X頻段10 kW速調(diào)管功放在深空地面站的應(yīng)用

侯滿宏,郭忠凱

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所 測(cè)控雷達(dá)部,河南 鄭州 450047)

X頻段10 kW速調(diào)管功放在深空地面站的應(yīng)用

侯滿宏,郭忠凱

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所 測(cè)控雷達(dá)部,河南 鄭州 450047)

速調(diào)管因具有輸出功率大、效率高、成本低、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn),在微波發(fā)射系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位。近年來(lái),國(guó)內(nèi)速調(diào)管功放取得了較大的進(jìn)展,連續(xù)波輸出功率從幾百瓦提升到十千瓦。采用固態(tài)+速調(diào)管放大方案,設(shè)計(jì)一套X頻段10 kW連續(xù)波速調(diào)管功率放大器,工作帶寬為95 MHz。該功放應(yīng)用于深空地面站,是深空探測(cè)發(fā)射分系統(tǒng)的重要組成部分。文中主要描述了速調(diào)管功放的組成、主要技術(shù)性能和測(cè)試結(jié)果。測(cè)試數(shù)據(jù)表明,X頻段10 kW速調(diào)管功放工作穩(wěn)定、可靠,且完全符合設(shè)計(jì)要求。

X頻段;連續(xù)波;速調(diào)管功率放大器;冷卻系統(tǒng);深空地面站

深空探測(cè)是指脫離地球引力場(chǎng),進(jìn)入太陽(yáng)系空間和宇宙空間的探測(cè),是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的象征,集中體現(xiàn)了航天領(lǐng)域的發(fā)展方向和高精尖技術(shù)[1]?，F(xiàn)階段,X頻段連續(xù)波功放采用固態(tài)形式,輸出功率≥1 000 W[2]。為滿足我國(guó)探月工程及后續(xù)深空測(cè)控發(fā)展的需要,我國(guó)成功建立了深空地面站。X頻段連續(xù)波發(fā)射機(jī)是深空地面站的重要組成部分,其末級(jí)放大器采用速調(diào)管,輸出功率>10 kW[3]。X頻段10 kW連續(xù)波速調(diào)管功放安裝在天線塔基下機(jī)房?jī)?nèi),其工作帶寬為95 MHz,主要由大功率連續(xù)波速調(diào)管、電源系統(tǒng)、液冷系統(tǒng)、監(jiān)控與保護(hù)和微波網(wǎng)絡(luò)等組成,如圖1所示。

圖1 X頻段10 kW連續(xù)波速調(diào)管功放組成

1 總體方案

X頻段10 kW連續(xù)波速調(diào)管功放采用1∶1備份工作模式,而單機(jī)則采用固態(tài)功放加寬帶大功率速調(diào)管放大方案,前級(jí)采用固態(tài)放大器,末級(jí)采用速調(diào)管放大器。X頻段速調(diào)管功放組成原理,如圖2所示。

圖2 X頻段速調(diào)管功放單機(jī)工作原理

圖2中,來(lái)自上變頻器的射頻信號(hào),經(jīng)前級(jí)固態(tài)放大器放大到所需的驅(qū)動(dòng)功率,再經(jīng)末級(jí)速調(diào)管放大器將射頻激勵(lì)信號(hào)放大到10 kW以上,并從輸出窗經(jīng)弧光檢測(cè)器、大功率微波網(wǎng)絡(luò)送至天線。高壓電源、燈絲電源、鈦泵電源、磁場(chǎng)電源等為速調(diào)管放大器正常工作提供了所需的外圍輔助電路。速調(diào)管收集極、管體、窗體、磁場(chǎng)線包、大功率濾波器、大功率水負(fù)載由液冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。電子槍、高壓電源、輔助電源等由風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。X頻段10 kW連續(xù)波速調(diào)管功放位于塔基下方,如圖3所示。

