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图 3 当前 MPM 频率功率分布

 

MPM 谐波抑制均控制在−11～4 dBc 之间，杂波控制在−60～40 dBc 之间。MPM 效率主要取决于功率器件和集成电源的效率，目前国外集成电源效率一直处于领先水平，MPM 产品效率均在 30%左右。在小型化上，各厂家 MPM 尺寸上严格把控，总体控制较为成熟，相对集中在 2～3 kg 之间。而在尺寸上由于散热、电磁兼容设计等不同，体积大小不一，部分产品达到了 MPM 小型化的极致，如 L3 公司推出的 Ka 频段 50 W 产品，其型号为 M1871，如图 4 所示，注册商标采用 NanoMPM，尺寸为 127 mm×76 mm×25 mm，且质量仅为 700 g。

 

图 4  M1871 MPM

 

3.2.2   国内发展现状

 

在我国，对于 MPM 的研究起步比较晚，直到 2001 年以后才正式开展 MPM 的研究。通过近 20 年的努力，在典型频段内，国内也成功研制了功率量级和尺寸与国外相当的 MPM 产品。当前，国内研发的 W 波段 MPM，实现连续波 50 W 的输出功率，增益 47 dB，带宽 6 GHz，尺寸 370 mm×180 mm×45 mm，?？樽苄食?10%，均衡放大组件能提供 16.5 dB 以上的增益，均衡量达到 7 dB。测试结果显示，在 6 GHz 带宽内输出功率大于 50 W，整管效率为 15.7%，集成电源能提供最高 17 kV 的高压，该模块满足了雷达、通信、电子对抗等系统对 W 波段宽带大功率输出的要求。中国电子科技集团公司第十二研究所开发的 4～18 GHz 50 W MPM，如图 5 所示，效率达 32%，但尺寸仅为 140 mm×86 mm×20 mm，其所用的小型化行波管尺寸为 135 mm×25 mm×16 mm，质量 135 g。中国航天科技集团公司五院西安分院正在研制 Ku 频段 500 W 脉冲双管 MPM，结构如图 6 所示，两支固态放大器、行波管和集成电源安装在一个盒体内，其中固态放大器安装于行波管上方，通过螺钉紧固在机壳上，固态放大器和行波管之间通过半钢电缆进行互联，尺寸为 310 mm×248 mm×60 mm，重量＜7 kg。

 

图 5  中国电子科技集团公司第十二研究所 4～18 GHz 50 W MPM

 

图 6  Ku 频段 500 W 脉冲双管 MPM

 

3.3   MPM 发展趋势

 

3.3.1   高频率与宽频带

 

向更高的频率推进，是 MPM 的发展方向。目前其工作频段已经达到了毫米波波段，我们将毫米波波段的微波功率模块又称之为毫米波功率?？椋∕illimeter Wave Power Module，MMPM）。L3 公司推出 W 频段 100 W 的 MPM—M2839，其工作于 92～96 GHz，重量为 6.3 kg，尺寸 375 mm×213 mm×83 mm。该公司又在 W 频段 MPM 的基础上，推出了 E 波段 MPM，该产品按工作频率分为 71～76 GHz 和 81～86 GHz 的两个型号，尺寸都是 376 mm×26.5 mm×7.6 mm。而满足带宽的要求是最初研制 MPM 的目的之一，随着技术的发展，目前已推出了多款工作频带 4.5～18 GHz 的 MPM 产品，可以在 2 个倍频程的带宽内提供 250 W 的最大输出功率。Thales 公司推出针对电子对抗应用的 MPM 产品，如图 7 所示工作频率 4.5～18 GHz 的 200 W MPM 产品 TH24512，以及工作频率 18～40 GHz 的 65 W 电子对抗用 MPM。

 

图 7  TH24512 MPM

 

3.3.2   小型化

 

