一種新型功率模塊及其應用

摘要：詳細介紹了一種新型的功率器件——微波功率模塊（Microwave Power Module）。作為真空電子器件和圖態(tài)功率器件的有機結合，微波功率模塊兼具二者優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也克服了二者的缺點(diǎn)。對微波功率模塊的應用作了具體的闡述。 關(guān)鍵詞：微波功率模塊 行波管 相控陣 “一代器件決定一代技術(shù)?！闭婵针娮悠骷钱敶鷩姥b備和國民經(jīng)濟各部門(mén)都在使用的一類(lèi)最重要的電子器件之一，它是雷達、通信、電子對抗、遙感遙測和精確制導設備的心臟，作為廣播電臺、電視臺的發(fā)射源，微波通信與衛星通信的轉發(fā)器，以及電視機和顯示器的核心器件已被廣泛用于人們的工作和生活中。 微波功率模塊MPM（Microwave Power Module）作為一種全新功率器件，把真空電子器件和固態(tài)器件有機地結合在一起，具有功率密度比固態(tài)器件高、效率比真空電子器件高、相位噪聲低、體積小、重量輕的特點(diǎn)，為有源相控陣系統的發(fā)展提供了優(yōu)良的陣元。 1 MPM概念的提出 近年來(lái)，固態(tài)微波器件發(fā)展勢頭迅猛，并在頻率相對較低的范圍內取代了部分中小功率微波電子管。但其進(jìn)展也表明，固態(tài)器件也有其局限性，無(wú)法完全滿(mǎn)足下一代電子系統的需要，真空電子器件和固態(tài)器件各有其獨特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 美國國防部電子器件領(lǐng)導小組于1989年提出的一種新的功率器件概念，即微波功率模塊。它具有在一個(gè)器件中同時(shí)實(shí)現真空電子器件大功率、高效率以及半導體器件低噪聲、小體積的優(yōu)點(diǎn)，克服兩種器件單獨工作時(shí)的缺點(diǎn)，具有很高的可靠性。 MPM是一種完全的微波功率放大器，它包含一個(gè)行波管、一個(gè)固態(tài)放大器、一個(gè)均衡器和一個(gè)高密度集成功率變換器系統，圖1給出MPM的具體結構。 2 MPM的組成 （1）行波管 行波管都是用高溫精密銅焊金屬和陶瓷制成的。每個(gè)行波管都包括一個(gè)電子槍?zhuān)瑸镽F（Radio Frequency）電路慢波結構，而且大部分行波管都采用了一個(gè)多極怍集極，如圖2所示。行波管的電子槍通常在很多Litton迷你型行波管中都會(huì )用到，它包括一個(gè)陰極、一個(gè)將陰極加熱到足夠溫度從而產(chǎn)生電子的加熱器、一個(gè)聚焦電極在電子束進(jìn)入慢波結構時(shí)將其直徑變小。慢波結構一般由三條棒和鎢絲組成。電子束在慢波結構中行進(jìn)時(shí)，RF就與電子束集合在一起引入，并與電子束相互作用，其結果就是能量從光束轉化到RF信號。RF輸出從慢波結構的終點(diǎn)開(kāi)始。收集極的作用是從電子束中收集電子，并以熱的形式散發(fā)掉剩余的能量。收集極的機械設計包括經(jīng)過(guò)特別處理的銅電極，該銅電極經(jīng)銅焊焊入一個(gè)陶瓷封套中。管腳引線(xiàn)用來(lái)完成到電極的電子連接。陶瓷封套為電極、電隔離和導熱提供了機械環(huán)境和真空環(huán)境。電極經(jīng)過(guò)涂層處理，以減少次級散熱。 （2）均衡器 行波管等電子器件作為一些電子系統的核心器件，其技術(shù)水平?jīng)Q定了系統性能的優(yōu)劣。由于行波管固有特性的限制，在MPM模塊的放大鏈中很難保證在其工作頻帶內做到增益不變。目前可行的辦法就是采用管外均衡技術(shù)以解決這些問(wèn)題。為此需在固態(tài)放大器和行波管之間加入幅度均衡器，以在工作頻帶內實(shí)現增益一致。在該領(lǐng)域，我國已經(jīng)自主研發(fā)出了多種性能先進(jìn)的均衡器。 （3）高密度集成功率變換器系統 圖3給出了高密度集成功率變換器系統結構。左側的+270V DC是主輸入，作為控制和監測信號。包括RF開(kāi)指令、高壓開(kāi)/關(guān)指令、高壓開(kāi)指示器和錯誤指示器。固態(tài)放大器輸出、真空功率推進(jìn)器在圖3右側。