
11
月开始，计划五年时间分两阶段进行，第一阶段二年半时间，
1994 年
6 月完成
8
个模块的线性阵列论证。第二阶段的某些方面扩展基本的
MPM 的能力。参加
MPM 计划研制的有
Hughes EDD , Northrop
即
ESD , Litton EDD , Teledyne MEC , Varian TWTP
，和
Westing House EsG
。海军研究室（NRL）是中央计划主管，陆军研究室和空军制造室协助。
NASA Lewis Research Center
提供特殊技术咨询。
MPM
实质上是带电源的封装放大链，它由螺旋线
TWT 增强器（
booster
）、采用
MMIC
的固态放大器、电源调整器（
Electronic
power
conditioner
）和冷却系统组成。其特点是充分利用
MMIC
的低噪声、高增益和螺旋线
TWT
的大功率、宽带和高效率的特点；为了使此放大链能有效地等激励输人和平滑的功率输出，调整
SSA 的输出特性对
TWT
增益特性进行补偿；由于
TwT
仅起着功率增加作用，不要求高增益（
G= 20 dB ）
，因而
TWT
可以做得较短，缩短了长度，提高了可靠性。
MPM
要求严格的尺寸和体积及参数的一致性。一般用于相控阵列的发射单元，其厚度要小于最高工作颇率的自由空间半波长，宽度和长度也受到限制。
Northrop
报导了研制的结果，其主要指标为：
频率
6 ~18 GHz
；功率
100W ；工作比直到
100%；效率＞
33 % ；噪声因数＜
10 dB ；增益＞
50 dB ；尺寸8.1mm
X 102 mm X 152 mm
；体积
7.5
立方英寸（约
123 cm3）
；采用液冷。
综合上述
MPM
的性能与微波真空器件和固态放大器作一个综合比较如下：
表3
微波真空器件，
SSPA , MPM
性能综合比较
|
|
微波真空电子 |
SSPA |
MPM |
|
功率 |
单个器件峰值和平均功率均高 |
许多单个器件合成实现高功率 |
中等功率器件合成实现高功率 |
|
|
|
|
|
|
效率 |
高效率器件 |
在可比的输出功率条件下，功率合成效率较低 |
极高的发射机效率 |
|
噪声 |
有噪声的高增益器件 |
低噪声器件 |
良好的噪声性能 |
|
尺寸和重量 |
外加磁场，电子束控制，高压电源，热力电源等 |
不要求磁场或高压电源，但要求庞大的热控制系统 |
包装尺寸突破13W/英寸3量级 |
|
价格 |
由于制造和试验过程中紧张的劳动，单个器件价格高 |
大量显微制造，单个器件价格低 |
标准化和模块化设计，价格低 |
表4
MPM, TWTA, SSPA, 100W, 6~8 GHz
方案性比较
|
|
效率 |
初级电源功率 |
尺寸质量 |
价格 |
|
|
SSPA |
15% |
675W |
TBD |
$20k |
|
|
TWTA |
30% |
330W |
150英寸310磅 |
$30k |
|
|
MPM |
45% |
225W |
10英寸31磅 |
$10k |
|
以上面二个表看出，
MPM
具有较好的综合性能，将广泛用于下一代雷达、电子对抗和通信装备中。
MPM
的第二阶段计划将向
20 ~ 40 GHz方向扩展，并考虑扩展到
95GHz的可能性。由于
MPM 所用的
TWT 增强器在95
GHz时同样会遇到困难，因而其出路在于发展高频真空微电子器件。高性能的门发射器件的出现将对微波功率源技术产生强烈的影响。美国
ARPA
部署了多家公司研究发展高频真空微电子器件[13~15]
。计划分为两个阶段，第一阶段获得的成果为
SRI 采用
Spindt
型场发射阵列，在
1 GHz和5mA时，得到3.5dB增益。雷声公司也采用
Spindt
型场发射阵列得到类似的结果。美国海军实验室采用偏转式结构，fT，介大于
200 GHz，并可在几十GHz频带内宽频带工作，结果十分诱人。
4
2000
年前后雷达发射机用微波功率源预测
( 1
)随着
MMIc
和天线技术的发展，中近程雷达将广泛采用固态放大器的有源相控阵体制。
( 2
)中远程有源相控阵雷达，从综合性能考虑，将使用
MPM
。随着半导体技术发展
55 PA 与
MPM
之间将展开激烈的竞争。
( 3
)由于毫米波雷达有众多的优点，毫米波功率源和毫米波雷达成为各国主要发展方向。小功率毫米波源主要采用
MMIc
，中功率源将采用宽频带的
TwT
，大功率器件将采用可在野外工作的快波器件。
( 4
油子真空微电子的进展，给微波功率源创造出一条新路，虽然目前还处于起步阶段，但前景十分诱人，成为各国竞相发展的方向。
结束语
PP
膜是丙烯（C3H6）经聚合或共聚，然后经双轴定向拉伸成膜，是非极性聚合物。此膜抗张强度和硬度高，高熔点，介质损耗低，电阻率高，吸水性低（
0 . 03 % ）
，耐油性好，广泛作为电缆和电容器等的绝缘材料，如击穿强度比纸大
8 倍而
tgo小
9
倍，基本上没有针孔和导电质点。由于
PP
膜非极性，吸水性低，因此在真空脱气千燥时放气率小，比纸（含水量是
7
%～
10 % ）低
1
~
2
个数量级，真空性能好。实验证明其放气率遵循指数函数变化，其数表式为
lgQ ( t ) ＝A一Bt
[5]
，经数据处理
A ( 300K ) = 1 . 5 X 10
-5,
A ( 340K ) = 8.0 X 10-4
;
B ( 300K ) = 0 . 2679
，B
(340K ) = 0 . 1763
，其平衡压强在
3.3 X 10
–3
~
3.7 X 10
–3
Pa
范围内变化。为电工产品的真空干燥处理工艺提供了加热温度、真空脱气时间和真空系统排气时间等参数的实验数据和理论根据。
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