X頻段速調(diào)管發(fā)射機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

郭忠凱，侯滿宏

(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)

深空探測(cè)、載人航天、小衛(wèi)星開(kāi)發(fā)應(yīng)用是人類在新世紀(jì)主要的3大航天活動(dòng)。深空探測(cè)是指對(duì)月球和月球以外天體和空間進(jìn)行的探測(cè)［1］。

X頻段連續(xù)波速調(diào)管發(fā)射機(jī)是深空測(cè)控系統(tǒng)地面站的重要組成部分，其主要功能是將上行鏈路送來(lái)的微波調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大，放大到一定功率后送至伺饋系統(tǒng)發(fā)向衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星的通信。由于深空探測(cè)作用距離遠(yuǎn)、傳輸信號(hào)弱，在天線口徑一定的前提下，中、小功率高功放已不能滿足未來(lái)深空探測(cè)的需求。人類對(duì)太空的探索永無(wú)止境，對(duì)火星以外的天體進(jìn)行探測(cè)是未來(lái)深空探測(cè)發(fā)展的趨勢(shì)，所以發(fā)展大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)迫在眉睫。

1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)NASA

NASA已在加利福尼亞戈?duì)柕滤诡D、澳大利亞堪培拉和西班牙馬德里建立了深空站(DSS)，天線口徑均為70 m和34 m，采用X頻段發(fā)射機(jī)的連續(xù)波輸出功率為20 kW，工作頻段7 145～7 190 MHz，瞬時(shí)帶寬為45 MHz，主要指標(biāo)如表1所示。

表1 NASA深空站發(fā)射機(jī)主要參數(shù)

X頻段100 kW速調(diào)管發(fā)射機(jī)位于DSS14、DSS41、DSS42、DSS51、DSS61。該速調(diào)管發(fā)射機(jī)工作頻率為7190 MHz，瞬時(shí)帶寬為 90 MHz，能夠輸出連續(xù)波(CW)功率 100 kW［2］。

X頻段雷達(dá)發(fā)射機(jī)位于加利福尼亞的戈?duì)柕滤诡DDSS－14，連續(xù)波輸出功率為500 kW(CW)，是由兩個(gè)型號(hào)為CPI VKX－7864B的250 kW速調(diào)管放大器合成的。中心頻率為8.560 GHz，飽和增益＞45 dB，－1 dB帶寬 ＞20 MHz，效率 ＞41%［3］。X 頻段1 MW CW 雷達(dá)發(fā)射機(jī)，采用4支型號(hào)為VKX－7864A的250 kW速調(diào)管放大器合成而來(lái)，中心頻率為8.51 GHz，飽和增益為53 dB，－1 dB 帶寬為20 MHz，效率為50%［4］。

1.2 歐空局(ESA)

歐空局(ESA)深空測(cè)控網(wǎng)由2個(gè)深空地面站和航天飛控中心組成。其中，兩個(gè)深空地面站分別是澳大利亞西部珀斯附近的新諾舍深空地面站和西班牙馬德里附近的賽布里羅斯深空地面站，這兩個(gè)深空站均采用20 kW大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)［5］。輸出功率20 kW;工作頻段7 145～7 235 MHz;瞬時(shí)帶寬90 MHz;帶內(nèi)增益變化1 dB;帶內(nèi)群時(shí)延變化12 ns;寄生輸出＜－60 dBc。

1.3 俄羅斯

俄羅斯深空測(cè)控網(wǎng)由3個(gè)深空地面站、2個(gè)指控中心和2個(gè)彈道中心組成。3個(gè)深空地面站分別位于烏蘇里斯克、葉夫帕托里亞和熊湖。深空任務(wù)的主控中心位于加里寧格勒，備用和本地指控中心與葉夫帕托里亞深空地面站在一起。兩個(gè)彈道中心分別設(shè)在莫斯科附近的飛行控制中心和俄羅斯科學(xué)院下屬的應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所。其中70 m天線采用40 kW發(fā)射機(jī)，工作頻率為7.2 GHz，32 m天線采用10 kW發(fā)射機(jī)，工作頻率為 7.2 GHz［6］。

