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现阶段行波管主要特点
高频率、宽带、高效率在军事应用上的特点突出。单体功率大、效率高可有效减小了系统的体积、重量、功耗和热耗。在星载、弹载、机载等平台上适应性更强。 耐高温特性。陶瓷金属结构的行波管对机械和温度极度不敏感，在高、低温条件下的功率波动和相位波动微小，对系统的环境控制大大降低。 抗强电磁干扰和攻击。随着高功率微波武器和微波弹的出现，真空管天生的抗电磁攻击特性在大国激烈对抗中显示出坚实的生存能力。 图1、行波管、速调管、正交场放大器的MTTF[1] 寿命大幅提高。功率行波管寿命普遍大于1万小时，中小功率水平达到10万小时，支撑了武器全寿命周期。图1为现有产品的系统平均首次故障时间(MTTF)统计，可以看出电子战系统的MTTF时间从1970年的1千小时提升至4万小时[1]，空间行波管的MTTF达到千万小时量级，表现出极高的可靠性。 |
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一、微波功率器件的基石
美军作战平台中真空器件使用了20-30万支（其中行波管约占50%，每年的订货量增长约10%），是现役电子战、雷达和通信的主要功率器件，共270种系统至少服役到2050年，并且新开发的高频段、小型化行波管及功率模块进一步推动高性能装备不断出现。国际上行波管典型应用（公开报到）包括： 防空反导系统：“爱国者3”的相控阵雷达（AN/MPQ-53升级到AN/MPQ-65），增加了行波管功率，平均功率达到20kW，具备高机动性，探测距离170km，导弹末引头采用Ka频段1kW行波管实现精确末制导。 电子战系统：“咆哮者”电子战飞机，采用行波管组成的干扰系统，服役8个月便击败F22隐身飞机；俄罗斯Su24 “希比内”电子战系统，在2014年瘫痪了宙斯盾舰；美军通用SLQ-32舰载电子战多波束系统（每套系统140支行波管），大量装备与驱逐舰、护卫舰和航母，可同时干扰80部雷达。 空间应用：从L-V波段的90%以上卫星功率放大器，最大效率达到72%，寿命15年,是现代信息化战争通信、导航、侦察系统的关键件。由于空间行波管显著的高效率、高可靠、大功率、抗辐照特性，该类管型会长期应用在卫星下行通信等领域。 大功率卫星上行通信：200W-2000W的C-Q波段卫星上行系统，几乎全部采用超线性化行波管，是卫星上行通信的核心器件，具备大功率、高效率、高可靠等优点，连续工作寿命3-7年。 无人机：“全球鹰”和“捕食者”无人机的通信系统，采用行波管微波功率模块（MPM）提供全天候高速卫星通信。Ku频段的无人机合成孔径雷达(SAR)广泛采用行波管作为高峰值功率（>1kW）、高效率、宽频带、小型化功率源。 地基远程预警与情报系统：美国的“丹麦眼镜蛇”雷达（AN/FPS-108）有96个子阵组成，稀疏阵，每个子阵160个辐射单元，总峰值功率达到15.4MW，平均功率920kW，L波段带宽200MHz，探测距离3200km。前苏联类似系统为“鸡笼”“狗舍”大型地基警戒雷达，可探测距离3000km以上。 机载火控雷达：“二代、三代和四代战斗机”采用集中发射机和无源相控阵的火控雷达是传统机载火控的主力，具备成本低、重量轻等特点，现役飞机全球达到上万架。如Su35的无源相控阵雷达，平均功率5kW，正面探测距离达到400km，具备良好的作战性能。 |
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二、微波功率的两种类型：固态器件和真空器件
“如果追求功率器件的极限，真空管永远是被选择的器件，因为再也找不到比‘真空’更好的工作环境了”。真空管克服了电子“渡越时间”限制[2]，避免了“电子散射”和“晶格中的损耗”，可灵活控制电子的群聚和能量交换，单个器件峰值功率大于10GW，工作频率达到1THz，能量交换效率可达到85%。 图2是行波管工作原理图：阴极发射的电子经过细长的互作用系统，通过电子群聚实现与慢电磁行波的能量交换，是一个典型的非线性自洽过程，大部分电子失去能量，小部分电子获得能量，实现电磁波在较宽的频带内整体能量放大，而降压收集极的使用进一步回收了一部分互作用后的电子能量，使得行波管总效率大幅提升。 固态功率器件类似于“三极管”原理，通过栅极开关源极电流实现微波功率放大，如图3所示，其理想最大功率与材料的渡越时间有关，宽带半导体GaN的功率带宽积是GaAs的五倍以上。 