摘要：真空電子器件在雷達的發展歷程中發揮了重要作用，是雷達系統的核心器件，兩者相輔相成、相互促進。隨著設計仿真能力的不斷提升，以及新材料新工藝的出現，真空電子器件出現了一些新的發展動向。器件性能不斷提升，也出現了一些新型真空電子器件，這都為新型雷達探測技術的發展提供了很好的器件支撐。該文從微波毫米波器件及功率模塊、集成真空電子器件、太赫茲、大功率和高功率5個方面介紹了真空電子器件新的發展趨勢以及所取得的最新研究成果。
關鍵詞: 真空電子器件 功率模塊 太赫茲 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
真空電子器件作為大功率源，在雷達、通信、電子對抗、遙測遙控和精密制導等武器裝備中發揮了核心作用[1]。特別是雷達系統的發展，從誕生之日起便與真空電子器件的發展緊密聯系在一起。雷達技術的發展推動著真空電子器件不斷進步，而真空電子器件性能的提升以及新型真空電子器件的出現又會帶來新的雷達功能，甚至產生新的雷達體制。從上世紀80年代起，隨著分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)和金屬有機化合物汽相淀積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)等先進技術的發展，相關的微波毫米波單片集成電路(Microwave Millimeter wave Monolithic Integrated Circuit, MIMIC)得到了快速發展[2]。特別是近十幾年來隨著以SiC, GaN為代表的寬禁帶半導體器件的快速發展，真空電子器件在雷達系統中的作用被越來越忽視和低估。關于真空電子器件和固態器件的相互關系也在各種學術會議上不斷地被研究和討論[3]，在低頻率、低功率有源相控陣應用的情況下，固態器件占據主導地位。但在大功率和高頻率情況下，真空電子器件將會具有更大的優勢，并將長期與固態器件并存和相互競爭。隨著材料科學的發展、設計仿真能力的加強以及加工制造技術的進步，真空電子器件將依然保持持續的繁榮和活力[4]。本文將結合雷達系統的應用需求，介紹真空電子器件新的發展趨勢以及目前相關器件所取得的最新研究進展。
2 微波毫米波器件及功率模塊
微波功率模塊(Microwave Power Module, MPM)是美國國防部電子器件領導小組于1989年提出的一種新的功率器件概念[5]，其原理和內部組成結構如圖 1和圖 2所示。
它集成了真空電子器件和固態器件兩者各自優點，代表了一種新的微波、毫米波放大器技術，它既可以用作單獨的發射源，也可用于多單元功率合成進行組陣應用。特別是隨著無人機的作用越來越凸顯，在體積、尺寸以及成本等方面具有很大優勢的微波毫米波功率模塊的重要性也越來越顯著。其中著名的“捕食者”B型無人機中的合成孔徑/動目標檢測(Synthetic Aperture Radar/Ground Moving Target Indication, SAR/GMTI)雷達采用的就是dB-Control公司生產的功率模塊[6]。
采用行波管作為末級功放，可以得到比較高的效率，減小了熱負荷，而且可以在更高的環境溫度下有效工作。由于采用MMIC固態放大器分擔了部分增益，所以行波管的增益要求沒那么高，可以采用小型化行波管，減小了模塊體積和重量。另外由于采用了低噪聲MMIC固態放大器，與單獨行波管相比具有更低的噪聲水平。
目前美國的CPI, L-3, Northrop Grumman, Triton，法國的Thales，日本的NEC等多個公司都能提供比較齊全的小型化行波管和MPM系列產品。如Triton公司的小型化行波管產品覆蓋了2.0～32.5 GHz頻率范圍，連續波功率從50 W到200 W，并在2～6 GHz和6～18 GHz兩個頻率系列上提供連續波輸出功率50 W到100 W的MPM產品；CPI公司在2～6 GHz，2～8 GHz，4.5～11.0 GHz，6～18 GHz等系列上提供連續波50～100 W的MPM產品。國內雖然起步較晚，但也已經初步掌握了MPM小型化行波管、微型EPC電源技術、MPM模塊集成等關鍵技術，具備了6～18 GHz 30～100 W連續波功率模塊研制能力[7]。
針對雷達應用的脈沖功率模塊也得到了重視和快速發展。美國、日本等多個公司開發了脈沖小型化行波管以及功率模塊[8]。典型的MPM可以在X或Ku頻段25%占空比的情況下提供小于150 W的輸出功率，用于小型的無人機合成孔徑雷達系統。針對更遠探測距離的無人機雷達，美國L-3公司開發了1000 W峰值功率脈沖MPM。工作脈寬80μs，重復頻率1600 Hz，相位噪聲達到–110 dBc/Hz[9]。國內也開展了X波段脈沖功率模塊的工作，所研制的小型化行波管功率大于500 W、帶寬2 GHz、占空比20%、效率35%[10]。
圖 3所示為L-3公司開發的第1代Nano-MMPM，在Ka頻段可以輸出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公司正在開發的第2代Ka波段MMPM輸出功率提高一倍，達到100 W，效率達到33%以上[3]。日本NEC公司也開發了Ka波段100 W脈沖MMPM[11]。
中國電子科技集團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連續波MMPM。該MMPM帶寬2 GHz，增益大于39 dB，效率大于50%。模塊如圖 4所示，整體尺寸為395 mm×220 mm×50 mm，重量＜5 kg，功率測試曲線如圖 5所示[12, 13]。