Ka100W 空间行波管高频系统自动化装配技术研究

马天军， 耿 复， 张欣玲， 李 飞， 孙建海

（1.中国科学院空天信息创新研究院， 北京 100190； 2.山东微波电真空技术有限公司， 山东 济南 250100）

0 引言

目前， 空间卫星的频率和轨道资源的主要分配形式为“先申报就可优先使用”的方式，因此在频率资源方面，C 频段和Ku 频段资源紧张，通信卫星向高频段发展的趋势明显， 目前Ka 频段是国际上大多数高通量卫星的首选，而Q/V 频段同样有巨头提前布局。 卫星轨道资源方面，地球同步轨道有效轨位资源非常紧张，各国纷纷将目标瞄准低轨道，预计该轨道内卫星数量会快速增长。

空间行波管作为卫星通信系统中的转发器、 数据传输系统、雷达与电子对抗发射机等的末级功率放大器，广泛应用于各类通信卫星、侦察卫星、导航卫星、资源卫星、气象卫星、海洋卫星以及载人航天与探月工程中，是卫星通信系统的核心部件。 每一颗卫星上都有不同种类和数量的空间行波管放大器。

随着低轨卫星组网的发展， 对空间行波管放大器的研制和生产提出了非常迫切的需求， 但由于行波管加工工艺复杂，制造过程繁琐，涉及到多学科技术，大量工序为手工制造，自动化水平低，不可控因素多，导致行波管的组装精度差别很大、一致性较差、生产效率较低、规模化生产和成本控制难度大。 因此，开展Ka100W 空间行波管高频结构自动化装配技术的研究具有非常重要的意义。

1 Ka100W 空间行波管高频结构

空间行波管行波管主要部件包括阴极、电子枪、高频组件、收集极及输能窗等的结构，整管零件近200 件，陶瓷零件近40 件。Ka 频段100W 空间行波管制管工艺主要包括组装和焊接， 经过工艺优化改进最终工艺方案和工序统计总工序组装约60 道，其中电阻点焊十几道，激光焊十几道，高频钎焊工艺多道，氩弧焊工艺多道，炉中钎焊工艺近二十道，其中涉及到银铜钎焊，金铜钎焊，金镍钎焊等复杂交叉工艺，制管工艺非常复杂。

Ka 频段100W 空间行波管采用双阳极电子枪、 跳变高频互作用系统、周期永磁磁聚焦系统、四级多级降压收集极和输入输出部件组成。其工作基本原理为：电子枪中的灯丝加电预热阴极，电子枪阳极加高压，将电子拉出并加速，经控制极聚焦形成电子束进入慢波系统。在慢波系统中通过磁聚焦系统维持电子束的形态， 使尽可能多的电子穿过螺旋线而不被截获。 在电子穿过螺旋线的过程中， 调整螺旋线电压使电子与输入耦合装置中输入的微波信号“同步”，并通过互作用发生能量交换，使微波信号得以放大，放大的微波信号通过输出耦合装置输出。互作用结束后，耗能电子进入收集极，被收集极收集。 通过采用多级降压收集极，可以将耗能电子的部分能量回收，交还给电源，以获得高的整管效率。部分电子动能在收集极区域转化成热能， 部分热能通过辐射散热器排散到周围空间。包装件将电子枪、慢波系统、收集极、辐射散热器等部分夹持、固定，使行波管能够经受得住外界力、热环境的考验。电子枪把直流电源的能量交给电子注，变成电子的动能，电子注以一定的形状通过慢波系统，与高频场互作用，产生电子群聚和能量交换，从而放大高频信号，结构示意图见图1。

图1 行波管结构示意图

在Ka 波段，由于高频损耗急剧增加，耦合阻抗逐渐下降，导致互作用效率较低，提高输出功率比较困难，电子效率相对较低。 因此，Ka100W 空间行波管高频结构采用渐变螺旋线慢波结构， 既能提高效率又能减少非线性失真，以实现高效率。 高慢波电路仿真计算模型见图2。

图2 高频慢波电路仿真模型

经过仿真，峰值输出功率达到122.5W，计算结果见图3；饱和增益达到58.58dB，计算结果见图4；电子 效 率 达 到30.03%，计算结果见图5；相移在输入功率回退-3dB 时小于26.87 度，计算结果见图6；高频慢波系统通道内电子注轨迹见图7， 可见电子注刚性较好，脉动小，可有效减少螺旋线电流，提高整管效率和工作可靠性；高频慢波结构驻波仿真结果见图8，全频带内驻波小于1.3，匹配性能较好。从以上仿真结果可以看出，各项指标均达到了Ka 频段100W 空间行波管的技术指标要求。

图3 输出功率计算结果图

图4 增益计算结果图

图5 电子效率计算结果图

图6 相移计算结果图

图7 电子注轨迹图

图8 驻波曲线

2 高频组件自动化装配

Ka100W 空间行波管的高频结构制备工艺上，需要重点提高慢波电路的制造精度，装配精度，降低高频损耗，提高电子流通率， 高频组件的装配质量直接影响高频段的散热和整管的电性能指标，如功率、互作用效率及副特性指标等。高频组件装配要求：①所有零件在装配过程中不能有损伤；②螺旋线径向不能有变形；③螺旋线轴向不能有拉伸或者压缩；④装配中不能有氧化；⑤三个夹持杆120°±1°均匀分布；⑥夹持杆中心必须精确对准螺旋线中心，垂直于螺旋线切线；⑦螺旋线拉伸端点对应三通口的孔中心，精度±0.05mm。

