行波管熱態駐波參數測試技術規范的編制

劉 沖，李 潔，王 偉

0 引言

行波管是一種微波電子管，其工作原理是靠電子注的連續調制速度來實現放大功能。在其內部，電子注與慢波電路微波場產生相互作用，在幾個到數十個波長慢波電路中，電子注持續不斷的將動能傳遞給微波電磁場，從而達到信號放大的目的。為了使電子注同微波場產生有效的相互作用，需要具備同步條件，一般情況下，同步條件是指電子的直流運動速度較沿慢波電路行進的微波場的相位傳播速度（相速）略高。

由于行波管具有大功率微波信號放大功能，其應用領域非常廣泛，尤其在雷達、電子對抗、通信等領域應用極為廣泛，是微波功率放大的核心部件。

行波管按照不同劃分方式，應用較多的包括脈沖行波管、大功率連續波行波管、多模行波管、空間行波管等。其中脈沖行波管用于地面固定和機載火控雷達、移動式雷達和各類型電子對抗設備等；大功率連續波行波管多用于衛星通信地球基站；多模行波管是電子對抗系統的關鍵組件，可工作于脈沖狀態和連續波狀態；印制行波管具有體積小、重量輕、成本低等特點，適合于相控陣雷達等重點領域；空間行波管是空間應用的專用管型，具有較高的可靠性、壽命長和工作效率高，多用于通信衛星和電視直播衛星[1]。

本文基于核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品科技重大專項，聯合國內外相關科研機構，在試驗驗證的基礎上，提出了可行的行波管熱態駐波參數測試技術規范，為行波管熱態參數測試方法研究提供了技術基礎。

1 相關標準規定

針對熱態駐波參數，項目組對國內目前標準規定的內容進行了匯總，目前主要依據文件有三個：1）美軍標為MIL-STD-1311《TEST METHODS FOR ELECTRON TUBES》；2）GJB3311《微波電子管測試方法》；3）SJ20024《行波管測試方法》。目前使用較多的為GJB3311A，其規定較為齊全，該標準比較情況能夠涵蓋SJ20024標準，該標準中針對該熱態駐波參數相關測試情況不足分析如下：

（1）目前相關規范無熱態發射系數規定；

（2）熱態反射系數行業測試中很少涉及，因為如果使用不當會導致大功率信號反射回產品輸出口，導致損壞管子，所以通常情況一般不測試工作態的輸出駐波。相關單位采用的是仍然是矢網測試，但與傳統的使用方式不同，利用測試系統將輸出信號分流，從而實現輸出口工作態駐波的測試時不會導致功率反射回輸出口，導致產品損壞，能夠安全測試輸出口駐波[2]。

2 熱態駐波參數定義

所謂冷態駐波，也稱冷駐波比，是指行波管在斷電關機狀態下信號包絡的最大值與最小值之比。該參數反映了行波管在無電子柱狀態下與其它產品的阻抗匹配特性。冷駐波比的測試方法參見GJB 3311A-2011方法108A.

所謂熱態的含義一般為產品真實工作狀態，比如在飽和輸出狀態或者線性區工作狀態，高功率一般為超過儀器損壞的電平功率，行業中一般超過30 dBm的功率均可以定義為高功率。本文相關研究以前，未見達成一致意見的熱態駐波參數定義。

鑒于大功率行波管應用的特殊性和廣泛性，由于熱態駐波參數量值對于其應用產品影響巨大，本文對國內大功率行波管研制、使用單位進行了綜合調研，最終形成了一致性較高的熱態參數定義。所謂冷態駐波，也稱冷駐波比，是指行波管在加電工作狀態下信號包絡的最大值與最小值之比。該參數反映了行波管在有電子柱時與其它產品的阻抗匹配特性。

3 測試所用主要設備

測試儀器見表1.

