一種新型功率模塊及其應(yīng)用

摘要：詳細(xì)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(jī)結(jié)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(duì)微波功率模塊的應(yīng)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)。”真空電子器件是當(dāng)代國(guó)防裝備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門都在使用的一類最重要的電子器件之一，它是雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、遙感遙測(cè)和精確制導(dǎo)設(shè)備的心臟，作為廣播電臺(tái)、電視臺(tái)的發(fā)射源，微波通信與衛(wèi)星通信的轉(zhuǎn)發(fā)器，以及電視機(jī)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(jī)地結(jié)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(tǒng)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(shì)頭迅猛，并在頻率相對(duì)較低的范圍內(nèi)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)法完全滿足下一代電子系統(tǒng)的需要，真空電子器件和固態(tài)器件各有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 美國(guó)國(guó)防部電子器件領(lǐng)導(dǎo)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(xiàn)真空電子器件大功率、高效率以及半導(dǎo)體器件低噪聲、小體積的優(yōu)點(diǎn)，克服兩種器件單獨(dú)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(tǒng)，圖1給出MPM的具體結(jié)構(gòu)。 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，為RF（Radio Frequency）電路慢波結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)時(shí)將其直徑變小。慢波結(jié)構(gòu)一般由三條棒和鎢絲組成。電子束在慢波結(jié)構(gòu)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(jié)果就是能量從光束轉(zhuǎn)化到RF信號(hào)。RF輸出從慢波結(jié)構(gòu)的終點(diǎn)開始。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(jī)械設(shè)計(jì)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(dǎo)熱提供了機(jī)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(jí)散熱。 （2）均衡器 行波管等電子器件作為一些電子系統(tǒng)的核心器件，其技術(shù)水平?jīng)Q定了系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)實(shí)現(xiàn)增益一致。在該領(lǐng)域，我國(guó)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(tǒng) 圖3給出了高密度集成功率變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。左側(cè)的+270V DC是主輸入，作為控制和監(jiān)測(cè)信號(hào)。包括RF開指令、高壓開/關(guān)指令、高壓開指示器和錯(cuò)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(cè)。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(nèi)務(wù)處理電壓、提供給行波管的加熱電壓和調(diào)節(jié)器開關(guān)偏壓。主電源還通向干線變極器，變極器將其轉(zhuǎn)化成高頻AC電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓變壓器。高壓變壓器的輸出驅(qū)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(hào)都通向邏輯電路，邏輯電路控制行波管運(yùn)行，并提供基于電壓、電流和溫度等級(jí)的失效保護(hù)。 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(jí)采用真空功率放大器，主要為螺旋線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(jí)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(jí)放大器MPM的效率可達(dá)45%。 （2）低噪聲 MPM采用固態(tài)放大器作為激勵(lì)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(shù)。普通高功率行波管噪聲系數(shù)在35dB以上。如果采用8dB噪聲系數(shù)的固態(tài)放大器，根據(jù)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)計(jì)算公式： NF=NF1+NF2/G 式中：NF1——前級(jí)固態(tài)放大器噪聲系數(shù)； NF2——行波管噪聲系數(shù)； G1——固態(tài)放大器增益。 假設(shè)為30dB，那么級(jí)聯(lián)放大器的總噪聲系數(shù)為9～10 dB。這樣低的噪聲系數(shù)在行波管中是無(wú)法得到的。 （3）可靠性高 固態(tài)激勵(lì)器的引入，降低了行波管的增益要求，這不僅增強(qiáng)了其寬帶功率的能力，而且降低了對(duì)電壓的要求，提高了可靠性。另外，也相應(yīng)地縮小了管體的長(zhǎng)度。 4 MPM的應(yīng)用 自從第一個(gè)MPM樣品由美國(guó)諾思羅普公司研制成功后，MPM的優(yōu)勢(shì)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)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(tǒng)的核心。 在地面、空間軍事通信和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，由于MPM具有良好的線性和很高的可靠性而得到廣泛應(yīng)用。MPM可用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信和導(dǎo)彈尋的系統(tǒng)。由于具有高功率、寬動(dòng)態(tài)范圍特性，使相控陣天線系統(tǒng)獲得很高ERP(Effective Radiated Power)，從而使雷達(dá)可探測(cè)橫截面非常小的目標(biāo)（如戰(zhàn)術(shù)反彈道導(dǎo)彈），使干擾系統(tǒng)能發(fā)射更大的干擾功率。 作為MPM重要應(yīng)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(gòu)成的定向天線，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(jì)算機(jī)控制移相器改變天線孔徑上的相位分布來(lái)實(shí)現(xiàn)波束在空間的掃描。澳大利亞產(chǎn)的有源相控陣?yán)走_(dá)和以色列“費(fèi)爾康”預(yù)警機(jī)是MPM技術(shù)在國(guó)外軍事設(shè)備上的典型應(yīng)用。 在民用方面，主要是民用通信和數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)，包括地面和空間應(yīng)用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，日常交通服務(wù)和監(jiān)測(cè)都會(huì)為MPM提供市場(chǎng)?！爸悄芨咚俟贰卑ㄆ嚨目刂啤⒈O(jiān)測(cè)、防撞要求具有檢測(cè)、數(shù)據(jù)報(bào)告和遠(yuǎn)距離控制等功能，這一應(yīng)用可能會(huì)超過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)市場(chǎng)。隨著MPM在體積、價(jià)格、可靠性方面的改進(jìn)，MPM的應(yīng)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(jié)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(dá)等系統(tǒng)可以用共同的功率器件構(gòu)成，使微波放大器能規(guī)模生產(chǎn)，降低成本，實(shí)現(xiàn)使用的通用化。這么將促進(jìn)電子系統(tǒng)的迅速發(fā)展。