微波发射机行业研究：雷达通信电子对抗核心部件

1 微波发射机：实现微波功率放大，是雷达、通信、电子对抗系统的核心部件

1.1 发射机的功能组成

发射机被广泛应用于人们日常生活中的各个方面。在民用方面，发射 机被广泛的应用于无线广播、手机通信等；在军用方面，发射机应用 于军事目标雷达探测、军用数据链、电子对抗装备等。

在军用领域，发射机主要作用是为雷达、通信、电子对抗系统提供符 合要求的高功率射频信号，将低频交流能量转换成大功率射频能量， 经天馈辐射到空间中。发射机是雷达、通信、电子对抗系统的重要组 成部分之一，其性能的好坏直接影响整机的性能。

发射机由射频系统、调制器、电源、系统监控和冷却系统等几部分电 路组成，其中，射频系统包括射频放大器和射频元器件。射频放大器 包括固态放大器、真空管放大器等；射频元器件包括定向耦合器、隔 离器/环形器、衰减器、移相器、检波器、电弧波导、充气波导、直波 导、弯波导等。选用的微波管不同，调制器、高压电源和冷却形式也 不同。

发射机的主要性能指标包括：工作频率、输出功率、功耗、效率、可 靠度等。

1.2 射频放大器主要分为真空和固态两种形式

基于真空器件的功率放大器，曾在军事装备的发展史上扮演过重要角 色，而且由于其功率与效率的优势，现在仍广泛应用于雷达、通信、 电子对抗等领域。随着 GaAs 晶体管的问世，固态器件开始在低频段 替代真空管，尤其是随着 GaN、SiC 等新材料的应用，固态器件的竞 争力已大幅提高。

跟固态器件相比，真空器件的主要优点是工作频率高、频带宽、功率 大、效率高，主要缺点是体积和质量均较大。真空器件主要包括行波 管、磁控管和速调管，它们具有各自的优势，应用于不同的领域。

真空电子器件的发展可追溯到二战期间。1963 年，行波管放大器 （TWTA）技术取得了实质性进展，提高了射频输出的功率和效率， 封装也更加紧凑。1973 年，欧洲首个行波管放大器研制成功。然而， 到了 20 世纪 70 年代中期，半导体器件异军突起，真空器件投入大幅 减少，其发展遭遇困难。直到 21 世纪初，美国三军特设委员会详细 讨论了功率器件的历史、现状和发展，提出了真空器件和固态器件之 间的平衡投资战略。2015 年，美国先进计划研究局 DARPA 分别启动 了 INVEST、HAVOC 计划，支持真空功率器件的发展，特别是毫米 波及太赫兹行波管。

固态器件也就是半导体电子器件，具有体积小、噪声低、稳定性好的 优点，缺点是应用频带低、单体输出功率小、效率低。 为满足无线通讯、雷达、航空航天等对器件高频率、宽带宽、大功率 和高效率的要求，20 世纪 90 年代起，以 GaN 和 SiC 为代表的宽禁带新型半导体材料深刻地改变了固态功率放大器的性能，并引起了人们 的关注和研究。近年来，在微波发射系统中普遍应用多个微波单片集 成电路（MMIC）进行功率合成以获得更高的输出功率。

微波功率模块（MPM）综合了真空器件和固态器件两者的优势，从 而获得高增益、低噪声、大功率、高效率等二者单独使用无法获得的 优良性能，其集成电源的设计使用户不用直接面对高压，提高了安全 性。

2 真空管发射机：向高频率、高功率、集成化发展

2.1 真空管发射机的分类：行波管应用最为广泛

常见的真空管主要分为两大类：线性注管和正交场器件。 线性注管是由电子枪（包括阴极、灯丝、阳极或控制栅等）、互作用 结构、电子束聚焦系统、收集极、射频输入和输出装置等组成。常用 的单注速调管、行波管和多注速调管都是线性注管。正交场器件由阴 极、阳极以及射频输入和输出装置等组成的。正交场器件中磁控管的 应用时间最长，但是由于输出信号稳定度较差，在现代雷达中已经很 少使用了。

行波管主要优势为频带宽，速调管主要优势为功率大，磁控管主要优 势为效率高，其中，行波管应用最为广泛。

随着固态器件的发展，有源阵列的空间合成在一些领域已经逐步替代 了高峰值功率脉冲行波管，但在警戒雷达、远程目标探测雷达、高机 动性反导雷达、毫米波雷达及机场、低空目标探测雷达及低成本应用 等领域高峰值功率脉冲行波管仍具有较长的发展空间，需要不断提高 器件的使用寿命和可靠性，降低用户使用成本。

