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微波功率模块（Microwave Power Module，MPM）是工作在微波与毫米波频段的小型化、高度集成的微波功率放大器。它可用作下一代雷达、电子战和通信等微波系统共用标准的微波源，是一种极具潜力的军民两用功率器件。
MPM由真空功率放大器（Vacuum Power Booster，VPB）、单片微波集成电路（MMIC）或固态放大器（Solid-State Amplifier，SSA）和集成电源调整器（Integrated Power Conditioner，IPC）组成，MPM的原理简略框图如图2.22所示。
图2.22 MPM的原理简略框图
MPM充分利用了MMIC的低噪声、高增益与VPB的大功率、宽带宽和高效率的特点，融进了先进的电源设计技术、热设计技术及低耗组件设计技术，并采用新型材料与封装工艺，做成了一种被称作“超级组件”（Super Component）的高性能新概念微波功率模块。与传统的TWTA和SSA相比，MPM比SSA具有更高的功率与效率，比TWTA具有更低的噪声，其功率密度提高了一个数量级。
驱动VPB的前级固态放大器（SSA）的典型框图如图2.23所示。
图2.23 驱动VPB的前级固态放大器（SSA）的典型框图
SSA的主要功能包括：
（1）提供25~30dB的小信号增益（通常为MPM总增益的一半），以及VPB达到额定输出功率所需的射频驱动功率；
（2）补偿VPB带宽内增益变化，使MPM在2~3倍频程带宽内有一个相对平的增益响应；
（3）降低MPM的噪声系数。
MPM放大器与传统的TWTA相比，其典型的噪声系数值可小于10dB，而单独的TWTA的噪声系数约为30dB。由固态放大器与TWTA组成的放大链，放大链总的噪声系数 F 与各级放大器的噪声系数和增益有关，可用级联放大器噪声系数公式来估算，即
（2.32）
式（2.32）中， F 1 、 G 1 分别是固态放大器的噪声系数和增益， F 2 是行波管的噪声系数。
由式（2.32）可见，放大链的噪声系数比单独TWTA的噪声系数低了很多，且其固态放大器的增益越高，总噪声系数越低。
MPM中的SSA一般由MMIC放大器（由线性放大器、变增益放大器和功率放大器构成）、电调衰减器和PIN调制器三部分组成。作为相控阵的T/R或功率合成组件用的MPM，还应包括一个电调移相器。
SSA之所以采用MMIC技术，不仅为了增加带宽和增益，同时还为了减小尺寸和降低成本。因为若采用分立元件设计，其组件尺寸将会比原来增大2~3倍，而增益却只有它的一半。所以采用MMIC技术除具有减小尺寸的好处外，因其组件数量的减少，也使可靠性较原来提高了5~10倍，并且其总成本也下降到原来的1/3左右。
MPM中的VPB是一种特殊的TWTA，需要采用特殊的设计方法和加工制作工艺。因此VPB的设计是很重要的技术问题，特作如下简述。
频段覆盖2~40GHz，供MPM模块用的超小型、宽带、高效系列VPB，都是采用通用模块化的设计方法，与传统行波管一样，VPB有一半的零件和组装步骤都是通用的。通常情况下VPB的加工件大都采用高温、高精度、镀铜的金属件和陶瓷件，其主要子部件连接处的安装法兰盘都是采用激光焊接的。
电子枪为静电聚焦皮尔斯（Pierce）枪，它的调制电极为廉价的聚焦极。为了缩短慢波电路的长度、降低阴极电压，需选用较高的导流系数，其典型值为0.5~1μP。为了延长VPB的使用寿命，采用M型阴极并轻载运行（发射电流密度为数个安培每平方厘米）；聚焦电极的截止负偏压设计为1300V左右；电子枪各电极的引线是通过一个带有金属化通孔的圆柱形陶瓷管座引出的。