表1 儀器清單

測試儀器要求如下：

（1）測試儀器設備應經計量部門檢定合格，并在有效期內；

（2）具有自檢功能、需要標校的儀器，使用前應進行自檢與校準。對穩定度有要求的儀器，測試時應預熱至規定時間后再進行測試；

（3）測試設備量程應滿足所測項目指標要求，并且精度要高于要求值至少一個量級

4 測試方法

如圖1所示，在實際使用端口2測試被測放大器輸出熱駐波比時，先外設一個信號源作為被測放大器的激勵，使放大器工作在輸出熱駐波比規定的測試狀態下，此時產品有高功率輸出。為了保護產品輸出端口之后的儀器，應斷開端口2內部耦合器的連接，外接滿足功率安全范圍的定向耦合器，網絡分析儀內部信號源產生輸出熱駐波比測量信號，測量信號通過端口2后，經過定向耦合器1耦合端耦合入射信號進入R2外差接收機，獲得測量信號入射信號的幅度和相位，測量信號到被測件輸出口產生反射后，由定向耦合器2耦合端耦合反射信號進入B外差接收機，獲得測量信號反射信號的幅度和相位，如果定向耦合器的耦合端輸出功率過大，還可增加衰減器進一步降低功率電平，同時，在測試輸出端口2增加隔離器，保護放大器輸出功率反向進入網絡分析儀激勵源端口，同時保證激勵信號通過定向耦合器入射到被測放大器的輸出端口，如果激勵源的輸出功率不滿足網絡分析儀的接收機工作范圍內，可以在輸出口前通過跳線增加預放提供激勵信號。此時，定向耦合器的正向輸入口應為校準面/測試面。那么通過網絡分析儀比較測量信號的入射信號和反射信號，獲得產品輸出端面工作狀態下的電壓駐波比。

圖1 測試原理框圖

信號源設置激勵信號需要在放大器工作頻段內，信號類型為單載波頻率[4]。網絡儀的測量信號也需要在放大器的工作頻段內，信號類型為掃頻信號。為了確保激勵信號頻率和測量信號頻率間隔足夠大，頻率間隔應當至少等于IF中頻的三到五倍，如果網絡儀允許，推薦使用高選擇性的IF濾波器類型，否則還需增加頻率間隔。建議應將放大器工作頻帶分為左右兩個帶寬，當信號源設置激勵信號在左帶寬中心點時，矢網掃描右帶寬進行測試，當信號源設置激勵信號在右帶寬中心點時，矢網掃描左帶寬進行測試。

5 矢網跳線說明

如圖2所示，以典型矢網為例，①為反射接收機A跳線，②為輸出信號跳線，③為入射接收機R1跳線，搭建測試系統時應根據圖2的原理框圖，斷開矢網跳線后，將各測試附件接入系統。由于不同型號矢網的跳線不同，搭建系統后應先對跳線的連接狀態進行復核[3]。

圖2 跳線圖

6 測試步驟

（1）被測件開機后，預熱0.5 h后按圖2連接測試系統和被測件；

（2）按要求設置信號源輸入被測件單載波測試信號，單載波信號分別設置于被測件左右兩個邊帶工作點；

（3）設置矢網輸出掃頻信號，測試狀態為S22，SWR；

（4）設置信號源無輸出信號時，測試無信號狀態下的輸出熱駐波，并存儲測試曲線和測試數據。

（5）設置信號源在小信號輸出信號時，應將放大器工作頻帶分為左右兩個帶寬，當信號源設置激勵信號在左帶寬中心點時，矢網掃描右帶寬進行測試，當信號源設置激勵信號在右帶寬中心點時，矢網掃描左帶寬進行測試。測試獲得左右帶寬的熱駐波曲線，讀取帶內最大值；

（6）重復步驟5測試設置信號源在飽和功率輸出時的被測件輸出熱駐波。

7 試驗驗證

根據測試方法，搭建測試系統，在校準的基礎上，選擇某進口型號Ku頻段150 W行波管放大器進行測試并比對，實測結果如圖3所示，與數據包結果一致性較好，比對結果見表2，能夠滿足測試要求。

圖3 熱態駐波實際測試結果

表2 輸出冷熱駐波比對結果

8 結論

本文依據實際需要，在試驗驗證基礎上，完成行波管熱態駐波參數測試技術規范草稿編制，具有較強的實用和參考價值。

[1]張愛平.行波管放大器輸出熱駐波比測試方法[J].空間電子技術，2015，12（6）：27-34.

[2]李卓成.國外空間行波管放大器現狀與發展[J].空間電子技術，2012，9（4）：28-34.

[3]Michael Hiebel.矢量網絡分析儀原理[M].北京：R&S公司，2007：301-302.

[4]張 睿，周 峰，郭隆慶，無線通信儀表與測試應用[M].北京：人民郵電出版社，2012：317-318.