Ka頻段250 W連續(xù)波行波管發(fā)射機(jī)研究

時(shí)利勇，常 麗

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所測(cè)控部，河南鄭州 450000;2.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院人文社科系，河南鄭州 450005)

行波管放大器是常用的一類重要電子設(shè)備。由于具有寬帶、大功率的特點(diǎn)，在國(guó)防裝備中，是雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、遙測(cè)遙控和精密制導(dǎo)系統(tǒng)的核心;在信息系統(tǒng)中，作為電視臺(tái)微波通信源和衛(wèi)星通信的轉(zhuǎn)發(fā)器等，行波管放大器已得到廣泛應(yīng)用。

在低頻率、低功率情況下，行波管放大器完全被固態(tài)放大器替代，但在毫米波段，行波管放大器占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，是唯一可選的技術(shù)途徑。固態(tài)放大器即使采用功率合成，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，其功率輸出也不可能達(dá)到行波管放大器的水平［1］。我國(guó)衛(wèi)星通信相關(guān)領(lǐng)域所采用的Ka頻段發(fā)射機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)依賴進(jìn)口，因此開(kāi)展了Ka頻段行波管發(fā)射機(jī)的研究工作。本文重點(diǎn)針對(duì)衛(wèi)星通信用Ka頻段250 W行波管發(fā)射機(jī)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 行波管放大器工作原理

1.1 行波管的原理和分類

行波管(TWT)通過(guò)電子束和射頻信號(hào)進(jìn)行能量交換實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的放大。電子槍發(fā)射出強(qiáng)流細(xì)束電子注，經(jīng)較長(zhǎng)的距離到達(dá)收集極，在電子注前進(jìn)的過(guò)程中由周期磁場(chǎng)克服電子間拆力保持電子注有一定的直徑。待放大的微波小信號(hào)由輸入耦合器進(jìn)入行波管慢波系統(tǒng)，在電磁波與電子注保持同步前行的過(guò)程中，電子注與微波產(chǎn)生能量交換，經(jīng)輸出耦合器得到放大的微波信號(hào)。

行波管主要由電子槍(electron gun)、慢波系統(tǒng)、收集極(collector)、輸能裝置(輸入、輸出耦合器)、集中衰減器、磁聚焦系統(tǒng)組成。為保證行波管正常工作，需在各電極饋以合適的工作電源，從行波管安全因素考慮，對(duì)各電極電源工作狀態(tài)需加以檢測(cè)和限制。

為適應(yīng)不同應(yīng)用的需求，行波管的發(fā)展已形成一個(gè)龐大的家族，可從不同的角度進(jìn)行分類。按所用慢波結(jié)構(gòu)，可分為以下幾類:(1)螺旋線行波管。這類行波管帶寬最寬，可達(dá)4∶1以上。但由于受返波振蕩的限制，螺旋線電壓不能過(guò)高，因此脈沖功率較低，一般在10 kW以下;由于受散熱限制，其平均功率＜1 kW。(2)環(huán)稈行波管和環(huán)圈行波管。這類行波管的工作電壓較螺旋線高，因此脈沖功率比螺旋線行波管要大，其平均功率主要受環(huán)稈和環(huán)圈散熱能力的限制，比螺旋線行波管略大，但帶寬略窄。(3)耦合腔行波管。這類行波管，共同特點(diǎn)是慢波結(jié)構(gòu)為全金屬，故散熱能力強(qiáng)、工作電壓較高，輸出功率大，但帶寬較窄。所以，人們還在尋找擴(kuò)寬全金屬慢波結(jié)構(gòu)帶寬的方法。

按行波管功能，可分為寬帶功率行波管、大功率行波管、雙模行波管、相位一致行波管、低噪聲行波管、調(diào)相行波管、儲(chǔ)頻行波管和衛(wèi)星通信行波管。其中衛(wèi)星通信行波管分為星上用管和地面站用管兩大類。它們的共同點(diǎn)是工作頻帶較窄，但對(duì)性能要求嚴(yán)格。如為了減小失真，工作頻帶內(nèi)增益波動(dòng)應(yīng)＞1 dB，增益斜率＜0.05 dB/MHz，調(diào)幅調(diào)相轉(zhuǎn)換要小;為避免多個(gè)信號(hào)間串?dāng)_，要求交調(diào)越小越好;兩者都要求效率高、壽命長(zhǎng)和可靠性高，而星上用管對(duì)效率、壽命、可靠性的要求應(yīng)更高。

1.2 行波管放大器的特點(diǎn)

行波管的最大特點(diǎn)是可以兼有寬頻帶和高增益。眾所周知，要提高通信系統(tǒng)信息的傳輸量，就需要發(fā)射機(jī)有足夠的帶寬和功率。而在雷達(dá)和干擾機(jī)的對(duì)抗中，雷達(dá)要有盡可能寬的工作帶寬，以便隨時(shí)跳頻躲開(kāi)干擾，或用多部工作于不同頻率的雷達(dá)同時(shí)照射一個(gè)目標(biāo)，使干擾機(jī)顧此失彼。而干擾機(jī)也在不斷擴(kuò)展帶寬，以便干擾盡可能多的不同頻率的雷達(dá)。因此，無(wú)論是通信系統(tǒng)還是雷達(dá)和干擾機(jī)，都需要微波管同時(shí)具有較高的增益和快速的工作帶寬。