阴极与灯丝组件是用同轴绝缘套管结构支撑的，这样的结构可获得较高的热阻，且其温度范围很宽，机械稳定性也好。灯丝功率只需5W就可在30s内将VPB加热到工作要求的温度。
电子枪组件设计的一个重要特点是枪的荫罩可以调整，即阴极组件相对于阳极至少可以移动±0.01inch（1inch≈2.54cm）。为确保VPB运行的稳定性，可以在调试时施以适当的作用力使之移动，以把枪的导流系数调整到最佳值。
互作用电路采用氧化铍支撑杆的两段螺旋线。用分离器隔离的输入/输出电路是很短的，分离器两边的支撑杆上，每边都有一个石墨衰减器。这样设计可使输入/输出隔离度优于80dB以上，并能吸收由于输出电路外部不匹配造成的较大射频反射功率，以保护SSA。支撑杆上的金属化加载叶片，能提供几乎均匀的电子速度分布，从而获得低谐波功率的宽带性能。在输出电路中通过电子速度分级，可使宽带电路的效率达到20％。对于窄带应用，控制电子速度分布则无须叶片加载，而是采用一个双级电子速度分级电路，以使效率超过30％。VPB采用同轴射频真空窗与电路耦合方式，它的输入/输出窗的设计取决于VPB的频率与功率要求。耦合窗的接头类型通常为：低功率管（100W）用SMA，高功率管用TNC，毫米波管则用2mm×4mm波导作为输入/输出窗。
管体内径经高精度加工后，将圆筒螺旋线和支撑杆部件整体装入其内。整体圆筒螺旋线的外导体是磁铁的极靴，这对于提高磁效率和轴向磁场的均匀性有利。
采用低成本热填充的制造工艺，将螺旋线和支撑杆整体装入管体圆桶电极内，以形成电路的紧配合，其热传导性能和机械强度都很优良。
为了减少真空外壳的横截面积，所有的VPB几乎都采用了比例为2∶17的钐和钴磁性材料制成的高磁场强度的周期永久磁铁。之所以选择这种材料，是因为它的磁场强度高，温度稳定性好。
为了提高C波段VPB的电路和收集极的效率，其电子注需要设计成分层漂流的分布模型。电子注的层流分布是需要通过仔细设计磁铁组件的入口磁场分布来获得的。最佳入口磁场分布可通过CAD的电子枪模拟及磁铁组件的磁场仿真得到。电子注的轨迹计算可采用Hermannsfeldt公司的电子光学程序，而磁铁组件的磁场分布则可选用Maxwell公司的静磁模拟程序得到。在确定了最佳磁场的入口分布后，组件入口磁铁可分别按要求充到相应的磁场强度。
所有VPB都采用具有再聚焦段的四级降压收集极，以便回收较多的电子注能量。收集极的电气设计是基于NASA Lewis方法得到的，然后计算收集极各透镜的耗散功率，并改变各透镜的形状和位置来优化收集极回收的总能量。这一新颖的收集极设计采用了内表面镀金属的单体矩形氧化铍陶瓷外壳。收集极的各级透镜用石墨制成，以抑制二次电子发射，其外表面进行了金属化处理以便焊接。这种设计使从VPB到模块冷却体间的热传导率非常高，同时减轻了总质量。
对于MPM的系统设计来说，集成电源调整器（IPC）是一个很重要的部件，它不仅涉及缩小体积、减小质量，还涉及可靠性的问题。这种设计是将结构设计、热设计、电路设计、电磁兼容设计和微组装与混合集成融于一体，是要求很高的机电一体化设计。要做好这种设计，单靠传统的方法是不行的，必须利用先进的计算机优化设计和仿真技术才能完成。它包括电路优化与仿真、三维结构优化与仿真、热分析与仿真和电磁干扰的模拟与仿真等技术。
由于MPM模块的体积很小，元器件的组装密度非常高，因此采用常规的设计方法，使用分立元器件是无法实现的。组装设计时必须大量采用大规模集成电路芯片、贴装元器件，通过系统集成，实现三维组装。为了确保其工作的稳定和可靠，组装设计中应处理好以下几个问题：