微波功率模块（MPM）将固态功放、小型化行波管及微型集成电源全 部封装在一个小空间内，创造性地把固态和真空两种技术结合起来， 在性能上远远地超过单独的固态和真空器件。固态放大器作为前级， 为整个放大链提供低噪声和相当的增益，行波管为末级功放，提供大 功率输出，集成电源提供 MPM 所需的各级电压，并为模块提供控制 和保护功能。MPM 未来发展方向包括向更高的频率推进、进一步小 型化等。

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，国内成功研制了 功率量级和尺寸与国外相当的 MPM 产品。例如，中国电子科技集团 公司第十二研究所开发的 4～18 GHz 50W MPM，效率达 32%，尺寸仅为 140mm×86mm×20mm ，其所用的小型化行波管尺寸为 135mm×25mm×16mm，质量仅为 135g。

2.2 真空管发射机仍有较长的生命周期

功率行波管的发展走过了 70 年的历程，其显著的宽频带、高功率、高 效率等特点，是现代雷达、通信、电子战等系统的核心元器件，并不 断地推动系统向高频率、高功率、集成化、一体化发展。

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%），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。

行波管典型应用如下：

防空反导武器系统制导雷达与导弹导引头：“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；其导弹导引头采用 Ka 频段的行波管，实现精确末制导。

地基预警雷达：美国的“丹麦眼镜蛇”雷达（AN/FPS-108）由 96 个子 阵组成，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。

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。

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 广泛采用行波管作为高峰值功率、高效率、宽频带、小型化功率源。

电子战系统：“咆哮者”电子战飞机 E/A-18G 采用行波管组成的干扰系统； 美军通用 SLQ-32 舰载电子战多波束系统，每套系统含 140 支行波管，大 量装备于驱逐舰、护卫舰和航母。

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。

当前，国际上卫星载荷系统的主流方案是应用线性化器补偿行波管的非 线性。目前在轨应用的 LTWTA 产品，工作频率覆盖 L~Ka 频段，输出功 率最高达到 200W 以上。LTWTA 通常由 TWT、行波管电源（EPC）以及 线性化通道放大器（LCAMP）三部分组成。

2.3 真空管发射机主要研制单位：两所两厂

国内从事真空管器件的单位主要为“两所两厂”，两所是指中电科 12 所和中科院电子所，两厂为 772 厂（南京三乐集团，2004 年与 720 厂 并入 CEC）和 776 厂（国光电气，688776.SH）。

中国电子科技集团公司第十二研究所始建于 1957 年，地处北京市朝 阳区电子城科技园核心地带，是我国成立最早、规模最大、体系最完 备的以研制微波电真空器件为主的国家级骨干研究所，主要从事电真 空器件的研制生产，产品广泛应用于雷达、通信、电子战、制导、医 疗、工业加热、大科学装置等系统。目前十二所有职工 1200 余人，专业技术人员占比 85%以上，中高级职称人员占比 60%以上，享受国 家政府特殊津贴 38 人。2019 年，中电科真空电子科技有限公司净资 产为 23.48 亿元，净利润为 1.78 亿元；2020 年，公司实现营业收入、 利润、经济增加值均超过 10%的增长。十二所军工产品综合技术水平 处于国内领先，部分产品达到国际领先水平，主流产品均已批量装备 部队，基本满足国内武器装备需求，已实现批量应用的空间行波管、 电子战用宽带行波管、大功率行波管、大功率多注速调管、开关器件 等多类产品技术水平均为国内先进水平，部分已达到国际先进水平。

中国科学院电子学研究所我国第一个综合型电子与信息科学研究所， 主要从事电子与信息科学技术领域的应用基础研究和高技术创新研究，目前已形成了三大支柱领域和五个重点领域，其中，三大支柱领域分别是微波成像技术、微波电真空技术和地理空间信息技术，五个 重点领域分别是微波成像基础研究、电磁探测技术、传感器与微系统 技术、先进激光与探测技术和可编程芯片技术。

电子所空间行波管研究发展中心承担我国多种重点工程和航空航天工程用宽带连续波行 波管、脉冲行波管、超小型脉冲行波管的研制和小批量生产任务，先 后为我国卫星、火箭和载人航天工程等提供了十余种型号的空间行波 管及放大器，并为各类电子对抗系统提供了三十多种型号的行波管， 为我国做出了重要贡献；拥有国内先进的行波管研制和生产工艺线， 研制成功的空间行波管及放大器、宽带连续波行波管、脉冲行波管技术水平处于国内领先水平；具备多品种研制、小批量生产，以及年均研制和生产 500个以上空间行波管和军用行波管的能力。2018 年底， 电子所净资产为 32.24 亿元，全年实现营业收入 19.53 亿。