圖3 X頻段10 kW連續(xù)波速調(diào)管功放

2 組成

2.1 大功率速調(diào)管

大功率速調(diào)管是基于速度和密度調(diào)制原理將電子注動(dòng)能轉(zhuǎn)換成微波能量的微波真空電子器件。速調(diào)管由電子槍、高頻互作用段、高頻輸入和輸出系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、收集極等部分組成。電子注通過(guò)輸入諧振腔時(shí),在外加微波信號(hào)的作用下產(chǎn)生速度調(diào)制,而速度調(diào)制的電子注通過(guò)漂移段產(chǎn)生密度調(diào)制。電子注通過(guò)多個(gè)中間諧振腔和漂移段時(shí),重復(fù)上述速度調(diào)制和密度調(diào)制過(guò)程,到達(dá)輸出腔入口時(shí),形成高度群聚的電子注。群聚電子注通過(guò)輸出腔時(shí),將其部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成微波能量,從而實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)的放大[4-5]。圖4為速調(diào)管的工作原理圖,圖5為X頻段速調(diào)管外形圖。

圖4 速調(diào)管工作原理圖

圖5 X頻段速調(diào)管外形

2.2 電源系統(tǒng)

由于速調(diào)管對(duì)高壓電源指標(biāo)要求高,開關(guān)電源不能滿足速調(diào)管的使用要求,而線性電源具有紋波小、穩(wěn)定性高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,且無(wú)輻射干擾的突出優(yōu)點(diǎn)[6]。

X頻段速調(diào)管功放電源系統(tǒng)主要包括:高壓電源、鈦泵電源、磁場(chǎng)電源、反磁場(chǎng)電源和燈絲電源。(1)高壓電源為速調(diào)管的收集極提供約20 kV的負(fù)高壓,電流約為4 A。采用風(fēng)冷散熱方式,具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫自動(dòng)切斷輸出,軟啟動(dòng)及穩(wěn)壓功能。高壓電源除輸出相應(yīng)的電壓、電流值等功能外,還具有速調(diào)管過(guò)流、短路故障保護(hù)等功能。(2)鈦泵電源是為真空鈦泵提供電源。(3)燈絲電源給速調(diào)管燈絲提供加熱電源,陰極受燈絲加熱后發(fā)射電子[7-8]。(4)磁場(chǎng)電源和反磁場(chǎng)電源為速調(diào)管放大器的聚焦線圈提供電源,產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)使電子注聚焦于管子的腔體軸線附近,有效控制了速調(diào)管的直流,尤其是高頻狀態(tài)時(shí)的電子通過(guò)率[9]。

2.3 液冷系統(tǒng)

在深空測(cè)控系統(tǒng)高功放設(shè)備中,當(dāng)大功率速調(diào)管工作時(shí),占較大比例的電子束功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮鼙皇占瘶O吸收,致使收集極承受過(guò)高的發(fā)熱密度。為保證大功率速調(diào)管的正常工作,合理設(shè)計(jì)液冷系統(tǒng)及時(shí)將熱量從收集極帶走并減少水垢在其表面的形成。同時(shí),應(yīng)采取措施減少冷卻液對(duì)收集極的腐蝕以及冷卻系統(tǒng)中不同金屬之間產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕[10]。

由于速調(diào)管對(duì)散熱的需求,液冷系統(tǒng)采用壓縮機(jī)制冷和強(qiáng)制風(fēng)冷相結(jié)合的冷卻方式,冷卻介質(zhì)采用去離子水加乙二醇防凍液,便于低溫下工作。冷卻系統(tǒng)主機(jī)產(chǎn)生7路冷卻液,分別對(duì)速調(diào)管功放的收集極、管體、窗體與波導(dǎo)、聚焦磁場(chǎng)線包、大功率水負(fù)載、機(jī)柜發(fā)熱負(fù)載、天線饋源進(jìn)行供液,冷卻液吸熱后,返回液冷系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行換熱,降溫后的冷卻液通過(guò)管路再次進(jìn)入速調(diào)管功放。如此循環(huán),從而帶走速調(diào)管功放的熱量,確保速調(diào)管功放在一個(gè)良好的環(huán)境中工作。熱量傳遞路徑如圖6所示。

圖6 熱量傳遞路徑圖

液冷系統(tǒng)主機(jī)位于35 m天線塔基下的平臺(tái)上,如圖7所示。

圖7 35 m深空站液冷系統(tǒng)室外主機(jī)

