分析测试百科网 > 行业资讯 > 技术原理

用于雷达的新型真空电子器件（一）

2020.10.06

摘要：真空电子器件在雷达的发展历程中发挥了重要作用，是雷达系统的核心器件，两者相辅相成、相互促进。随着设计仿真能力的不断提升，以及新材料新工艺的出现，真空电子器件出现了一些新的发展动向。器件性能不断提升，也出现了一些新型真空电子器件，这都为新型雷达探测技术的发展提供了很好的器件支撑。该文从微波毫米波器件及功率模块、集成真空电子器件、太赫兹、大功率和高功率5个方面介绍了真空电子器件新的发展趋势以及所取得的最新研究成果。

关键词: 真空电子器件功率模块太赫兹集成行波管高功率微波

New Vacuum Electronic Devices for Radar

Hu Yinfu, Feng Jinjun

Abstract: Vacuum Electronic Devices (VEDs) which are considered as the heart of a radar system, play an important role in their development. VEDs and radar systems supplement and promote each other. Some new trends in VEDs have been observed with advancements in the simulation tools for designing VEDs, new materials, new fabrication techniques. Recently, the performance of VEDs has greatly improved. In addition, new devices have been invented, which have laid the foundation for the developments of radar detection technology. This study introduces the recent development trends and research results of VEDs from microwave and millimeter wave devices and power modules, integrated VEDs, terahertz VEDs, and high power VEDs.

Key words: Vacuum Electronic Devices (VEDs) Power module Terahertz Integrated traveling wave tube High power microwave 1 引言

真空电子器件作为大功率源，在雷达、通信、电子对抗、遥测遥控和精密制导等武器装备中发挥了核心作用^[1]。特别是雷达系统的发展，从诞生之日起便与真空电子器件的发展紧密联系在一起。雷达技术的发展推动着真空电子器件不断进步，而真空电子器件性能的提升以及新型真空电子器件的出现又会带来新的雷达功能，甚至产生新的雷达体制。从上世纪80年代起，随着分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)和金属有机化合物汽相淀积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)等先进技术的发展，相关的微波毫米波单片集成电路(Microwave Millimeter wave Monolithic Integrated Circuit, MIMIC)得到了快速发展^[2]。特别是近十几年来随着以SiC, GaN为代表的宽禁带半导体器件的快速发展，真空电子器件在雷达系统中的作用被越来越忽视和低估。关于真空电子器件和固态器件的相互关系也在各种学术会议上不断地被研究和讨论^[3]，在低频率、低功率有源相控阵应用的情况下，固态器件占据主导地位。但在大功率和高频率情况下，真空电子器件将会具有更大的优势，并将长期与固态器件并存和相互竞争。随着材料科学的发展、设计仿真能力的加强以及加工制造技术的进步，真空电子器件将依然保持持续的繁荣和活力^[4]。本文将结合雷达系统的应用需求，介绍真空电子器件新的发展趋势以及目前相关器件所取得的最新研究进展。

2 微波毫米波器件及功率模块

微波功率模块(Microwave Power Module, MPM)是美国国防部电子器件领导小组于1989年提出的一种新的功率器件概念^[5]，其原理和内部组成结构如图 1和图 2所示。

它集成了真空电子器件和固态器件两者各自优点，代表了一种新的微波、毫米波放大器技术，它既可以用作单独的发射源，也可用于多单元功率合成进行组阵应用。特别是随着无人机的作用越来越凸显，在体积、尺寸以及成本等方面具有很大优势的微波毫米波功率模块的重要性也越来越显著。其中著名的“捕食者”B型无人机中的合成孔径/动目标检测(Synthetic Aperture Radar/Ground Moving Target Indication, SAR/GMTI)雷达采用的就是dB-Control公司生产的功率模块^[6]。

采用行波管作为末级功放，可以得到比较高的效率，减小了热负荷，而且可以在更高的环境温度下有效工作。由于采用MMIC固态放大器分担了部分增益，所以行波管的增益要求没那么高，可以采用小型化行波管，减小了模块体积和重量。另外由于采用了低噪声MMIC固态放大器，与单独行波管相比具有更低的噪声水平。

目前美国的CPI, L-3, Northrop Grumman, Triton，法国的Thales，日本的NEC等多个公司都能提供比较齐全的小型化行波管和MPM系列产品。如Triton公司的小型化行波管产品覆盖了2.0～32.5 GHz频率范围，连续波功率从50 W到200 W，并在2～6 GHz和6～18 GHz两个频率系列上提供连续波输出功率50 W到100 W的MPM产品；CPI公司在2～6 GHz，2～8 GHz，4.5～11.0 GHz，6～18 GHz等系列上提供连续波50～100 W的MPM产品。国内虽然起步较晚，但也已经初步掌握了MPM小型化行波管、微型EPC电源技术、MPM模块集成等关键技术，具备了6～18 GHz 30～100 W连续波功率模块研制能力^[7]。

针对雷达应用的脉冲功率模块也得到了重视和快速发展。美国、日本等多个公司开发了脉冲小型化行波管以及功率模块^[8]。典型的MPM可以在X或Ku频段25%占空比的情况下提供小于150 W的输出功率，用于小型的无人机合成孔径雷达系统。针对更远探测距离的无人机雷达，美国L-3公司开发了1000 W峰值功率脉冲MPM。工作脉宽80μs，重复频率1600 Hz，相位噪声达到–110 dBc/Hz^[9]。国内也开展了X波段脉冲功率模块的工作，所研制的小型化行波管功率大于500 W、带宽2 GHz、占空比20%、效率35%^[10]。

图 3所示为L-3公司开发的第1代Nano-MMPM，在Ka频段可以输出50 W以上功率，尺寸只有25 mm×76 mm×125 mm左右，重量小于1.2 kg^[4]。L-3公司正在开发的第2代Ka波段MMPM输出功率提高一倍，达到100 W，效率达到33%以上^[3]。日本NEC公司也开发了Ka波段100 W脉冲MMPM^[11]。

中国电子科技集团公司第十二研究所成功研制出Ka波段100 W和500 W行波管以及Ka波段100 W连续波MMPM。该MMPM带宽2 GHz，增益大于39 dB，效率大于50%。模块如图 4所示，整体尺寸为395 mm×220 mm×50 mm，重量＜5 kg，功率测试曲线如图 5所示^[12, 13]。

互联网

喜欢作者我要约稿

喜欢作者

打赏方式

用于雷达的新型真空电子器件（一）

周锦帆