南京三乐电子信息产业集团有限公司（772 厂）隶属于中国电子信息 产业集团旗下南京中电熊猫信息产业集团有限公司。公司资产逾 10 亿元，拥有员工 2200 多名，已经形成以真空电子、应用整机、现代 服务业为主的三大业务体系。公司总占地 30 万平方米，总建筑面积 近 20 万平方米，主要从事真空电子器件、微波能应用整机系统、特 种玻璃和陶瓷、电真空专用设备等多门类高技术产品的研发和生产。

成都国光电气股份有限公司（776 厂）始建于 1958 年，现公司总部及 制造业基地位于成都市国家级经济技术开发区的公司龙泉产业园，占 地面积 10 万平方米，总建筑面积近 7 万余平方米，截止 2020 年公司 拥有总资产 8 亿多元，净资产 5 亿多元，在册员工 930 余人，中高级 技术人员占 13%以上。公司产品门类主要包括各类微波器件（电真空、 固态）及组件、真空接触器、真空灭弧室、工业用微波能产品、机载 厨房服务设备（含高铁服务推车等）、真空规管、真空计、真空工艺 设备、真空测控设备、移动压力容器测控组件、核工业应用设备等。 2020 年，公司实现营业收入 4.46 亿元，实现归母净利润 0.95 亿元。

据国光电气招股说明书披露，国内真空管器件厂商对比如下：

国内从事空间行波管放大器产品研制的单位主要是航天五院西安分 院和中科院电子所，国内空间行波管研制单位主要是中电 12所、中 科院电子所和 772 厂。西安分院是国内唯一具备线性化行波管放大器 （LTWTA）正样产品配套能力的研制单位，主要进行 EPC、LCAMP 产品研制及 TWTA / LTWTA 整机集成和验证，具备集成国产行波管和 引进行波管的能力和经验，成功为多个卫星型号配套研制了 L~Ka 频 段 LTWTA 正样产品，满足卫星系统应用需求，主要性能与引进件相 当。

国光电气在募投项目中提到，公司将在现有微波电真空技术基础上继 续加大对空间行波管、微波功率模块以及配套技术的研发，突破和掌 握与空间行波管相关的核心技术，满足卫星通信市场快速发展需要。

3 固态发射机：固态功率器件发展“一日千里”

固态发射机因其具有工作寿命长、工作方式灵活、低电压工作和故障 软化等优点而备受青睐, 近年来随着固态微波功率管向高频率、大功 率方向的发展, 特别是随着微波单片集成电路（MMIC）和固态器件 的发展，微波功率管价格不断降低，全固态发射机在某些领域中已日 益取代电子管发射机。和电子管发射机相比，固态发射机在降低全寿 命周期成本、可靠性、可维修性及安全性等方面具有明显的优势。

3.1 固态发射机的功率合成

由于单个 MMIC 难以实现上百瓦、上千瓦的功率，为了突破这一瓶颈， 可采用功率合成技术，将多个 MMIC 单片进行合成以达到高功率输出 的目的。

功率合成主要分为以下几种类型：（1）电路合成，分为谐振式功率合 成和非谐振式功率合成。谐振式功率合成可分为矩形波导功率合成与 圆柱墙体功率合成；非谐振式功率合成大体分为 3dB 电桥合成、链式 合成以及多路合成。（2）空间功率合成；（3）混合型功率合成。

为了得到足够高的输出功率，实际的功率合成常常采用多级合成，即 将以上几种合成方式综合利用，根据实际情况充分利用不同合成方式 的优点，做到性能互补，以最小的代价做到最实惠的功率合成。通常 情况下，第一级采用芯片级合成，第二级采用电路级合成，如果输出 功率仍然不能满足实际要求的话，采用空间功率合成作为第三级功率 合成。

固态雷达发射机以功率合成技术为基础，主要由前级功率放大器、末 级功率放大器、功率分配/合成器、电源、控制电路以及加电保和散热 设备等部分组成。固态功率发射机的核心部分是功率放大器，一般功 率放大器由若干基础功放组件组成，功率放大器的性能好坏直接影响 着雷达发射机的工作状态。

3.2 固态发射机的发展现状

固态高功率发射技术的发展是建立在半导体材料与制作工艺不断取 得新进展基础之上的。随着有较大功率输出的第三代宽禁带半导体 GaN 芯片问世，特别是廉价的 Si-CMOS 毫米波功率器件也即将推 出，给毫米波高功率固态发射机注入了活力，而在这以前人们普遍认 为 Si 的射频器件已经到了理论极限，其工作频率只限于 S 波段以下。

