一种新型功率模块及其应用

摘要：详细介绍了一种新型的功率器件——微波功率模块（Microwave Power Module）。作为真空电子器件和图态功率器件的有机结合，微波功率模块兼具二者优点的同时，也克服了二者的缺点。对微波功率模块的应用作了具体的阐述。 关键词：微波功率模块 行波管 相控阵 “一代器件决定一代技术。”真空电子器件是当代国防装备和国民经济各部门都在使用的一类最重要的电子器件之一，它是雷达、通信、电子对抗、遥感遥测和精确制导设备的心脏，作为广播电台、电视台的发射源，微波通信与卫星通信的转发器，以及电视机和显示器的核心器件已被广泛用于人们的工作和生活中。 微波功率模块MPM（Microwave Power Module）作为一种全新功率器件，把真空电子器件和固态器件有机地结合在一起，具有功率密度比固态器件高、效率比真空电子器件高、相位噪声低、体积小、重量轻的特点，为有源相控阵系统的发展提供了优良的阵元。 1 MPM概念的提出 近年来，固态微波器件发展势头迅猛，并在频率相对较低的范围内取代了部分中小功率微波电子管。但其进展也表明，固态器件也有其局限性，无法完全满足下一代电子系统的需要，真空电子器件和固态器件各有其独特的优点和缺点。 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，即微波功率模块。它具有在一个器件中同时实现真空电子器件大功率、高效率以及半导体器件低噪声、小体积的优点，克服两种器件单独工作时的缺点，具有很高的可靠性。 MPM是一种完全的微波功率放大器，它包含一个行波管、一个固态放大器、一个均衡器和一个高密度集成功率变换器系统，图1给出MPM的具体结构。 2 MPM的组成 （1）行波管 行波管都是用高温精密铜焊金属和陶瓷制成的。每个行波管都包括一个电子枪，为RF（Radio Frequency）电路慢波结构，而且大部分行波管都采用了一个多极怍集极，如图2所示。行波管的电子枪通常在很多Litton迷你型行波管中都会用到，它包括一个阴极、一个将阴极加热到足够温度从而产生电子的加热器、一个聚焦电极在电子束进入慢波结构时将其直径变小。慢波结构一般由三条棒和钨丝组成。电子束在慢波结构中行进时，RF就与电子束集合在一起引入，并与电子束相互作用，其结果就是能量从光束转化到RF信号。RF输出从慢波结构的终点开始。收集极的作用是从电子束中收集电子，并以热的形式散发掉剩余的能量。收集极的机械设计包括经过特别处理的铜电极，该铜电极经铜焊焊入一个陶瓷封套中。管脚引线用来完成到电极的电子连接。陶瓷封套为电极、电隔离和导热提供了机械环境和真空环境。电极经过涂层处理，以减少次级散热。 （2）均衡器 行波管等电子器件作为一些电子系统的核心器件，其技术水平决定了系统性能的优劣。由于行波管固有特性的限制，在MPM模块的放大链中很难保证在其工作频带内做到增益不变。目前可行的办法就是采用管外均衡技术以解决这些问题。为此需在固态放大器和行波管之间加入幅度均衡器，以在工作频带内实现增益一致。在该领域，我国已经自主研发出了多种性能先进的均衡器。 （3）高密度集成功率变换器系统 图3给出了高密度集成功率变换器系统结构。左侧的+270V DC是主输入，作为控制和监测信号。包括RF开指令、高压开/关指令、高压开指示器和错误指示器。固态放大器输出、真空功率推进器在图3右侧。输入的主要功率既被发送到辅助电源，也被发送到主变极器。辅助供电产生固态放大器电压、内务处理电压、提供给行波管的加热电压和调节器开关偏压。主电源还通向干线变极器，变极器将其转化成高频AC电压来驱动高压变压器。高压变压器的输出驱动一个乘法器和高压过滤器电路，该电路向行波管提供阴极和收集极电压。所有的MPM接口信号都通向逻辑电路，逻辑电路控制行波管运行，并提供基于电压、电流和温度等级的失效保护。 3 MPM特点 MPM主要有以下几个特点： （1）大功率、高效率 MPM的末级采用真空功率放大器，主要为螺旋线行波管或耦合腔行波管。行波管能在高电压、大电流状态下工作，因而可以获得比固态放大器高得多的输出功率。此外，行波管的散热能力要比固态放大器大得多，采用多级降压收集极回收部分电子注能量可极大地提高行波管的效率。一般固态放大器的效率为20%，行波管放大器的效率为33%，而采用多极降压收集极的行波管作为末级放大器MPM的效率可达45%。 （2）低噪声 MPM采用固态放大器作为激励器，一方面降低了行波管的增益要求，有助于提高效率、减少体积与重量；另一方面可极大地降低整个放大链的噪声系数。普通高功率行波管噪声系数在35dB以上。如果采用8dB噪声系数的固态放大器，根据级联放大器的噪声系数计算公式： NF=NF1+NF2/G 式中：NF1——前级固态放大器噪声系数； NF2——行波管噪声系数； G1——固态放大器增益。 假设为30dB，那么级联放大器的总噪声系数为9～10 dB。这样低的噪声系数在行波管中是无法得到的。 （3）可靠性高 固态激励器的引入，降低了行波管的增益要求，这不仅增强了其宽带功率的能力，而且降低了对电压的要求，提高了可靠性。另外，也相应地缩小了管体的长度。 4 MPM的应用 自从第一个MPM样品由美国诺思罗普公司研制成功后，MPM的优势在海湾战争中得到了证实。由小型化电真空器件与固态器件组合而成的MPM，由于具有输出功率高、可靠性好、频带宽、体积小、重量轻等优点而倍受重视，并成为新一代电子系统的核心。 在地面、空间军事通信和数据传输应用中，由于MPM具有良好的线性和很高的可靠性而得到广泛应用。MPM可用于雷达、电子战、通信和导弹寻的系统。由于具有高功率、宽动态范围特性，使相控阵天线系统获得很高ERP(Effective Radiated Power)，从而使雷达可探测横截面非常小的目标（如战术反弹道导弹），使干扰系统能发射更大的干扰功率。 作为MPM重要应用的相控阵，就是由许多辐射单元（在这里就是MPM）排成阵列形式构成的定向天线，各单元之间的辐射能量和相位是可以控制的。典型的相控阵就是利用计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间的扫描。澳大利亚产的有源相控阵雷达和以色列“费尔康”预警机是MPM技术在国外军事设备上的典型应用。 在民用方面，主要是民用通信和数据中继系统，包括地面和空间应用。从长远发展来看，日常交通服务和监测都会为MPM提供市场。“智能高速公路”包括汽车的控制、监测、防撞要求具有检测、数据报告和远距离控制等功能，这一应用可能会超过数据服务市场。随着MPM在体积、价格、可靠性方面的改进，MPM的应用将有广阔的前景。 MPM作为一种新概念的功率器件，它使真空器件和固态器件结合在一起，提供高功率、高效率、低相位噪声、小体积、轻质量，使雷达等系统可以用共同的功率器件构成，使微波放大器能规模生产，降低成本，实现使用的通用化。这么将促进电子系统的迅速发展。