2.4 控制與保護(hù)

該功放系統(tǒng)主要針對(duì)大功率速調(diào)管進(jìn)行控制和保護(hù)的設(shè)計(jì)。因此,必須詳細(xì),反應(yīng)迅速,且抗電磁干擾能力強(qiáng)。采用工控機(jī)+單片機(jī)的混合平臺(tái)控制方案,其特點(diǎn)是修改和在線監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)單,使用方便。使用Borland C++開發(fā)工具,可對(duì)功放設(shè)備的監(jiān)視和控制功能進(jìn)行監(jiān)控或修改。整個(gè)10 kW連續(xù)波速調(diào)管功放需對(duì)幾十個(gè)故障點(diǎn)進(jìn)行判別、顯示并具有聲光報(bào)警功能。使用RS-422通信接口將功放的輸出功率、反射功率、高壓電源各參數(shù)、冷卻系統(tǒng)流量及溫度、管體電流等重要參數(shù)送至系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)。

速調(diào)管作為該功放設(shè)備中最貴重的器件,在使用中容易出現(xiàn)速調(diào)管輸出窗陶瓷破裂。因此,設(shè)計(jì)有輸出功率過(guò)大、反射功率過(guò)大檢測(cè)保護(hù)電路,當(dāng)輸出功率>11 kW(額定輸出功率10%)、發(fā)射功率>1.6 kW(額定功率16%)時(shí)切斷射頻激勵(lì)。速調(diào)管輸出波導(dǎo)口裝有弧光檢測(cè)器,當(dāng)波導(dǎo)負(fù)載端出現(xiàn)打火現(xiàn)象,光電轉(zhuǎn)換器送出故障信號(hào)(TTL電平)并迅速切斷射頻激勵(lì)和高壓電源,以保護(hù)速調(diào)管的安全。同時(shí),對(duì)液冷系統(tǒng)、輔助電源送來(lái)的故障信號(hào),同樣要迅速切斷射頻激烈和高壓電源。

為保證設(shè)備和人員安全,高壓電源前后門、速調(diào)管前后擋板、屏蔽筒門等均進(jìn)行了安全聯(lián)鎖保護(hù)措施,一旦出現(xiàn)誤將高壓電源前后門、速調(diào)管前后擋板和屏蔽筒門打開時(shí),則自動(dòng)打開聯(lián)鎖開關(guān)并迅速切斷高壓電源輸入。

2.5 微波網(wǎng)絡(luò)

微波網(wǎng)絡(luò)是指完成微波信號(hào)和功率的分配、控制和濾波等功能的微波無(wú)源器件[11],包括大功率環(huán)行器、大功率諧波濾波器、大功率收阻濾波器等微波器件。X頻段大功率環(huán)行器是一種多端口器件,其中電磁波的傳輸只能沿單方向環(huán)行[12],系統(tǒng)采用4端口環(huán)行器,主要用于對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)起匹配隔離作用。

大功率諧波濾波器主要濾除X頻段大功率諧波輸出。大功率諧波濾波器采用漏壁式,在主波導(dǎo)寬、窄邊上各開并列的耦合孔,每個(gè)耦合孔連接獨(dú)立的減高波導(dǎo)。對(duì)于主頻電磁波,耦合孔近似閉合,減高波導(dǎo)為截止波導(dǎo),基本上未耦合功率;對(duì)于諧波電磁波,耦合孔為傳輸孔,諧波功率進(jìn)入減高波導(dǎo),傳輸?shù)轿肇?fù)載被吸收,因此合理設(shè)計(jì)耦合孔的尺寸和數(shù)量,可使進(jìn)入主波導(dǎo)的諧波衰減足夠大,而不影響主頻電磁波的正常傳輸。漏壁式諧波濾波器的工作原理,如圖8所示。

圖8 漏壁式諧波濾波器工作原理

主頻發(fā)射機(jī)除產(chǎn)生主頻電磁波外,還產(chǎn)生2、3、4次等高次諧波,當(dāng)它們進(jìn)入漏壁式諧波濾波器后,漏壁中的耦合孔對(duì)于主頻電磁波是截止孔,對(duì)于各次諧波是傳輸孔,因此F0幾乎不受影響地通過(guò)濾波器向天線方向傳輸,而F2、F3、F4等諧波進(jìn)入耦合孔經(jīng)過(guò)減高波導(dǎo),被吸收負(fù)載吸收,從而達(dá)到抑制諧波的目的。

