Ku波段高效率功率可調(diào)空間行波管研制

曹林林，肖 劉，尚新文，李延威，易紅霞，李 飛，王自成，李 實(shí)，李 寧，黃明光

(1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京海淀區(qū)100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院 北京懷柔區(qū)101408)

空間行波管作為通信衛(wèi)星使用量最大的單機(jī)，一般根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的某一需求進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，并在運(yùn)行過(guò)程中保持同一工作模式。隨著多媒體和高清晰度電視廣播對(duì)通信流量需求的迅猛增長(zhǎng)，如果仍然采用由小波束組成的多波束有效載荷來(lái)增加流量和數(shù)據(jù)率，并且對(duì)每個(gè)波束進(jìn)行帶寬和功率的均勻分配，就會(huì)出現(xiàn)在熱點(diǎn)地區(qū)能力不足和冷點(diǎn)地區(qū)浪費(fèi)的問(wèn)題[1]。功率可調(diào)空間行波管放大器與自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)相接合，可以對(duì)不同波束靈活地分配功率和帶寬。功率可調(diào)行波管與普通行波管相比，其最大的特點(diǎn)是可以在不同功率電平下仍然工作在飽和狀態(tài)，且整管效率可以保持在較高的水平[2]。功率可調(diào)空間行波管作為一個(gè)可變且高效的載荷，能夠極大地提升衛(wèi)星制造、調(diào)試和運(yùn)營(yíng)的靈活性[2-3]。

早在本世紀(jì)初，國(guó)外空間行波管制造廠商就開(kāi)啟了功率可調(diào)行波管的研制工作。法國(guó)THALES公司在2003年研制出了輸出功率90～140 W可調(diào)的行波管[4]；2009年文獻(xiàn)[5]報(bào)道了應(yīng)用于微波功率模塊的Ku波段功率可調(diào)行波管，實(shí)現(xiàn)了輸出功率75～150 W可調(diào)，輸出功率為75 W時(shí)的效率大于65%，最大相移小于55°；文獻(xiàn)[6]在2013年實(shí)現(xiàn)了雙管可調(diào)行波管放大器應(yīng)用于衛(wèi)星通信；2018年文獻(xiàn)[7]報(bào)道了Q波段空間行波管THL40040C的性能，其能夠在不同發(fā)射電流下實(shí)現(xiàn)輸出功率20～40 W可調(diào)；文獻(xiàn)[8]在此研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升性能，實(shí)現(xiàn)了在37.5～42.5 GHz工作頻帶內(nèi)，輸出功率35～70 W功率可調(diào)，輸出功率為70 W時(shí)的效率大于50%；德國(guó)TESAT公司研制出了在軌功率可調(diào)微波功率模塊[9]；美國(guó)L-3公司的9100H型K波段空間行波管飽和輸出功率回退4 dB，行波管放大器效率僅下降7%[10]；9110HxR型空間行波管飽和輸出功率大于170 W，效率大于64%，輸出功率回退3 dB能夠在?20℃～86℃溫度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定工作[11]。與國(guó)外廠商相比，國(guó)內(nèi)對(duì)功率可調(diào)空間行波管的研究相對(duì)滯后。2020年，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所報(bào)道了Ka波段功率可調(diào)空間行波管的設(shè)計(jì)研制工作，實(shí)現(xiàn)了在1 GHz工作帶寬內(nèi)50～100 W功率可調(diào)，飽和效率大于61%，輸出功率回退3 dB時(shí)效率大于54%[12]。

高通量衛(wèi)星平臺(tái)中空間行波管的用量大幅增加，行波管的功耗、熱耗是平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要因素。Ku波段空間行波管作為廣播通信和數(shù)據(jù)傳輸衛(wèi)星載荷的關(guān)鍵部件，根據(jù)應(yīng)用需求不同調(diào)整功率量級(jí)，并提高功率回退效率，降低平臺(tái)熱負(fù)荷具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值[13-17]。本文以Ku波段150 W空間行波管為研究對(duì)象，對(duì)其開(kāi)展功率可調(diào)、高效率的研究。

1 理論分析

行波管輸出功率調(diào)節(jié)可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：1) 改變輸入功率；2)改變陰極發(fā)射電流。方式1)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但是行波管的效率下降明顯。與方式1)相比，方式2)不但可以使陰極電流密度降低，陰極壽命得到提升，而且行波管的熱耗會(huì)變小，有效地減小行波管的散熱壓力。

