行波管热态驻波参数测试技术规范的编制

2018-01-15刘冲，李洁，王伟

装备制造技术 2017年11期

刘冲，李洁，王伟

0 引言

行波管是一种微波电子管，其工作原理是靠电子注的连续调制速度来实现放大功能。在其内部，电子注与慢波电路微波场产生相互作用，在几个到数十个波长慢波电路中，电子注持续不断的将动能传递给微波电磁场，从而达到信号放大的目的。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用，需要具备同步条件，一般情况下，同步条件是指电子的直流运动速度较沿慢波电路行进的微波场的相位传播速度（相速）略高。

由于行波管具有大功率微波信号放大功能，其应用领域非常广泛，尤其在雷达、电子对抗、通信等领域应用极为广泛，是微波功率放大的核心部件。

行波管按照不同划分方式，应用较多的包括脉冲行波管、大功率连续波行波管、多模行波管、空间行波管等。其中脉冲行波管用于地面固定和机载火控雷达、移动式雷达和各类型电子对抗设备等；大功率连续波行波管多用于卫星通信地球基站；多模行波管是电子对抗系统的关键组件，可工作于脉冲状态和连续波状态；印制行波管具有体积小、重量轻、成本低等特点，适合于相控阵雷达等重点领域；空间行波管是空间应用的专用管型，具有较高的可靠性、寿命长和工作效率高，多用于通信卫星和电视直播卫星[1]。

本文基于核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品科技重大专项，联合国内外相关科研机构，在试验验证的基础上，提出了可行的行波管热态驻波参数测试技术规范，为行波管热态参数测试方法研究提供了技术基础。

1 相关标准规定

针对热态驻波参数，项目组对国内目前标准规定的内容进行了汇总，目前主要依据文件有三个：1）美军标为MIL-STD-1311《TEST METHODS FOR ELECTRON TUBES》；2）GJB3311《微波电子管测试方法》；3）SJ20024《行波管测试方法》。目前使用较多的为GJB3311A，其规定较为齐全，该标准比较情况能够涵盖SJ20024标准，该标准中针对该热态驻波参数相关测试情况不足分析如下：

（1）目前相关规范无热态发射系数规定；

（2）热态反射系数行业测试中很少涉及，因为如果使用不当会导致大功率信号反射回产品输出口，导致损坏管子，所以通常情况一般不测试工作态的输出驻波。相关单位采用的是仍然是矢网测试，但与传统的使用方式不同，利用测试系统将输出信号分流，从而实现输出口工作态驻波的测试时不会导致功率反射回输出口，导致产品损坏，能够安全测试输出口驻波[2]。

2 热态驻波参数定义

所谓冷态驻波，也称冷驻波比，是指行波管在断电关机状态下信号包络的最大值与最小值之比。该参数反映了行波管在无电子柱状态下与其它产品的阻抗匹配特性。冷驻波比的测试方法参见GJB 3311A-2011方法108A.

所谓热态的含义一般为产品真实工作状态，比如在饱和输出状态或者线性区工作状态，高功率一般为超过仪器损坏的电平功率，行业中一般超过30 dBm的功率均可以定义为高功率。本文相关研究以前，未见达成一致意见的热态驻波参数定义。

鉴于大功率行波管应用的特殊性和广泛性，由于热态驻波参数量值对于其应用产品影响巨大，本文对国内大功率行波管研制、使用单位进行了综合调研，最终形成了一致性较高的热态参数定义。所谓冷态驻波，也称冷驻波比，是指行波管在加电工作状态下信号包络的最大值与最小值之比。该参数反映了行波管在有电子柱时与其它产品的阻抗匹配特性。

3 测试所用主要设备

测试仪器见表1.

表1 仪器清单

测试仪器要求如下：

（1）测试仪器设备应经计量部门检定合格，并在有效期内；

（2）具有自检功能、需要标校的仪器，使用前应进行自检与校准。对稳定度有要求的仪器，测试时应预热至规定时间后再进行测试；

（3）测试设备量程应满足所测项目指标要求，并且精度要高于要求值至少一个量级

4 测试方法

如图1所示，在实际使用端口2测试被测放大器输出热驻波比时，先外设一个信号源作为被测放大器的激励，使放大器工作在输出热驻波比规定的测试状态下，此时产品有高功率输出。为了保护产品输出端口之后的仪器，应断开端口2内部耦合器的连接，外接满足功率安全范围的定向耦合器，网络分析仪内部信号源产生输出热驻波比测量信号，测量信号通过端口2后，经过定向耦合器1耦合端耦合入射信号进入R2外差接收机，获得测量信号入射信号的幅度和相位，测量信号到被测件输出口产生反射后，由定向耦合器2耦合端耦合反射信号进入B外差接收机，获得测量信号反射信号的幅度和相位，如果定向耦合器的耦合端输出功率过大，还可增加衰减器进一步降低功率电平，同时，在测试输出端口2增加隔离器，保护放大器输出功率反向进入网络分析仪激励源端口，同时保证激励信号通过定向耦合器入射到被测放大器的输出端口，如果激励源的输出功率不满足网络分析仪的接收机工作范围内，可以在输出口前通过跳线增加预放提供激励信号。此时，定向耦合器的正向输入口应为校准面/测试面。那么通过网络分析仪比较测量信号的入射信号和反射信号，获得产品输出端面工作状态下的电压驻波比。

图1 测试原理框图

信号源设置激励信号需要在放大器工作频段内，信号类型为单载波频率[4]。网络仪的测量信号也需要在放大器的工作频段内，信号类型为扫频信号。为了确保激励信号频率和测量信号频率间隔足够大，频率间隔应当至少等于IF中频的三到五倍，如果网络仪允许，推荐使用高选择性的IF滤波器类型，否则还需增加频率间隔。建议应将放大器工作频带分为左右两个带宽，当信号源设置激励信号在左带宽中心点时，矢网扫描右带宽进行测试，当信号源设置激励信号在右带宽中心点时，矢网扫描左带宽进行测试。