大功率收阻濾波器主要濾除X頻段接收帶內(nèi)噪聲。由于該功放屬于大功率,要求濾波器對(duì)主頻影響小,對(duì)雜波抑制度高,并根據(jù)主頻與雜波之間的過(guò)渡帶窄的特點(diǎn),采用吸收式收阻濾波器。經(jīng)指標(biāo)測(cè)試和耐功率試驗(yàn),X頻段大功率環(huán)行器、諧波濾波器、收阻濾波器滿足指標(biāo)要求。

3 主要指標(biāo)測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案成功研制的速調(diào)管功放設(shè)備,經(jīng)過(guò)調(diào)試后,對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試。整機(jī)主要指標(biāo)結(jié)果如表1所示,在全頻段內(nèi)整機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表1 X頻段速調(diào)管功放整機(jī)主要指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

圖9 瞬時(shí)帶寬測(cè)試曲線

圖10 增益平坦度測(cè)試曲線

圖11 相位噪聲測(cè)試曲線

4 方案特點(diǎn)

該功放采用國(guó)產(chǎn)寬帶大功率免調(diào)諧速調(diào)管作為末級(jí)放大器,瞬時(shí)帶寬(1 dB)≥95 MHz,實(shí)現(xiàn)了10 kW連續(xù)波大功率發(fā)射技術(shù)。該功放所使用的液冷系統(tǒng)熱交換和制冷機(jī)組屬于室外設(shè)備,能適應(yīng)極限溫度條件下工作,最低溫度可為-40 ℃,最高溫度可達(dá)55 ℃。當(dāng)在最高溫度下工作時(shí),其散熱能力達(dá)到85 kW以上,滿足設(shè)備常年工作的散熱需求。根據(jù)深空探測(cè)任務(wù)的特點(diǎn),該功放采用1∶1熱備份工作方案。一臺(tái)工作,另一臺(tái)加電備份,當(dāng)一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)切換到另一臺(tái)繼續(xù)工作,從而保證了任務(wù)期間的連續(xù)性,且使用方便、靈活。

5 結(jié)束語(yǔ)

X頻段10 kW連續(xù)波速調(diào)管功放采用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平,并具有較高的可靠性和實(shí)用性。經(jīng)速調(diào)管功放交付用戶使用證明,在各種環(huán)境條件下,長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠,且操作和維護(hù)方便。此外,其已成功執(zhí)行了某重大工程的地面測(cè)控任務(wù),受到了用戶的好評(píng)。

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Application of X-band 10 kW Klystron Power Amplifier in Deep Space Ground Station

HOU Manhong,GUO Zhongkai

(TT&C and Radar Department,27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Zhengzhou 450047,China)

Owing to its high output power,high efficiency,low cost,and stable and reliable performance,the klystron plays an important part in the microwave transmission system.In recent years,the domestic klystron amplifier has made great progress with continuous wave output power increasing from hundreds of watts to ten kilowatts.Using solid state+klystron amplification scheme,a set of X band 10 kW CW klystron power amplifier is designed with an operating bandwidth of 95 MHz.The power amplifier is applied on the Deep Space Ground Station (DSGS),an important part of transmitting system in Deep Space Exploration.This paper describes the X band 10 kW CW klystron amplifier composition,the technical performances and the test results.The test data shows that the X-band 10 kW klystron amplifier is stable and reliable,fully meeting the design requirements.

X-band;continuous wave;klystron power amplifier;cooling system;deep space ground station

2014- 08- 18

侯滿宏(1981—),男,碩士,工程師。研究方向:高功率微波技術(shù),大功率發(fā)射機(jī)。E-mail:hmh813022@163.com。郭忠凱(1966—),男,工程師。研究方向:高功率微波技術(shù),大功率發(fā)射機(jī)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.03.029

TN832

A

1007-7820(2015)03-112-05