俄羅斯深空測(cè)控網(wǎng)除完成對(duì)深空探測(cè)器的測(cè)控任務(wù)外，還可利用其巨型天線和大功率發(fā)射機(jī)構(gòu)成行星雷達(dá)，有規(guī)律地對(duì)火星、金星和水星實(shí)施測(cè)距測(cè)速。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國(guó)啟動(dòng)了以繞月探測(cè)工程為起點(diǎn)的深空探測(cè)，對(duì)X頻段測(cè)控體制進(jìn)行了驗(yàn)證［7］，并建成了兩個(gè)深空地面站，使用X頻段10 kW連續(xù)波速調(diào)管發(fā)射機(jī)，從而使我國(guó)具有了完全自主研發(fā)10 kW大功率連續(xù)波速調(diào)管發(fā)射機(jī)的能力。主要指標(biāo)有:(1)輸出功率≥10 kW。(2)瞬時(shí)帶寬≥95 MHz。(3)增益平坦度＜1 dB。X頻段速調(diào)管發(fā)射機(jī)如圖1所示。

大功率液冷系統(tǒng)是X頻段發(fā)射機(jī)的重要組成部分，在大功率速調(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，致使收集極承受很高的發(fā)射密度。根據(jù)速調(diào)管對(duì)散熱的要求，大功率液冷系統(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，制冷量≥100 kW，冷卻介質(zhì)采用去離子水加乙二醇防凍液，便于在低溫下工作。

圖1 X頻段速調(diào)管發(fā)射機(jī)

X頻段10 kW速調(diào)管發(fā)射機(jī)成功應(yīng)用，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大功率連續(xù)波發(fā)射機(jī)的空白，且還帶動(dòng)了相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的突破與發(fā)展:(1)突破了國(guó)產(chǎn)大功率寬帶速調(diào)管設(shè)計(jì)制造技術(shù)(速調(diào)管輸出功率≥15 kW，瞬時(shí)帶寬≥95 MHz)。(2)突破了大功率微波元器件的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。(3)突破了大功率強(qiáng)干擾下電磁兼容技術(shù)。(4)突破了大功率低紋波線性高壓電源技術(shù)。

然而，國(guó)產(chǎn)X頻段10kW連續(xù)波速調(diào)管發(fā)射機(jī)與NASA、ESA深空測(cè)控站發(fā)射機(jī)的性能相比，主要是飽和功率比NASA、ESA深空測(cè)控站發(fā)射機(jī)小約＜2～3 dB。所以，提高速調(diào)管發(fā)射機(jī)的輸出功率是需要面臨的一大難題。需進(jìn)行20 kW及以上功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)的研究工作。

3 發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì)，特別是2004年后，世界各主要航天大國(guó)紛紛提出了明確的深空探測(cè)規(guī)劃或任務(wù)計(jì)劃。美國(guó)將實(shí)現(xiàn)2018年重返月球，并在2025年將人類送上火星;歐空局初步規(guī)劃2024年前后載人登月，2033年實(shí)現(xiàn)載人登陸火星;日本計(jì)劃10年內(nèi)發(fā)射登陸月球的無(wú)人探測(cè)器，爭(zhēng)取20年后在月球建立無(wú)人探測(cè)基地;俄羅斯2010年發(fā)射了火星探測(cè)器，2015年前后將發(fā)射月球撞擊器和金星探測(cè)器;印度2020年實(shí)現(xiàn)印度人登月的夢(mèng)想［8－9］。這些計(jì)劃的實(shí)施，在天線口徑固定的情況下，必然要求發(fā)展更大功率的速調(diào)管發(fā)射機(jī)，以支持其深空探測(cè)事業(yè)的發(fā)展。

我國(guó)在月球探測(cè)工程中設(shè)計(jì)的全球布局深空測(cè)控通信網(wǎng)，包括3個(gè)深空地面站，可實(shí)現(xiàn)對(duì)深空航天器90%的測(cè)控通信空域覆蓋［10］。目前深空站所使用的發(fā)射機(jī)輸出功率為10 kW，為滿足未來(lái)深空探測(cè)發(fā)展需要，需增大深空地面站發(fā)射機(jī)的輸出功率，可從以下幾個(gè)方面對(duì)X頻段大功率連續(xù)波速調(diào)管發(fā)射機(jī)進(jìn)行研究:

(1)發(fā)展高功率、高效率和高可靠性的大功率連續(xù)波速調(diào)管。需采取的技術(shù)措施和需解決的技術(shù)問(wèn)題包括:高發(fā)射電流密度覆膜浸漬陰極;高電子注通過(guò)率的電子光學(xué)系統(tǒng);收集極和管體的熱耗散和冷卻;速調(diào)管輸出窗的耐高功率容量問(wèn)題以及進(jìn)一步展寬速調(diào)管的頻帶和提高速調(diào)管的壽命。