（1）为了适用于各种苛刻环境，所有高压单元（浮在阴极高电位上的单元），如灯丝电源、正偏置电源、负偏置电源、调制器和各种高压引出端子，都应使用导热的绝缘材料灌注。
（2）为了缩小体积，应减少各单元间的转接，避免使用连接器，各单元间的连接尽量采用导线焊接。
（3）为了减小电磁干扰，应合理布局及走线，认真处理好信号间的屏蔽、隔离、滤波及接地，以确保系统工作的稳定和可靠。
通过计算机优化和仿真设计的MPM，采用混合组装、ASIC（专用集成电路）、高比能磁性材料，利用高比能高压电容、高压绝缘液体介质冷却及先进的电路设计等技术，其IPC的高压转换效率可达到90％~94％、电源的封装密度达到5.5W/cm 3 、负载能力达到350W，VPB阴极电压为4kV，高度小于0.69cm。
标准MPM系列的初级电源是270VDC，其他类型的初级电源多为28VDC或三相400Hz电源，这可通过加一个外部电源变换器而轻松地满足270VDC电压的要求。预稳变换器作为高压电源（HVPS）和辅助电源变换器的一部分，可以最大限度地减小其输入电压的变化，提供稳定的350VDC输入电压。所有的逆变器都是200kHz的固定频率，经脉冲宽度调制的零电压、零电流开关变换器，使其输出电压加到高压变压器初级。该变压器有几个次级绕组，其输出经整流和叠加后形成VPB所需要的各收集极和阴极的工作电压。阴极电压采样是由一个带频率补偿的高精度高压分压器网络来完成的；而精确的阴极电压调整是通过一个宽带线性螺旋线后置调节器电路来实现的。分压器的阻性部分采用厚膜电路结构，来自分压器的阴极采样电压被用来调整阴极电压以达到±0.05％的精度要求。辅助电源也是一个具有200kHz频率的回扫开关电源，它提供所有内部需要的辅助电源。预稳变换器、逆变器和辅助电源都是采用传统的脉冲宽度调制电路并以同一开关频率同步运行，其中预稳变换器和逆变器的调整环节都采用电流控制模式。
调制器控制着VPB的电子注电流，采用高速高压MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）可实现调制器的转换时间为10ns数量级，从输入MPM的TTL信号到转变成调制器电压的总延迟为30ns数量级。连续工作时，调制器的最高重复频率为330kHz；间隙工作时，调制器的最高重复频率可达5MHz。
系统监控针对电源和VPB设置了控制和保护措施，这些措施包括VPB灯丝加热定时、阴极欠压、螺旋线过流、逆变器过流和过热等。MPM的电源保护和VPB 的打火保护则采用电路自身的阻抗限流、监测螺旋线电流、过流关断电源和加入浪涌限制组件等综合保护措施。
在使用环境、初级电源和冷却条件都有限制的共形T/R组件情况下，要提高有效辐射功率，必须集中辐射能量。增加辐射单元，可以有效地提高辐射功率，但由此会导致孔径尺寸增大并使带宽减小。随着辐射带宽的减小，为保持对目标的最大有效辐射功率，其波束调整也变得更为复杂，从而导致系统成本的提高。对于要求宽波束的机载小平台系统来说，减少辐射单元数量的要求常常阻碍着有效辐射功率的显著提高。如果为适应平台要求减少辐射单元数量 N ，则有效辐射功率也会下降。这就要求射频放大器的输出功率以非线性增加才能抵消相控阵尺寸减小的影响。因此，放大器对初级电源、冷却系统及体积等方面的要求成了制约性因素。