行波管是慢电磁行波与电磁波的能量交换，阴极发射的电子进入互作用系统，产生电子的速度群聚和超越，没有渡越时间限制，形成一个注-波自洽过程，大部分的电子交出能量，小部分的电子吸收能量，同时降压收集极的使用可以进一步回收电子能量，使得器件总效率大幅提升，其功率容量主要受到电磁波传输系统的微波打火和器件体积限制。 表1 宽带微波功率器件 图5是典型宽带行波管的功率和效率测试结果，行波管在6-18GHz 100W量级行波管，效率大于40%。表1是典型宽带微波功率器件的比较，可以看出两类器件特色不同：固态器件单片体积小，合成后可获得100W量级的功率输出，散热条件要求高；行波管单体功率大，效率高，具有耐高温特性。表2是用于GPS的空间行波管典型频带、功率和效率，具有70%的能量交换效率和超过15年的连续使用寿命。 表2、用于GPS系统的72%效率的L&S波段大功率空间行波管[11] 真空器件和固态器件各有特点：固态器件低电压、大电流，体积小，半导体工艺生产的一致性好，更适合密集有源阵列应用，如F22和F35的机载火控雷达的有源阵列，但在应用中需要克服高频段单件功率小、效率低、温飘大和系统功耗大等问题。 真空器件高电压、低电流，单个器件功率大、效率高、耐高温，系统成本低，但工艺生产一致性不如固态器件，而且存在单件体积大、高压打火和真空漏气等需要持续克服的问题，特别是密集有源阵列的雷达大量应用使得真空器件显得更加笨重。 在很长一段时间，AESA的应用大力推动了固态功率器件的投资，而真空器件投资大幅减少。本世纪初，美国三军特设委员会编写了“Investment strategy for vacuum electronics R&D” 和 “Investment balance for RF power vacuum electronics and solid-state R&D”，详细讨论了功率器件的历史、现状和发展，指出真空器件和固态器件之间的平衡投资战略。 实际应用中，特别是在宽带大功率和毫米波段的军事应用中，真空器件的高峰值功率、大平均功率、高效率、宽频带、耐高温特性是一种“与生俱来”的物理特性。 2015年美国DARPA先进计划研究局DARPA分别启动了“投入”(INVEST)、“浩劫”(HAVOC)计划，支持真空功率器件的发展和不断增长的军事系统需要，特别是微波功率行波管，以获得在军用大功率源的持续压倒性优势。 |
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三、新一代毫米波和THz行波管
图6是2017年最新公布的220GHz行波管产品，第一期产品获得25W功率输出，后续功率降持续提升至100W量级，用于太赫兹视频合成孔径雷达(ViSAR)。穿过云层、烟雾对地面运动目标实时成像，在恶劣天气下实现目前红外瞄准系统的功能，对地面目标实施全天候精确打击，如图7所示。 图7、机载ViSAR作战场景 2017年DARPA公布了最新的E波段通信行波管通信链路，上行频率为71-76GHz，下行频率81-86GHz，信道带宽5GHz，为了采用高阶调制，放大器工作在线性区域，实现主要参数和功能如下： ·实现100Gb/s的机载射频通信链路； ·空对空距离超过200km，空对地距离（飞行高度18km）超过100km； ·频谱效率大于20b/s/Hz； ·构造一个等同于光纤的无线通信骨干网； ·能够穿透云、雾、雨。 采用最新的行波管放大器(饱和功率约200W，线性功率约50W)，该无线通信网计划比预计完成时间提前3年，同时将2020年规划的无线通信30Gb/s提高到100Gb/s，达到光纤通信速率。表3 为现有典型毫米波功率行波管的产品，预计到2020年500GHz以上行波管产品将获得应用。 图8、E波段100Gb/s高速无线通信链路 表3、毫米波功率行波管 |
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四、新一代宽带行波管及微波功率模块
