Ka100W 空間行波管高頻系統(tǒng)自動化裝配技術(shù)研究

馬天軍， 耿 復(fù)， 張欣玲， 李 飛， 孫建海

（1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院， 北京 100190； 2.山東微波電真空技術(shù)有限公司， 山東 濟南 250100）

0 引言

目前， 空間衛(wèi)星的頻率和軌道資源的主要分配形式為“先申報就可優(yōu)先使用”的方式，因此在頻率資源方面，C 頻段和Ku 頻段資源緊張，通信衛(wèi)星向高頻段發(fā)展的趨勢明顯， 目前Ka 頻段是國際上大多數(shù)高通量衛(wèi)星的首選，而Q/V 頻段同樣有巨頭提前布局。 衛(wèi)星軌道資源方面，地球同步軌道有效軌位資源非常緊張，各國紛紛將目標(biāo)瞄準(zhǔn)低軌道，預(yù)計該軌道內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量會快速增長。

空間行波管作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)發(fā)器、 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、雷達與電子對抗發(fā)射機等的末級功率放大器，廣泛應(yīng)用于各類通信衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星以及載人航天與探月工程中，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心部件。 每一顆衛(wèi)星上都有不同種類和數(shù)量的空間行波管放大器。

隨著低軌衛(wèi)星組網(wǎng)的發(fā)展， 對空間行波管放大器的研制和生產(chǎn)提出了非常迫切的需求， 但由于行波管加工工藝復(fù)雜，制造過程繁瑣，涉及到多學(xué)科技術(shù)，大量工序為手工制造，自動化水平低，不可控因素多，導(dǎo)致行波管的組裝精度差別很大、一致性較差、生產(chǎn)效率較低、規(guī)?；a(chǎn)和成本控制難度大。 因此，開展Ka100W 空間行波管高頻結(jié)構(gòu)自動化裝配技術(shù)的研究具有非常重要的意義。

1 Ka100W 空間行波管高頻結(jié)構(gòu)

空間行波管行波管主要部件包括陰極、電子槍、高頻組件、收集極及輸能窗等的結(jié)構(gòu)，整管零件近200 件，陶瓷零件近40 件。Ka 頻段100W 空間行波管制管工藝主要包括組裝和焊接， 經(jīng)過工藝優(yōu)化改進最終工藝方案和工序統(tǒng)計總工序組裝約60 道，其中電阻點焊十幾道，激光焊十幾道，高頻釬焊工藝多道，氬弧焊工藝多道，爐中釬焊工藝近二十道，其中涉及到銀銅釬焊，金銅釬焊，金鎳釬焊等復(fù)雜交叉工藝，制管工藝非常復(fù)雜。

Ka 頻段100W 空間行波管采用雙陽極電子槍、 跳變高頻互作用系統(tǒng)、周期永磁磁聚焦系統(tǒng)、四級多級降壓收集極和輸入輸出部件組成。其工作基本原理為：電子槍中的燈絲加電預(yù)熱陰極，電子槍陽極加高壓，將電子拉出并加速，經(jīng)控制極聚焦形成電子束進入慢波系統(tǒng)。在慢波系統(tǒng)中通過磁聚焦系統(tǒng)維持電子束的形態(tài)， 使盡可能多的電子穿過螺旋線而不被截獲。 在電子穿過螺旋線的過程中， 調(diào)整螺旋線電壓使電子與輸入耦合裝置中輸入的微波信號“同步”，并通過互作用發(fā)生能量交換，使微波信號得以放大，放大的微波信號通過輸出耦合裝置輸出?；プ饔媒Y(jié)束后，耗能電子進入收集極，被收集極收集。 通過采用多級降壓收集極，可以將耗能電子的部分能量回收，交還給電源，以獲得高的整管效率。部分電子動能在收集極區(qū)域轉(zhuǎn)化成熱能， 部分熱能通過輻射散熱器排散到周圍空間。包裝件將電子槍、慢波系統(tǒng)、收集極、輻射散熱器等部分夾持、固定，使行波管能夠經(jīng)受得住外界力、熱環(huán)境的考驗。電子槍把直流電源的能量交給電子注，變成電子的動能，電子注以一定的形狀通過慢波系統(tǒng)，與高頻場互作用，產(chǎn)生電子群聚和能量交換，從而放大高頻信號，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 行波管結(jié)構(gòu)示意圖