行波管的效率可以近似地表示為[18]：

由上式可知，行波管效率與上述參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中優(yōu)化提升各參數(shù)，使每個(gè)參數(shù)都達(dá)到最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)效率最大化。功率可調(diào)行波管由于陰極發(fā)射電流發(fā)生改變，工作狀態(tài)也會(huì)隨之變化。但是電流變化前后的整管結(jié)構(gòu)保持不變，即電子槍、慢波結(jié)構(gòu)、聚焦磁系統(tǒng)和收集極沒(méi)有變化。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮以下幾方面問(wèn)題：首先，調(diào)節(jié)陽(yáng)極電壓改變陰極發(fā)射總電流大小，電子注的注腰半徑和注腰位置也會(huì)隨之變化。行波管如何在不同陽(yáng)極電壓下，保持高的電子流通率是實(shí)現(xiàn)行波管高效穩(wěn)定工作的關(guān)鍵問(wèn)題之一。其次，由于填充比減小，互作用能力下降，在高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮電子注的互作用效率外，還需要平衡功率回退前后的電子注性能。最后，由于功率回退后電子注互作用后分布狀態(tài)的不同，如何綜合考慮收集極的結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

Ku波段輻冷型空間行波管主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)行波管主要技術(shù)指標(biāo)要求，合理規(guī)劃分配設(shè)計(jì)參數(shù)。開(kāi)展研究不同陽(yáng)極電壓下高性能電子注成型、傳輸設(shè)計(jì)；變電流的高效率互作用分布設(shè)計(jì)以及較大冗余范圍的高效率多級(jí)降壓收集極設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 電子槍

電子槍作為行波管的核心部件，主要功能是產(chǎn)生一個(gè)具有行波管所需尺寸和電流的電子束，使之與電磁場(chǎng)交換能量實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大[19]。降低陽(yáng)極電壓減小陰極發(fā)射電流，實(shí)現(xiàn)行波管輸出功率回退3 dB工作的同時(shí)，電子注的注半徑和注腰位置也會(huì)隨之變化。然而行波管的結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，周期磁聚焦系統(tǒng)也不會(huì)因?yàn)殛?yáng)極電壓的變化而發(fā)生變化。本設(shè)計(jì)采用雙陽(yáng)極電子槍結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)電子槍的陰極、聚焦極、陽(yáng)極以及離子阱的結(jié)構(gòu)，使陰極發(fā)射電流變化前后的電子注半徑大小以及注腰位置能適配同一套磁聚焦系統(tǒng)，且電子注波動(dòng)較小。

由于電子槍結(jié)構(gòu)未變化，所以導(dǎo)流系數(shù)也不變。根據(jù)導(dǎo)流系數(shù)Pμ計(jì)算公式：

式中，I0為電子注電流，單位為A；Ua為陽(yáng)極電壓，單位為V。根據(jù)高頻互作用仿真計(jì)算結(jié)果，輸出功率回退3 dB后所需的陰極發(fā)射電流與輸出功率回退前相比下降了約39%，即I回退后=I回退前×61%。由式(2)計(jì)算可得到輸出功率回退3dB時(shí)的陽(yáng)極電壓U回退后≈U回退前×72%。回退后的陽(yáng)極電壓比回退前的陽(yáng)極電壓降低了約28%。

電子槍過(guò)渡區(qū)磁場(chǎng)采用周期聚焦磁場(chǎng)，為了獲得較小的電子注波動(dòng)，磁場(chǎng)第一個(gè)峰值的位置一般設(shè)在電子注注腰位置附近，因此在設(shè)計(jì)電子槍時(shí)要確保陰極發(fā)射電流變化前后的電子注注腰位置變化很小。由于磁系統(tǒng)未變，所以電流變化前后的布里淵磁感應(yīng)強(qiáng)度Bb不改變，Bb(高斯)計(jì)算公式如下：

式中，I0為電子注電流；r0為電子注半徑，單位為cm；U0為電子注電壓。由于功率回退前后僅通過(guò)改變陽(yáng)極電壓改變了電子注電流大小，而磁場(chǎng)和工作電壓未發(fā)生變化，所以根據(jù)式(3)可推導(dǎo)出：功率回退后的電子注注腰半徑減小約22%。

利用MTSS[20]對(duì)電子槍進(jìn)行建模，分別針對(duì)電子槍的陰極、聚焦極、陽(yáng)極以及離子阱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。電子槍在不同輸出功率狀態(tài)下的仿真結(jié)果如圖1和表2所示。由表2可以看出，陽(yáng)極電壓Ua降低28%，陰極發(fā)射電流IK下降39%，電子注注腰半徑r減小24%，注腰位置L基本不變。