宽带行波管的产品概况可分为三个阶段：第一阶段产品研制中，设计手段有限，主要靠经验公式进行工程修正，同时受到磁材料的磁能积限制，行波管采用了高电压、低电流的设计，产品体积较大，电压高，干扰机体积笨重； 第二阶段产品设计中，大信号计算机仿真软件的出现实现了低电压工作，将6-18GHz中功率产品的工作电压由10kV下降到3-6kV量级，消除了高压打火带来的故障率问题，体积缩小为第一阶段产品的1/2，仍保持行波管具有40dB的高增益，并发展了新型的微波功率模块MPM集成技术； 第三阶段进一步实现了产品的小型化和高效率，精确物理模型的出现使得“一次性设计成功”成为普遍现象，多级降压收集极的应用使得效率大幅提升到35-45%，同时固态器件的功率提升使得行波管增益只需要20dB, 体积重量降为原有产品的1/4-1/2； 另一方面，先进材料、加工方式和工艺方法的采用，标准化、模块化、自动化生产及微波功率模块的大量使用(接口为低压)，使得行波管的使用寿命和可靠性大幅度提升，因此第三阶段可称为新一代产品。 紧凑型的高功率微波功率模块(MPM)可获得高功率密度输出，并形成一个功率放大的“黑匣子”，降低系统的使用难度和维护成本，图9为典型MPM的结构，采用异性结构可适应不同平台要求，如图10(a)中装在弹载平台的宽带模块。 图11是L3公司推出的新一代微波功率模块：40W Ku波段[8]和50W Ka波段模块[9]。其集合了固态器件、真空器件及电源，形成一个超级发射机，为用户提供最佳的微波链路方案，用户直接面对的是28V，115V和270V等不同平台的中低压。毫米波M1871模块同一部手机大小，可在26.4-40GHz提供20-50W功率输出，效率20-33%，体积仅为104x168x25mm3，重量1.13kg。 相比较固态器件，MPM可获得宽带高效率功率输出，在空间、供电有限的平台中，如无人机平台的雷达、通信、电子对抗等多功能系统中具有重要应用。同时，由于形成了一个“黑匣子“模块，其使用方法等同于SSPA，并且具有故障分散的特点，有利于稀疏的大功率有源相控阵体制的应用。 国内方面，在新一代小型化产品的研制中覆盖了6-40GHz，图12分别为中电十二所近期开发的6-18GHz 50W(重量：0.135kg,体积：135x25x16mm3)和30-37GHz 40W小型化行波管，进一步降低了工作电压，同时体积和重量是现有产品的1/3~1/4。其中厘米波小型化行波管实现了超小型化(Mini管)，全频带总效率大于35%，研制的6-18GHz 50W功率模块仅有手机大小，是无人机、弹载宽带电子战的重要选择。 在此基础上开发的微波功率模块只有6寸手机大小，如图13所示，尺寸为140x86x20mm3。体积缩小后的行波管及模块适应了多种平台要求，具有耐高温、大功率、小体积特性。 图14、通信、雷达多功能用毫米波行波管 行波管是一类宽带功率放大器，在倍频程工作时仍然能够获得高效率、小体积的功率输出，宽频带、高功率、高效率是一种“得天独厚”的特性。图14是多功能用毫米波行波管：1）30-31GHz 连续波300W的卫星上行通信；2）33-36GHz 300W脉冲雷达用；3）43.5-45.5GHz 175W卫星上行通信。该管型的应用使得一个产品覆盖三个频段。类似的宽带国外产品如表4所示。 表4、多波段应用产品 |
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五、结论
由物理分析可知，“真空”是能量交换的最理想环境，避免了固体器件中电子的散射、碰撞等基本问题，真空器件的大功率密度、高效率、耐高温、抗电磁攻击特性是一种“与生俱来”的物理特性。一代产品推动一代系统的出现，行波管作为一种得天独厚的宽带功率器件，器件实现高效率、大功率、小体积、低成本，工艺实现标准化、模块化、自动化，开展集成创新和应用创新，满足不断增长的“功率、频率、带宽”需求。 |
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参考文献
[1] B. Levush, D. K. Abe and J. P. Calame et al, “Vacuum Electronics: Status and Trends”,IEEE A&E System Magazine[J], Sep 2007:28-34. [2] A. S. Gilmour, Jr著，丁耀根等译，《速调管、行波管、磁控管、正交场放大器和回旋管》， 北京：国防工业出版社[M]，2012:146-159。 [3]Chae K. Chong and W. L. Menninger, Lastest Advancements in High-Power millimeter-wave helix TWTs, IEEE T-PS[J], 38(6),2010:1227-1238. [4]C.M. Armstron, A. Zubyk and C. Meadows et al. “A Compact G-band MPM Power Amplifier for High-Resolution Airborne Radar”, Int. Vacuum Electronics Conf. [C] 2017. [5] J. C. Tucek, M. A. Basten and D. A. Gallagher et al. “Operation of a Compact 1.03THz Power Amplifier ”, Int. Vacuum Electronics Conf. [C] 2016:37-38. [6] J. H. Booske, R. J. Dobbs and C. D. Joye et al. “Vacuum Electronic High Power Terahertz Sources”, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology[J], 1(1), 2011:54-75. [7]R. Martorana, D. Bisconti, A. Mistetta. High PRF Microwave Power Module with Electronics Power Conditioner of enhanced features, [C], Int. Vacuum Electronics Conf. 2017. [8]D. Springmann et al. “A 40W Ku-band NanoMPM for mobile commmunication” [C], Int. Vacuum Electronics Conf. 2012:151-152. [9] D. Springmann et al. “A 50W Ka-band NanoMPM”, Int. Vacuum Electronics Conf. [C] 2014:123-124. [10] N. Ayllon et al. “An overview of European Sapceborne Vacuum Tube Amplifiers and System Needs”, Int. Vacuum Electronics Conf. [C] 2017. [11] R.H.Martin and D.C.Ezeet al. “L&S-band Family of Space Qualified TWTs”, Int. Vacuum Electronics Conf. [C] 2017. [12] D.C.Eze and W. L. Menninger. “170-W Radiation-Cooled, Space K-band TWT”, Int. Vacuum Electronics Conf. [C] 2017. [13] Chae.K.Chong et al. “1.5-kW DBS-band and 2.0-kW Ku-Band Helix TWTs for Direct Broadcast Satellite Upling Applicaitons”, Int. Vacuum Electronics Conf. [C] 2016:201-202. [14] M.Chesnut et al. “Development and production of a DBS Band 1250 Watt Peak Power Superlinear Helix TWT”, Int. Vacuum Electronics Conf. [C] 2016:203-204. [15] Carter M. Armstrong. “The Quest for the Ultimate Vacuum Tube”[J], IEEE Spectrum, 2015:30-33. [16] 廖复疆，蔡军，陈波等. “发展新一代真空电子器件”, 真空电子技术[J]，2016:31-35. [17] R.J. Barker, J. H. Booske and N. C. Luhmann, Jr, et al. “Modern Microwave and millimeter-wave Power electronics” [M],IEEE PRESS, 2004:731-761. |
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