在Ka 波段，由于高頻損耗急劇增加，耦合阻抗逐漸下降，導(dǎo)致互作用效率較低，提高輸出功率比較困難，電子效率相對較低。 因此，Ka100W 空間行波管高頻結(jié)構(gòu)采用漸變螺旋線慢波結(jié)構(gòu)， 既能提高效率又能減少非線性失真，以實現(xiàn)高效率。 高慢波電路仿真計算模型見圖2。

圖2 高頻慢波電路仿真模型

經(jīng)過仿真，峰值輸出功率達到122.5W，計算結(jié)果見圖3；飽和增益達到58.58dB，計算結(jié)果見圖4；電子 效 率 達 到30.03%，計算結(jié)果見圖5；相移在輸入功率回退-3dB 時小于26.87 度，計算結(jié)果見圖6；高頻慢波系統(tǒng)通道內(nèi)電子注軌跡見圖7， 可見電子注剛性較好，脈動小，可有效減少螺旋線電流，提高整管效率和工作可靠性；高頻慢波結(jié)構(gòu)駐波仿真結(jié)果見圖8，全頻帶內(nèi)駐波小于1.3，匹配性能較好。從以上仿真結(jié)果可以看出，各項指標(biāo)均達到了Ka 頻段100W 空間行波管的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖3 輸出功率計算結(jié)果圖

圖4 增益計算結(jié)果圖

圖5 電子效率計算結(jié)果圖

圖6 相移計算結(jié)果圖

圖7 電子注軌跡圖

圖8 駐波曲線

2 高頻組件自動化裝配

Ka100W 空間行波管的高頻結(jié)構(gòu)制備工藝上，需要重點提高慢波電路的制造精度，裝配精度，降低高頻損耗，提高電子流通率， 高頻組件的裝配質(zhì)量直接影響高頻段的散熱和整管的電性能指標(biāo)，如功率、互作用效率及副特性指標(biāo)等。高頻組件裝配要求：①所有零件在裝配過程中不能有損傷；②螺旋線徑向不能有變形；③螺旋線軸向不能有拉伸或者壓縮；④裝配中不能有氧化；⑤三個夾持桿120°±1°均勻分布；⑥夾持桿中心必須精確對準(zhǔn)螺旋線中心，垂直于螺旋線切線；⑦螺旋線拉伸端點對應(yīng)三通口的孔中心，精度±0.05mm。

高頻組件制備的基本過程是： 將切割合格的復(fù)合管殼通過高頻加熱，復(fù)合管殼熱膨脹，將配置好的螺旋線和衰減器通過高頻自動裝配機， 利用熱擠壓的方式將組裝好的螺旋線-夾持桿組合裝配到管殼中，然后裝配輸能窗進行冷測匹配，匹配合格后將輸入輸出窗高頻釬焊，然后將輸能窗的內(nèi)導(dǎo)體與螺旋線輸入、輸出端裝配焊接起來，輸入、輸出對接處螺旋線短路、刮削器裝入。 高頻組件的裝配質(zhì)量將影響高頻段的散熱和整管的電性能指標(biāo)，如功率、互作用效率及副特性指標(biāo)等。

為了滿足以上高頻組件的裝配要求， 采用安盛德公司高頻組件精密裝配機的自動化裝配方案，將夾持桿、螺旋線、通過裝配模組在高頻加熱情況下完成的裝配，高頻組件裝配機結(jié)構(gòu)見圖9，圖9（a）為高頻組件精密裝配機的總體結(jié)構(gòu)，圖9（b）為高頻組件夾持桿載具及定位模具示意圖。

圖9 高頻組件精密裝配機

整個系統(tǒng)配備超高精度的裝配治具， 系統(tǒng)以自校準(zhǔn)柔性方式定位熱裝配的過程， 采用不同膨脹系數(shù)材料組合而成的高精度治具組合， 在高溫裝配時利用材料特性形成高精度控制力度實現(xiàn)系統(tǒng)輔助裝配功能。 螺旋線端點對位三通口采用雙CCD 自動控制并裝配前二次核準(zhǔn)。充分考慮操作方便和維修方便。整個系統(tǒng)設(shè)計緊湊合理，動作一氣呵成。 三根夾持桿的角度控制在120°±1°以內(nèi)，螺旋線端點與輸入、 輸出三通孔中心的位置精度提高到0.05mm 以內(nèi)，裝配結(jié)果見圖10。 通過采用自動化裝配工藝使得裝配過程減少了人工操作的誤差和帶來的外部污染且定位精度高、一致性好。 在裝配精度完全達標(biāo)，一致性好的前提下，目前設(shè)計產(chǎn)能為每小時8 只，日后在系統(tǒng)各方面指到設(shè)計要求時，產(chǎn)能可優(yōu)化至每小時10～15 只，裝配合格率達到95%以上。