实现 MPM 的小型化，首先要实现各组件自身的小型化。而行波管作为 MPM 的末级输出，影响最为关键。L3 公司推出的产品 M1870（Ku 波段）和 M1871（Ka 波段）。它们的功率分别为 40 W 和 50 W，尺寸分别为 140 mm×77 mm×25 mm、重 700 g 和 168 mm×104 mm×25 mm、重 1.13 kg，代表了 MPM 小型化的最高水平。集成电源也是一个重要部分。信息工程大学在 2016 年研制的厚度不足 12 mm、效率达到 94%左右的用于 MPM 的 EPC 组件，如图 8 所示，在超薄设计上达到国内先进水平，为 MPM 的小型化设计和阵列化应用奠定了基础。

 

图 8  信息工程大学的超薄 EPC 组件

 

3.3.3   标准化

 

MPM 模块化的设计为大批量生产提供了便利，可使成本进一步降低，在?？榛∩仙南盗胁房筛莶煌『弦蠼猩杓?，从而满足不同需求。如针对雷达应用的工作频段 13.5～18 GHz 功率 110 W 产品、针对数据通信应用的工作频段 14.5～15.5 GHz 功率 100 W 产品，均采用了统一的 2 250 mm×232 mm×35 mm 封装，系列产品标准化程度较高。另外，针对电子作战、卫星通信传输等宽频带高功率的要求，也在进行相应的标准化设计。

 

3.3.4   新型 MPM

 

随着各类信息系统和器件不断朝着微型化和集成化的方向发展，双通道 MPM、双模 MPM 和 T/R 型 MPM 等将成为研究重点。双通道 MPM 可同时实现两路干扰信号输出，也具备空间合成能力，功率密度较传统 MPM 提高近 1 倍。当一路行波管出现故障时，MPM 仍可在功率减半的条件下工作，提高 MPM 的冗余度。双模 MPM 同时实现准连续波和脉冲两种工作模式，实现新型的双模干扰体制，为小型化、高性价比的雷达干扰一体化奠定基础。T/R 型 MPM 使系统的天线可以收发共孔径，突破行波管收发功能，解决环型器频段限制和损耗问题。

 

MPM 作为一种全新的功率器件，将真空和固态器件进行了有效结合，其应用已经覆盖了军事、民用等各个领域。针对应用环境的不同，MPM 也可通过合理选择器件的性能参数，以满足不同的需求。如满足数据传输和通信的应用，则提高线性度；满足星载和机载系统的应用，则增强效率；满足电子对抗系统的应用，则实现高增益。随着技术的发展，MPM 在无人机等平台上也将表现出更为重要的作用。

 

4.   总结

 

功率放大器的最新技术继续得益于固态和真空技术的共同进步。通过对商业化产品和工业级的原型器件的统计，得出了当代放大器可用峰值饱和输出功率随频率变化的曲线，如图 9 所示。图中将单个 GaN MMIC 的峰值饱和输出功率与单个行波管器件和集成的 MPM 进行比较，可以看到，大于 50 dBm 的输出功率水平代表了毫米波频率范围内商业器件性能的前沿。特别是 MPM 适用于小体积、轻质量、大功率、低成本（SWaP-efficient）等高性价比应用平台。

 

图 9 真空、固态及 MPM 最新饱和输出功率随频率变化图

 

5.   结论

 

本文首先分别介绍了真空和固态放大器件的组成和特点，然后介绍了它们的发展历史、当前的技术研究状况和未来发展趋势。而后引出了两种器件相结合的产物——微波功率?？?，并重点介绍了微波功率?？榈牟毯偷鼻肮谕獾姆⒄棺纯?，并对未来的发展趋势进行了分析和预测。最后总结了当前三种器件的功率水平。

 

总之，真空和固态器件各有特点，应根据具体应用场合和工作频段，做最优选用。显然，在高频段上真空器件优势明显，是实现毫米波、THz 功率的有效途径，因此需求巨大，应继续拓展。而在低频段上由于 GaN 等新材料的应用，SSPA 占据着统治的地位，未来仍然会是研究的热点。MPM 则集成了二者的优点，一方面解决了真空器件“加电难”的问题，另一方面又解决了固态器件在高频段难以达到高功率的问题，因此必然会成为各个领域研究应用的重点。我国的 MPM 也要在充分学习国外先进技术的基础上，坚持小型化、标准化，并向高频和宽带方向发展，不断改善薄弱环节，增强工艺水平，实现产品的自主可控。