圖1 不同輸出功率狀態(tài)下的電子注軌跡仿真結(jié)果

表2 電子槍仿真結(jié)果

綜合考慮不同陽(yáng)極電壓下的電子注狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)計(jì)電子槍過(guò)渡區(qū)磁場(chǎng)，使不同電壓下電子注都能滿足互作用要求。利用MTSS對(duì)加載過(guò)渡區(qū)磁場(chǎng)后的電子槍模型進(jìn)行三維仿真計(jì)算，陰極發(fā)射電流變化前后的電子注包絡(luò)仿真結(jié)果如圖2所示。可以看出，陰極發(fā)射電流變化前后的電子注波動(dòng)較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 加載磁場(chǎng)后不同發(fā)射電流的電子注包絡(luò)仿真結(jié)果

2.2 慢波系統(tǒng)

空間行波管在具有大功率、高效率、高增益的同時(shí)，也須具備較高的線性度以滿足衛(wèi)星系統(tǒng)的要求。陽(yáng)極電壓變化會(huì)產(chǎn)生不同電流狀態(tài)的群聚過(guò)程，高頻互作用設(shè)計(jì)不僅要保證在不同電流狀態(tài)下的輸出功率、電子效率、增益以及相移等滿足技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)也須考慮互作用后到達(dá)收集極入口處的電子能量分布狀態(tài)，使收集極效率在功率回退前后依然保持很高的水平。

根據(jù)行波管的工作原理可知，電子注與波需要保持長(zhǎng)期的同步，進(jìn)行有效的正向能量交換，從而達(dá)到提高電子效率的目的。保持注?波同步的方法主要有兩種：1)使行波的相速逐漸變慢，也就是相速漸變；2)提高電子注電壓，促使電子注的速度增大，也稱為電壓跳變。本設(shè)計(jì)方案采用負(fù)漸變動(dòng)態(tài)相速漸變螺距分布，對(duì)螺旋線的螺距跳變/漸變位置和幅度進(jìn)行有目的的選擇，使得電子與電磁波充分互作用，在提高電子效率的同時(shí)，也改善了輸出功率與輸入功率之間的線性特性。歸一化螺距分布圖如圖3所示。

圖3 歸一化螺距分布圖

輸入段采用均勻螺距P1，實(shí)現(xiàn)一個(gè)群聚良好的電子注，建立一個(gè)增益不小于20 dB的增長(zhǎng)波；在輸出段開(kāi)始部分仍然采用均勻螺距，增大此段螺距P2可以對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償，但是增大到一定數(shù)值以后電子效率會(huì)急速下降，設(shè)計(jì)時(shí)需要均衡考慮電子效率和相位補(bǔ)償。輸出段后半段螺距P3、P4及P5漸變減小，相速降低保持注?波同步，使群聚電子能夠最大程度地將能量交給高頻場(chǎng)。螺距P5對(duì)收集極最大可回收效率有影響，設(shè)定螺距時(shí)需要均衡考慮電子效率和最大可回收效率，實(shí)現(xiàn)整管效率最大化。

當(dāng)行波管輸入信號(hào)為Acos(wot)，則輸出信號(hào)為GAcos(wot+φ)，φ即信號(hào)放大后的相移：

式中， βe為電子速度為v的波的傳播常數(shù)， βe=w/v；L是行波管的長(zhǎng)度；C為皮爾斯增益參量，C=(Kc I0/4U0)1/3；y為式(4)解方程的虛部。由于同步電壓Uo不變，改變陽(yáng)極電壓調(diào)節(jié)陰極發(fā)射電流I0會(huì)導(dǎo)致皮爾斯增益參量C變化，從而導(dǎo)致相移也隨著陰極發(fā)射電流變化。為了抑制返波振蕩和反射振蕩，在輸入端設(shè)置兩段衰減器，通過(guò)調(diào)節(jié)衰減器長(zhǎng)度和衰減量，確保行波管穩(wěn)定工作[21]。利用MTSS螺旋線行波管模擬軟件對(duì)注波互作用結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，陰極發(fā)射電流變化前后仿真設(shè)計(jì)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由圖4的仿真結(jié)果所示，在工作頻帶內(nèi)行波管飽和輸出功率≥176.4 W，電子效率≥39.95%，增益≥61.33 dB；輸出功率回退3 dB時(shí)，電子效率≥30.82%，增益≥46.18 dB。

圖4 輸出功率、電子效率和增益仿真對(duì)比圖

Ku波段行波管在中心頻率點(diǎn)的相移與AM/PM仿真結(jié)果如圖5所示，仿真結(jié)果顯示輸出功率150W時(shí)的相移≤37.83°，輻相轉(zhuǎn)換系數(shù)≤3.72°/dB；輸出功率回退3 dB后的相移≤32.36°，輻相轉(zhuǎn)換系數(shù)≤2.77°/dB，設(shè)計(jì)冗余量滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 輸出功率回退前后中心頻點(diǎn)相移和幅相轉(zhuǎn)換系數(shù)仿真結(jié)果