（a）夾持桿裝配位置圖

（b）螺旋線在三通口位置圖

通過采用自動化裝配工藝使得裝配過程減少了人工操作的誤差和帶來的外部污染且定位精度高、一致性好。當(dāng)有失誤或缺陷發(fā)生時， 即時提供信號進行報警或制止過程，消除導(dǎo)致非正確動作的可能性和產(chǎn)生的機會，預(yù)設(shè)不合格元器件篩選剔除系統(tǒng)，減少人為操作影響或干預(yù)，充分考慮設(shè)備的防呆，把閉環(huán)理念貫穿在各個環(huán)節(jié)中，將設(shè)備的可靠性提至到設(shè)定高度， 將設(shè)備的出錯概率降至最低， 增強作業(yè)過程的可操作性或順序性， 確保產(chǎn)品品質(zhì)，設(shè)計中充分考慮治具對零部件損傷的預(yù)防，將損傷零部件的可能性降至最低。

該自動化設(shè)備除了滿足目前Ka 頻段行波管裝配外，只要改變相關(guān)治具即可向下擴展至Ku 波段、向上擴展至Q 頻段的行波管裝配， 能夠覆蓋目前低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星對空間行波管頻段的要求，同時也可以覆蓋毫米波5G 通訊所需行波管的頻段需求。 自動化裝配試驗線將各相關(guān)分散工藝進行了集中和整合， 減少了各工序傳遞過程中產(chǎn)生的多余物、同時節(jié)約了工時、對操作人員的技術(shù)水平要求也有所降低，人員得到了優(yōu)化整合。該自動化裝配設(shè)備實現(xiàn)了由傳統(tǒng)手工裝配工藝向精密自動化裝配工藝的升級，將智能化制造的理念引入傳統(tǒng)行波管行業(yè)，對行波管行業(yè)未來智能化制造提供了平臺保障。

行波管的研制方向是朝著更高頻段發(fā)展， 慢波高頻結(jié)構(gòu)的尺寸會越來越小，精度越來越高，裝配的難度也越來越大，手工裝配將無法實現(xiàn)，只能通過以超高精度治具為基礎(chǔ)的自動化微組裝、微裝配工藝來實現(xiàn)。因此本自動化裝配設(shè)備為高頻段行波管的應(yīng)用奠定了制備工藝基礎(chǔ)。 自動化裝配設(shè)備提高了裝配的精度、一致性，成品率和產(chǎn)能大大提高，大幅縮短生產(chǎn)周期和能耗，從而大幅降低成本和價格，從而在與固態(tài)器件的競爭中，具備了更大的優(yōu)勢。

3 測試結(jié)果

對裝配好的高頻慢波組件進行測試， 分別進行了駐波特性測試和電子流通率測試， 測試過程見圖11 和圖12。 測試結(jié)果表明駐波比在1.10～1.24 之間，與設(shè)計值相吻合。 對電子流通率進行了與之前手工裝配的高頻組件進行了對比，流通率提高到了99.2%，對于行波管后續(xù)整管測試性能的提升給與了保證。

圖11 駐波測試曲線

圖12 自動化與人工裝配電子流通率比較

4 結(jié)論

通過對Ka100W 空間行波管高頻系統(tǒng)自動化裝配技術(shù)的研究，結(jié)果表明，自動化裝配方案突破了高頻慢波系統(tǒng)裝配的技術(shù)難點，提高了螺旋線組件軸向定位精度，提高了夾持桿角向定位精度， 提高了高頻組件和復(fù)合管殼的對中精度，提高了電子流通率，提高了互作用效率，對提高輸出功率方面有很大的益處。 由于自動化裝配設(shè)備的引入， 將提高行波管生產(chǎn)的一致性， 提高成品率和產(chǎn)能，大幅縮短生產(chǎn)周期和降低能耗，從而大幅降低制造成本和價格，為低軌衛(wèi)星星座的部署提供支持。