Ka频段250 W连续波行波管发射机研究

2013-12-17时利勇

电子科技 2013年5期

时利勇，常丽

(1.中国电子科技集团公司第27研究所测控部，河南郑州 450000;2.河南交通职业技术学院人文社科系，河南郑州 450005)

行波管放大器是常用的一类重要电子设备。由于具有宽带、大功率的特点，在国防装备中，是雷达、通信、电子对抗、遥测遥控和精密制导系统的核心;在信息系统中，作为电视台微波通信源和卫星通信的转发器等，行波管放大器已得到广泛应用。

在低频率、低功率情况下，行波管放大器完全被固态放大器替代，但在毫米波段，行波管放大器占有绝对的优势，是唯一可选的技术途径。固态放大器即使采用功率合成，在相当长时间内，其功率输出也不可能达到行波管放大器的水平［1］。我国卫星通信相关领域所采用的Ka频段发射机长期以来依赖进口，因此开展了Ka频段行波管发射机的研究工作。本文重点针对卫星通信用Ka频段250 W行波管发射机的相关技术进行研究。

1 行波管放大器工作原理

1.1 行波管的原理和分类

行波管(TWT)通过电子束和射频信号进行能量交换实现对微波信号的放大。电子枪发射出强流细束电子注，经较长的距离到达收集极，在电子注前进的过程中由周期磁场克服电子间拆力保持电子注有一定的直径。待放大的微波小信号由输入耦合器进入行波管慢波系统，在电磁波与电子注保持同步前行的过程中，电子注与微波产生能量交换，经输出耦合器得到放大的微波信号。

行波管主要由电子枪(electron gun)、慢波系统、收集极(collector)、输能装置(输入、输出耦合器)、集中衰减器、磁聚焦系统组成。为保证行波管正常工作，需在各电极馈以合适的工作电源，从行波管安全因素考虑，对各电极电源工作状态需加以检测和限制。

为适应不同应用的需求，行波管的发展已形成一个庞大的家族，可从不同的角度进行分类。按所用慢波结构，可分为以下几类:(1)螺旋线行波管。这类行波管带宽最宽，可达4∶1以上。但由于受返波振荡的限制，螺旋线电压不能过高，因此脉冲功率较低，一般在10 kW以下;由于受散热限制，其平均功率＜1 kW。(2)环秆行波管和环圈行波管。这类行波管的工作电压较螺旋线高，因此脉冲功率比螺旋线行波管要大，其平均功率主要受环秆和环圈散热能力的限制，比螺旋线行波管略大，但带宽略窄。(3)耦合腔行波管。这类行波管，共同特点是慢波结构为全金属，故散热能力强、工作电压较高，输出功率大，但带宽较窄。所以，人们还在寻找扩宽全金属慢波结构带宽的方法。

按行波管功能，可分为宽带功率行波管、大功率行波管、双模行波管、相位一致行波管、低噪声行波管、调相行波管、储频行波管和卫星通信行波管。其中卫星通信行波管分为星上用管和地面站用管两大类。它们的共同点是工作频带较窄，但对性能要求严格。如为了减小失真，工作频带内增益波动应＞1 dB，增益斜率＜0.05 dB/MHz，调幅调相转换要小;为避免多个信号间串扰，要求交调越小越好;两者都要求效率高、寿命长和可靠性高，而星上用管对效率、寿命、可靠性的要求应更高。

1.2 行波管放大器的特点

行波管的最大特点是可以兼有宽频带和高增益。众所周知，要提高通信系统信息的传输量，就需要发射机有足够的带宽和功率。而在雷达和干扰机的对抗中，雷达要有尽可能宽的工作带宽，以便随时跳频躲开干扰，或用多部工作于不同频率的雷达同时照射一个目标，使干扰机顾此失彼。而干扰机也在不断扩展带宽，以便干扰尽可能多的不同频率的雷达。因此，无论是通信系统还是雷达和干扰机，都需要微波管同时具有较高的增益和快速的工作带宽。

毫米波段行波管放大器在输出功率和效率方面优势明显。在低频率、低功率的情况下，行波管放大器完全被固态放大器替代，但在毫米波段，行波管放大器占有绝对优势，是唯一可选的技术途径。固态放大器即使采用功率合成，在相当长时间内，其功率输出也无法达到行波管放大器的水平。另外效率方面，行波管采用降压收集极的方法可以进一步提高效率，毫米波段固态放大器效率通常约为行波管放大器效率的1/3。

行波管需要高压电源供给维持正常工作，对于卫星通信应用要求高压电源具有较高的稳定度和较低的纹波。

2 发射机组成和可达技术指标

毫米波行波管发射机的组成如图1所示，发射机采用两级放大方式，主要包括驱动控制模块、高压电源、行波管、微波网络、监控板和散热装置等［2］。

图1 发射机原理简图

前级采用固态功放实现信号的驱动放大和控制，行波管实现最终的信号放大。高压电源、监控板和微波网络为发射机馈电并维持其正常安全工作［3］。最终发射机可完成对微弱信号的放大，连续波输出功率达250 W，整机增益＞70 dB，三阶交调达－35.38 dB，测试结果如图2所示。

图2 三阶交调测试结果

其他主要技术指标如表1所示。

表1 发射机主要性能指标

典型技术指标和美国休斯公司两种同类产品指标比对如表2所示。

表2 和美国休斯公司产品性能指标对比

如表2所示，与休斯公司同类产品相比，主要技术指标基本相当，略有异同。

3 行波管发射机的关键技术

3.1 高压电源技术

高压电源是行波管主要的能量来源，高压电源的性能对发射机输出信号的质量和整个发射机的重量、体积和功耗等起着重要的作用。因此在发射机设计时，高压电源是设计的重点。行波管要求高压电源阴极输出达－14 kV，收集极1输出－8.5 kV，收集极2输出－11 kV，高压电源输出功率接近700 W。因此高压电源的高压绝缘和散热设计决定了整个电源的体积和重量。

高压电源设计重点在于解决低纹波、防过冲和高压转换等技术难点，高压电源的开关机满足一定的加去电时序，去电时序是加电时序的逆过程。电源采取Boost型移相全桥软开关变换器拓扑形式，降低了开关损耗和开关噪声，进而降低了电源纹波，同时提高了电源效率;为提高电源可靠性和减小体积，采用高压灌封工艺和合理的散热措施，把整个高压电源封装在一个模块内［4－5］。

图3 Boost型移相全桥软开关变换器电原理图

3.2 微波网络

放大器高频系统由行波管和与之相连的微波网络组成，使用各种微波元器件的目的是确保放大链能稳定可靠地工作，获得性能良好的输出信号及监控保护所需的各种数据。微波网络的设计首先要保证微波网络所用器件耐受功率的能力满足既定要求，其次满足整机输出频谱的特定要求，更重要的是，微波网络和整机控制保护电路等配合保证整机安全可靠地工作。