在空间应用领域，功率放大器是卫星载荷一类设备，是功耗和能耗的 最大载体。随着 GaN 功率器件“一日千里”的迅速发展，星载功放在微 波频段呈现出“固态化”趋势：用高功率、高效率的固态放大器代替行 波管放大器，以解决后者在尺寸、重量、成本和老化等方面的瓶颈。

短波波段：在国内外，早期的短波通信系统和超视距雷达系统发射机 均为电真空管发射机。由于全固态发射机的优点众多及固态器件的飞 速发展，这些电子系统的发射机朝着固态化方向发展，从末前级固态 化到全固态化。在国际上，目前技术水平的高功率短波固态发射机的 输出功率普遍在 5kW～10kW 功率量级。如 Harris 公司推出了型号为 RF1155A 功率量级为 10kW 的固态短波通信发射机。国内厂家也已开 发并应用了 5kW 功率量级的短波通信固态发射机。

3.3 固态 TR 组件

TR 组件是有源相控阵的核心组成部分，有源相控阵可以看作是多个 固态发射机的空间功率合成，在地面雷达、机载雷达等领域获得了广 泛应用。

与无源相控阵相比，有源相控阵具有以下优点：

1）更低的传输损耗：由于发射机分布在阵面上，能量传播距离更短， 因此发射馈线损耗小，雷达的探测距离明显增大。

2）更高的可靠性：由于每个单元功能相对独立，当部分阵列单元出 现故障时，有源相控阵雷达能够继续工作，因而比采用集中式发射机 的无源相控阵雷达具有更高的可靠性。（报告出品方/作者：方正证券，鲍学博）

3）更小的体积：砷化镓、氮化镓等微波集成电路和新基板技术的应用使 有源相控阵体积、重量进一步缩小，更适合作为机载和舰载火控雷达及 预警机雷达。

有源相控阵雷达的 TR 组件位于天线和信号合成／分解网络之间，其主要 功能是根据外部控制信号对微波信号进行放大、移相和衰减。TR 组件的 关键技术指标有：工作频率、输入输出功率、收发支路增益及相移、噪 声系数、相位噪声、工作效率等。

TR 组件核心技术是小型化和轻量化、散热问题以及成本控制。目前已经 在常用的微波频段开发出成套使用的 TR 组件 MMICs 芯片，主要包括微 波开关、功率放大器、低噪声放大器、驱动放大器、数字移相器、数字 衰减器等。MMICs 套片的开发和使用，使 TR 组件电路和结构设计大为 简化，突破了 TR 组件大量生产的技术瓶颈，对于推进有源相控阵天线应 用起到了决定性的作用。

按组装方式进行划分, 二维有源相控阵天线 TR组件可分为砖块式和 瓦片式两种结构。近年来，砖块式结构在有源阵列中得到广泛应用， 因为其技术成熟度高，电路设计及组装容易实现，但其子阵集成度低、 纵向尺寸大，不利于共形；散热路径长，难以实现大型阵列应用并保 证 TR 组件长期可靠工作。而瓦片式 TR 组件技术难度大，单元尺寸 更小，必须采用高密度集成技术和小型化、高性能高可靠射频垂直互 联。但瓦片式 TR 组件可以采用整体液冷散热, 具有优良的散热能力, 子阵集成度高, 在降低 TR 组件成本、减小体积尺寸、减轻设备重量 方面具有优势, 易于实现大规模阵列。随着集成化程度的逐步提高, 瓦片式 TR 组件有望在现有小型化砖式 TR 组件基础上体积减小 20%～80%。

TR 组件向数字 TR 方向发展。现阶段使用较多的是射频 TR 组件， 其输入输出都为模拟信号，内部结构也为模拟电路，其完成的功能也 较为有限。而随着雷达技术的发展，TR 组件中开始采用数字中频技 术，充分运用软件无线电结构，用数字方法实现雷达波形产生和回波 数据的下变频以及其他操作。

3.4 固态发射机主要企业

在固态发射机和 TR 组件领域，中电科 13 所、55 所为核心芯片器件 供应商；具有固态发射机和 TR 组件研发生产能力的企业主要包括： 军工央企中雷达/导引头相关研究所，如中电科 14 所、兵器工业 206 所等；民营企业包括天箭科技、雷电微力、亚光科技等；另外中电科 13 所、55所也在向 TR 组件拓展。

中电科 13所的Ku 波段 16 通道 T/R 组件，是集收发一体的多功能模 块，内有 16 个收发通道，收发通道采用两片式构架方案即前端多功 能以及幅相多功能两种芯片，工作频带宽，集成度高，体积小，组件 效率高，同时通道间具有良好的幅相一致性。

4 风险提示

微波发射机行业竞争加剧；部分企业客户集中度较高；军品价格下降 超出预期。

报告链接：微波发射机行业研究：雷达通信电子对抗核心部件

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）