根據(jù)收集極入口處的電子能量分布，采用四級(jí)降壓收集極結(jié)構(gòu)，輸出功率150 W狀態(tài)下的收集極最大可回收效率為90.21%，功率回退后的收集極最大可回收效率為91.78%，回退前后收集極最大可回收效率相差不大，通過(guò)合理設(shè)計(jì)收集極電極結(jié)構(gòu)和電位分布，可以獲得較高的回收效率。

2.3 收集極

收集極要盡可能多地回收互作用后的電子能量，避免這部分能量全部以熱能的形式損耗掉。電子注在進(jìn)入收集極之前的縱向速度是零散的，特別是高電子效率的情況下，互作用后的電子速度零散更為嚴(yán)重，如何最大限度地回收不同速度的電子，使所有電子打到收集極電極上前都得到充分的減速，將電子能量轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能回饋給電源系統(tǒng)是多級(jí)降壓收集極設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[13]。Ku波段空間行波管采用非軸對(duì)稱四級(jí)降壓收集極[22]的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)優(yōu)化收集極各電極結(jié)構(gòu)、極間距離及各級(jí)電壓，確保在輸出功率回退3 dB后依然擁有較高的回收效率。同時(shí)對(duì)收集極銅電極表面進(jìn)行離子濺射處理，抑制收集極二次電子發(fā)射，使得輸出功率回退前后的回流電流也保持在較低的水平。

利用MTSS對(duì)收集極進(jìn)行仿真優(yōu)化，輸出功率回退前后的收集極效率仿真結(jié)果如圖6所示，仿真結(jié)果顯示飽和狀態(tài)下的收集極效率≥77.31%；功率回退后收集極效率≥77.12%。功率回退前后收集極效率基本保持不變，且維持在較高的回收效率水平，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 輸出功率回退前后收集極效率對(duì)比

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案完成了Ku波段輻冷型空間行波管研制，整管實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 Ku波段150 W輻冷型空間行波管

經(jīng)測(cè)試，行波管在整個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)的輸出功率、效率和增益測(cè)試結(jié)果曲線如圖8所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出，Ku波段空間行波管在工作頻帶內(nèi)，連續(xù)波最大飽和輸出功率為158 W，最大總效率為70.18%，最大飽和增益為60.29 dB；輸出功率回退3 dB時(shí)，最大總效率為63.05%，最大增益為46.01 dB。

圖8 Ku波段空間行波管輸出功率、效率和增益測(cè)試結(jié)果

Ku波段空間行波管主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如表3所示。Ku波段空間行波管在500 MHz的工作頻帶內(nèi)螺旋線電流不超過(guò)0.93 mA；相移≤44.6°；群時(shí)延波動(dòng)≤0.467 ns，行波管在具備高效率的同時(shí)，具有良好的副特性。整管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證可靠性的同時(shí)，進(jìn)行了輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，整管重量不超過(guò)1 kg，滿足衛(wèi)星系統(tǒng)使用要求。

表3 Ku波段空間行波管主要測(cè)試結(jié)果

輸出功率回退前后的電子效率、收集極效率仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分別如圖9和圖10所示。由圖中所示結(jié)果可知：在工作頻帶內(nèi)，實(shí)測(cè)輸出功率150 W狀態(tài)下的電子效率≥33.48%，收集極效率≥77.76%；輸出功率回退3 dB后的電子效率≥27.11%，收集極效率≥76.98%。由于在仿真過(guò)程中，忽略了線路損耗和其他損耗，輸能駐波比按照理想狀態(tài)設(shè)置，導(dǎo)致電子效率仿真結(jié)果偏高。收集極入口處的電子分布狀態(tài)仿真結(jié)果與實(shí)際情況存在差別，致使收集極效率仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值有一定的偏差。加之行波管零、部組件加工誤差，整管裝配焊接等工藝誤差的影響，加大了仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差。整管測(cè)試結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求，研制方案具有可行性。

圖9 電子效率仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖10 收集極效率仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)功率可調(diào)空間行波管的使用需求，具體分析了行波管功率回退設(shè)計(jì)中存在的難點(diǎn)，提出了一種Ku波段高效率功率可調(diào)空間行波管的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)方案研制出樣管并進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示行波管在工作頻帶內(nèi)，飽和輸出功率≥153.2 W，總效率≥68.60%，當(dāng)輸出功率回退3 dB時(shí)，總效率≥60.85%。Ku波段功率可調(diào)高效率空間行波管的成功研制，對(duì)于其他波段行波管開(kāi)展功率可調(diào)高效率技術(shù)的研究，具有一定的參考價(jià)值。