采用GaAs器件、高电子迁移率晶体管（PHEMT）和金属半导体场效应晶体管（MESFET）技术的SSA，长期以来被有源相控阵采用。典型的2~15W放大器可以紧靠辐射单元放置，这最大限度地减小了损耗，并有利于降低接收机的噪声系数值。然而，考虑到损耗和电路的复杂性，SSA内场效应晶体管的组合数量实际上不可能无限增加。与MPM或微型TWTA相比，SSA的主要缺点是效率低。正是这种低效率使初级电源功率增大，冷却负担加重，结构变大，从而大大影响了整个系统的质量和成本。为了适应中、小平台，如无人机、卫星和战斗机等对体积、质量、初级电源和冷却系统等的要求，小尺寸和高效率的MPM是非常合适的选择。
MPM的高功率、小体积、小质量和高效率的优点使它适合于航空器、移动车辆及卫星发射机等许多应用领域。如果每个辐射单元由一个高功率MPM驱动，则在提供相同有效辐射功率的情况下，孔径尺寸可以减小；若用固态相控阵，当个别单元发生故障时，同样也能实现系统可靠地工作，只不过系统性能有所下降。正如固态T/R组件一样，MPM也可以添加一个接收信道，这对其体积和质量的影响很小。随着频率的提高与带宽的增加，与固态器件相比，真空电子器件在功率与效率方面有独特的优势。
采用任何一种新技术都会涉及可靠性的问题，像MPM这样高功率密度的器件更是如此。MPM是建立在SSA、VPB和IPC三种成熟部件技术基础上的，且SSA由几片MMIC组成，预计其可靠性不会成问题。相反，由于MPM高度集成了现代组件的设计与制造技术，它将提供可与其他高功率放大器技术（如固态技术）相比拟的长寿命性能。规模生产MPM的MTBF目标预计值大于15000h。
经验表明，在进行VPB设计时，若考虑到长寿命工作的需要，对VPB的输出平均功率进行适当降额应用，将呈现出与其他微波功率放大器技术相匹敌甚至超过的长寿命性能。MPM中的VPB可以被认为是降低了工作电压的标准工业用的微型TWT。
MPM中的VPB经过多年的设计与实际应用，几项针对提高标准化程度的设计改进将极大地提高MPM中VPB的可靠性。与传统的TWT相比，MPM中VPB的零件数量减少了50％以上，这就大大减少了潜在的铜焊失效点。它采用的阴极的电流密度与太空用TWT（约1~2A/cm 2 ）的M型分布式阴极相同。MPM中VPB的阴极工作电压较低（额定4~5kV），不像传统的“大瓶子”——TWTA工作电压在8~15kV之间。它的电压的下降，极大地提高了VPB和电源电路的可靠性。
采用周期永磁铁对电子注进行聚焦与约束，使VPB在所有激励条件下，其螺旋线的截获率都很低，从而减少了对被认为是寿命终结机理的电路老化的担心。使用四级降压收集极提高效率，减小在射频激励和直流工作条件下的热流量，可以从机理上减少失效因素。
由于输入过激励或激励中的高谐波分量而导致的螺旋线截获电流大的问题，在集成式MPM中通过加入与VPB性能相匹配的SSA而被最大限度地避免了。在许多情况下，SSA的驱动特性可被用来作为一个天然限幅器以保护VPB，同时采用计算机辅助设计的SSA射频链确保了均衡的、低谐波宽带驱动性能。
IPC中的高频高效开关电源给VPB提供了高压电源。该高频高效开关电源所特有的低储能特性限制了VPB打火时损坏其内部组件的可能性。另外，在IPC设计中内置的控制与保护功能，包括阴极过/欠压、电子注过流、螺旋线过流、过热及其他保护功能，能够在出现故障时，快速切断电源。
MPM的封装工艺省掉了VPB、调制器和高压电源上的高压接插件，将高压输出单元及调制器直接与VPB焊连，不仅提高了可靠性，同时也节省了一部分成本，减小了体积。
所有有关TWTA的失效模式，包括热流量、工作电压、过激励、内部打火、阴极耗尽及主要功能块的连接等问题，都可以通过适当的可靠性设计而得到解决或改善。