毫米波段行波管放大器在輸出功率和效率方面優(yōu)勢(shì)明顯。在低頻率、低功率的情況下，行波管放大器完全被固態(tài)放大器替代，但在毫米波段，行波管放大器占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是唯一可選的技術(shù)途徑。固態(tài)放大器即使采用功率合成，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，其功率輸出也無(wú)法達(dá)到行波管放大器的水平。另外效率方面，行波管采用降壓收集極的方法可以進(jìn)一步提高效率，毫米波段固態(tài)放大器效率通常約為行波管放大器效率的1/3。

行波管需要高壓電源供給維持正常工作，對(duì)于衛(wèi)星通信應(yīng)用要求高壓電源具有較高的穩(wěn)定度和較低的紋波。

2 發(fā)射機(jī)組成和可達(dá)技術(shù)指標(biāo)

毫米波行波管發(fā)射機(jī)的組成如圖1所示，發(fā)射機(jī)采用兩級(jí)放大方式，主要包括驅(qū)動(dòng)控制模塊、高壓電源、行波管、微波網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控板和散熱裝置等［2］。

圖1 發(fā)射機(jī)原理簡(jiǎn)圖

前級(jí)采用固態(tài)功放實(shí)現(xiàn)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)放大和控制，行波管實(shí)現(xiàn)最終的信號(hào)放大。高壓電源、監(jiān)控板和微波網(wǎng)絡(luò)為發(fā)射機(jī)饋電并維持其正常安全工作［3］。最終發(fā)射機(jī)可完成對(duì)微弱信號(hào)的放大，連續(xù)波輸出功率達(dá)250 W，整機(jī)增益＞70 dB，三階交調(diào)達(dá)－35.38 dB，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 三階交調(diào)測(cè)試結(jié)果

其他主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 發(fā)射機(jī)主要性能指標(biāo)

典型技術(shù)指標(biāo)和美國(guó)休斯公司兩種同類產(chǎn)品指標(biāo)比對(duì)如表2所示。

表2 和美國(guó)休斯公司產(chǎn)品性能指標(biāo)對(duì)比

如表2所示，與休斯公司同類產(chǎn)品相比，主要技術(shù)指標(biāo)基本相當(dāng)，略有異同。

3 行波管發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高壓電源技術(shù)

高壓電源是行波管主要的能量來(lái)源，高壓電源的性能對(duì)發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的質(zhì)量和整個(gè)發(fā)射機(jī)的重量、體積和功耗等起著重要的作用。因此在發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，高壓電源是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。行波管要求高壓電源陰極輸出達(dá)－14 kV，收集極1輸出－8.5 kV，收集極2輸出－11 kV，高壓電源輸出功率接近700 W。因此高壓電源的高壓絕緣和散熱設(shè)計(jì)決定了整個(gè)電源的體積和重量。

高壓電源設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于解決低紋波、防過(guò)沖和高壓轉(zhuǎn)換等技術(shù)難點(diǎn)，高壓電源的開(kāi)關(guān)機(jī)滿足一定的加去電時(shí)序，去電時(shí)序是加電時(shí)序的逆過(guò)程。電源采取Boost型移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器拓?fù)湫问?，降低了開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，進(jìn)而降低了電源紋波，同時(shí)提高了電源效率;為提高電源可靠性和減小體積，采用高壓灌封工藝和合理的散熱措施，把整個(gè)高壓電源封裝在一個(gè)模塊內(nèi)［4－5］。

圖3 Boost型移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器電原理圖

3.2 微波網(wǎng)絡(luò)

放大器高頻系統(tǒng)由行波管和與之相連的微波網(wǎng)絡(luò)組成，使用各種微波元器件的目的是確保放大鏈能穩(wěn)定可靠地工作，獲得性能良好的輸出信號(hào)及監(jiān)控保護(hù)所需的各種數(shù)據(jù)。微波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)首先要保證微波網(wǎng)絡(luò)所用器件耐受功率的能力滿足既定要求，其次滿足整機(jī)輸出頻譜的特定要求，更重要的是，微波網(wǎng)絡(luò)和整機(jī)控制保護(hù)電路等配合保證整機(jī)安全可靠地工作。

3.3 控制保護(hù)技術(shù)

控制保護(hù)技術(shù)對(duì)提高發(fā)射機(jī)的可靠性具有重要的意義。由于行波管發(fā)射機(jī)的特殊性，盡量采用簡(jiǎn)單可行的控制方案，選用微處理器結(jié)合硬件電路實(shí)現(xiàn)整機(jī)的控制保護(hù)。著重解決高低電位隔離，信號(hào)傳輸和抗干擾等問(wèn)題，重點(diǎn)解決當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載駐波過(guò)大或行波管打火等故障時(shí)，如何快速有效地關(guān)閉電源保護(hù)行波管。

4 結(jié)束語(yǔ)

研制的毫米波行波管發(fā)射機(jī)采用風(fēng)冷散熱，設(shè)備簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)滿足室外工作條件，可直接安裝在天線叉臂上以減小遠(yuǎn)距離傳輸帶來(lái)的饋線損耗，彌補(bǔ)毫米波段功率。該發(fā)射機(jī)連續(xù)波輸出功率可達(dá)280 W，效率為40%。

［1］顧繼慧.微波技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［2］鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［3］廖復(fù)疆.真空電子技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［4］GILMOUR A S.Principles of traveling wave tubes［M］.Norwood，MA:Artech House，1994.

［5］肖建平.高壓開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)溲芯浚跩］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(4):726－729.