高频组件制备的基本过程是： 将切割合格的复合管壳通过高频加热，复合管壳热膨胀，将配置好的螺旋线和衰减器通过高频自动装配机， 利用热挤压的方式将组装好的螺旋线-夹持杆组合装配到管壳中，然后装配输能窗进行冷测匹配，匹配合格后将输入输出窗高频钎焊，然后将输能窗的内导体与螺旋线输入、输出端装配焊接起来，输入、输出对接处螺旋线短路、刮削器装入。 高频组件的装配质量将影响高频段的散热和整管的电性能指标，如功率、互作用效率及副特性指标等。

为了满足以上高频组件的装配要求， 采用安盛德公司高频组件精密装配机的自动化装配方案，将夹持杆、螺旋线、通过装配模组在高频加热情况下完成的装配，高频组件装配机结构见图9，图9（a）为高频组件精密装配机的总体结构，图9（b）为高频组件夹持杆载具及定位模具示意图。

图9 高频组件精密装配机

整个系统配备超高精度的装配治具， 系统以自校准柔性方式定位热装配的过程， 采用不同膨胀系数材料组合而成的高精度治具组合， 在高温装配时利用材料特性形成高精度控制力度实现系统辅助装配功能。 螺旋线端点对位三通口采用双CCD 自动控制并装配前二次核准。充分考虑操作方便和维修方便。整个系统设计紧凑合理，动作一气呵成。 三根夹持杆的角度控制在120°±1°以内，螺旋线端点与输入、 输出三通孔中心的位置精度提高到0.05mm 以内，装配结果见图10。 通过采用自动化装配工艺使得装配过程减少了人工操作的误差和带来的外部污染且定位精度高、一致性好。 在装配精度完全达标，一致性好的前提下，目前设计产能为每小时8 只，日后在系统各方面指到设计要求时，产能可优化至每小时10～15 只，装配合格率达到95%以上。

（a）夹持杆装配位置图

（b）螺旋线在三通口位置图

通过采用自动化装配工艺使得装配过程减少了人工操作的误差和带来的外部污染且定位精度高、一致性好。当有失误或缺陷发生时， 即时提供信号进行报警或制止过程，消除导致非正确动作的可能性和产生的机会，预设不合格元器件筛选剔除系统，减少人为操作影响或干预，充分考虑设备的防呆，把闭环理念贯穿在各个环节中，将设备的可靠性提至到设定高度， 将设备的出错概率降至最低， 增强作业过程的可操作性或顺序性， 确保产品品质，设计中充分考虑治具对零部件损伤的预防，将损伤零部件的可能性降至最低。

该自动化设备除了满足目前Ka 频段行波管装配外，只要改变相关治具即可向下扩展至Ku 波段、向上扩展至Q 频段的行波管装配， 能够覆盖目前低轨互联网卫星对空间行波管频段的要求，同时也可以覆盖毫米波5G 通讯所需行波管的频段需求。 自动化装配试验线将各相关分散工艺进行了集中和整合， 减少了各工序传递过程中产生的多余物、同时节约了工时、对操作人员的技术水平要求也有所降低，人员得到了优化整合。该自动化装配设备实现了由传统手工装配工艺向精密自动化装配工艺的升级，将智能化制造的理念引入传统行波管行业，对行波管行业未来智能化制造提供了平台保障。

行波管的研制方向是朝着更高频段发展， 慢波高频结构的尺寸会越来越小，精度越来越高，装配的难度也越来越大，手工装配将无法实现，只能通过以超高精度治具为基础的自动化微组装、微装配工艺来实现。因此本自动化装配设备为高频段行波管的应用奠定了制备工艺基础。 自动化装配设备提高了装配的精度、一致性，成品率和产能大大提高，大幅缩短生产周期和能耗，从而大幅降低成本和价格，从而在与固态器件的竞争中，具备了更大的优势。

3 测试结果

对装配好的高频慢波组件进行测试， 分别进行了驻波特性测试和电子流通率测试， 测试过程见图11 和图12。 测试结果表明驻波比在1.10～1.24 之间，与设计值相吻合。 对电子流通率进行了与之前手工装配的高频组件进行了对比，流通率提高到了99.2%，对于行波管后续整管测试性能的提升给与了保证。

图11 驻波测试曲线

图12 自动化与人工装配电子流通率比较

4 结论

通过对Ka100W 空间行波管高频系统自动化装配技术的研究，结果表明，自动化装配方案突破了高频慢波系统装配的技术难点，提高了螺旋线组件轴向定位精度，提高了夹持杆角向定位精度， 提高了高频组件和复合管壳的对中精度，提高了电子流通率，提高了互作用效率，对提高输出功率方面有很大的益处。 由于自动化装配设备的引入， 将提高行波管生产的一致性， 提高成品率和产能，大幅缩短生产周期和降低能耗，从而大幅降低制造成本和价格，为低轨卫星星座的部署提供支持。