(2)開(kāi)展大功率微波元器件研究。由于大功率發(fā)射機(jī)的輸出功率需經(jīng)濾波后才能送至天線發(fā)射，提高大功率微波元器件的功率容量，是今后工作的難題之一。需采取的技術(shù)途徑包括:發(fā)展微波元器件電磁仿真技術(shù)和高精度加工制造技術(shù)。

(3)發(fā)展大功率高壓電源。它是連續(xù)波大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)的重要組成部分，既要保證連續(xù)波速調(diào)管正常工作，又要在發(fā)生故障時(shí)的快速保護(hù)速調(diào)管。需要研制一個(gè)高電壓、高穩(wěn)定度、低紋波、大范圍可調(diào)的大功率直流穩(wěn)壓電源。無(wú)論采用線性電源還是開(kāi)關(guān)電源，在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，提供大功率高壓電源的可靠性是關(guān)鍵技術(shù)之一。

(4)發(fā)展大功率冷卻系統(tǒng)。收集極過(guò)熱是引起發(fā)射管壽命降低的重要原因，其熱設(shè)計(jì)是發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中的核心部分及難點(diǎn)，熱設(shè)計(jì)的成敗直接影響到發(fā)射機(jī)的性能及可靠性指標(biāo)。為保證大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)的正常工作，需設(shè)計(jì)合理的冷卻系統(tǒng)，及時(shí)從收集極、管體、輸出窗及大功率無(wú)源器件等處將熱量帶走。

(5)解決大功率條件下的電磁兼容問(wèn)題。除精心設(shè)計(jì)外，還需采取加強(qiáng)屏蔽、濾波、良好接地及隔離等措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

深空探測(cè)是航天測(cè)控領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，集中了多項(xiàng)高精尖技術(shù)，不僅是測(cè)控通信領(lǐng)域的前沿，較多技術(shù)也是信息領(lǐng)域的前沿。因此，深空探測(cè)代表了人類向宇宙挑戰(zhàn)的決心和成果［11］。真空電子器件作為真空管發(fā)射機(jī)的心臟，是未來(lái)真空管發(fā)射機(jī)的發(fā)展基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)的制管廠家需要在提高性能指標(biāo)、增加品種、穩(wěn)定工藝和進(jìn)一步提高可靠性等多方面加大投入、不斷突破，縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距。有了器件的支撐，未來(lái)X頻段速調(diào)管發(fā)射機(jī)將獲得較快的發(fā)展［12］。

［1］石書(shū)濟(jì).深空探測(cè)與測(cè)控通信技術(shù)［J］.電訊技術(shù)，2001(2):1－4.

［2］Balkcum A，Mizuhara A，Stockwell B.et al.Design and operation of a 100 kW CW X－Band klystron for spacecraft communications［C］.2012 IEEE Thirteenth International Vacuum Electronics Conference(IVEC)，2012:315 －316.

［3］Albert Mizuhara.Bandwidth and group delay extension for an X－Band 250 kW CW klystron for JPL/NASA deep space radar［J］.IEEE Xplore Digital Library，2004(6):1 －2.

［4］Bhanji A M，Hoppe D J，Conroy B L，et al.Conceptual design of a 1－MW CW X－Band transmitter for planetary radar［R］.Ult USA:TDA Progress Report，1988.

［5］Dainelli V，Serrano F，Tomasi L，et al.A 20 kW X band high power amplifier for ESA deep space ground stations ［J］.IEEE Xplore Digital Library，2009(3):1 －2.

［6］崔瀟瀟.國(guó)外深空測(cè)控網(wǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.國(guó)際太空，2009(2):23－26.

［7］黃曉峰，徐寶碧，吉欣，等.嫦娥二號(hào)衛(wèi)星X頻段星載測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［J］.中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué)，2013(5):37－43.

［8］葉培建，彭兢.深空探測(cè)與我國(guó)深空探測(cè)展望［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2006，8(10):45 －51.

［9］葉培建，黃江川，張廷新，等.嫦娥二號(hào)衛(wèi)星技術(shù)成就與中國(guó)深空探測(cè)展望［J］.中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué)，2013(5):5－15.

［10］吳偉仁，劉旺旺，唐玉華，等.深空探測(cè)及幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［C］.北京:中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)，2013.

［11］柴霖，許秀玲.深空測(cè)控體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)發(fā)展［J］.電訊技術(shù)，2010，50(8):1 －6.

［12］黃軍.真空管雷達(dá)發(fā)射機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32(7):87 －91.