輸入的主要功率既被發(fā)送到輔助電源，也被發(fā)送到主變極器。輔助供電產(chǎn)生固態(tài)放大器電壓、內務(wù)處理電壓、提供給行波管的加熱電壓和調節器開(kāi)關(guān)偏壓。主電源還通向干線(xiàn)變極器，變極器將其轉化成高頻AC電壓來(lái)驅動(dòng)高壓變壓器。高壓變壓器的輸出驅動(dòng)一個(gè)乘法器和高壓過(guò)濾器電路，該電路向行波管提供陰極和收集極電壓。所有的MPM接口信號都通向邏輯電路，邏輯電路控制行波管運行，并提供基于電壓、電流和溫度等級的失效保護。 3 MPM特點(diǎn) MPM主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）大功率、高效率 MPM的末級采用真空功率放大器，主要為螺旋線(xiàn)行波管或耦合腔行波管。行波管能在高電壓、大電流狀態(tài)下工作，因而可以獲得比固態(tài)放大器高得多的輸出功率。此外，行波管的散熱能力要比固態(tài)放大器大得多，采用多級降壓收集極回收部分電子注能量可極大地提高行波管的效率。一般固態(tài)放大器的效率為20%，行波管放大器的效率為33%，而采用多極降壓收集極的行波管作為末級放大器MPM的效率可達45%。 （2）低噪聲 MPM采用固態(tài)放大器作為激勵器，一方面降低了行波管的增益要求，有助于提高效率、減少體積與重量；另一方面可極大地降低整個(gè)放大鏈的噪聲系數。普通高功率行波管噪聲系數在35dB以上。如果采用8dB噪聲系數的固態(tài)放大器，根據級聯(lián)放大器的噪聲系數計算公式： NF=NF1+NF2/G 式中：NF1——前級固態(tài)放大器噪聲系數； NF2——行波管噪聲系數； G1——固態(tài)放大器增益。 假設為30dB，那么級聯(lián)放大器的總噪聲系數為9～10 dB。這樣低的噪聲系數在行波管中是無(wú)法得到的。 （3）可靠性高 固態(tài)激勵器的引入，降低了行波管的增益要求，這不僅增強了其寬帶功率的能力，而且降低了對電壓的要求，提高了可靠性。另外，也相應地縮小了管體的長(cháng)度。 4 MPM的應用 自從第一個(gè)MPM樣品由美國諾思羅普公司研制成功后，MPM的優(yōu)勢在海灣戰爭中得到了證實(shí)。由小型化電真空器件與固態(tài)器件組合而成的MPM，由于具有輸出功率高、可靠性好、頻帶寬、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而倍受重視，并成為新一代電子系統的核心。 在地面、空間軍事通信和數據傳輸應用中，由于MPM具有良好的線(xiàn)性和很高的可靠性而得到廣泛應用。MPM可用于雷達、電子戰、通信和導彈尋的系統。由于具有高功率、寬動(dòng)態(tài)范圍特性，使相控陣天線(xiàn)系統獲得很高ERP(Effective Radiated Power)，從而使雷達可探測橫截面非常小的目標（如戰術(shù)反彈道導彈），使干擾系統能發(fā)射更大的干擾功率。 作為MPM重要應用的相控陣，就是由許多輻射單元（在這里就是MPM）排成陣列形式構成的定向天線(xiàn)，各單元之間的輻射能量和相位是可以控制的。典型的相控陣就是利用計算機控制移相器改變天線(xiàn)孔徑上的相位分布來(lái)實(shí)現波束在空間的掃描。澳大利亞產(chǎn)的有源相控陣雷達和以色列“費爾康”預警機是MPM技術(shù)在國外軍事設備上的典型應用。 在民用方面，主要是民用通信和數據中繼系統，包括地面和空間應用。從長(cháng)遠發(fā)展來(lái)看，日常交通服務(wù)和監測都會(huì )為MPM提供市場(chǎng)?！爸悄芨咚俟贰卑ㄆ?chē)的控制、監測、防撞要求具有檢測、數據報告和遠距離控制等功能，這一應用可能會(huì )超過(guò)數據服務(wù)市場(chǎng)。隨著(zhù)MPM在體積、價(jià)格、可靠性方面的改進(jìn)，MPM的應用將有廣闊的前景。 MPM作為一種新概念的功率器件，它使真空器件和固態(tài)器件結合在一起，提供高功率、高效率、低相位噪聲、小體積、輕質(zhì)量，使雷達等系統可以用共同的功率器件構成，使微波放大器能規模生產(chǎn)，降低成本，實(shí)現使用的通用化。這么將促進(jìn)電子系統的迅速發(fā)展。