应用于高功率微波的速调管和正交场器件

黎深根, 储开荣, 李冬凤, 冯进军

(中国电子科技集团公司 第十二研究所,北京 100015)

真空电子器件是指电子在真空环境中与电磁波相互作用,将能量交于电磁波的器件,具有功率大、效率高及电压高等特点。单体真空器件的功率大、效率高,可有效减小系统的体积、重量、功耗和热耗,适用于舰载、地面、机载、弹载、星载及无人机等平台;在高低温条件下的功率波动和相位波动微小,机载应用时功率/相位精确可控;具有耐高温和低温漂的特点,对系统的环境适应性能力强;一般采用金属陶瓷结构,天生具有抗电磁及抗核辐射的特点。

真空电子器件中根据各类器件优缺点的不同,使用场合也不同。微波武器主要利用高功率微波源产生微波,实现对目标的有效杀伤。高功率微波源主要分为相对论器件和非相对论器件。其中,在相对论微波源方面,西北核技术研究所、国防科技大学、中国工程物理研究院电子所及电子科技大学等单位研究较多,涉及相对论返波管、相对论磁控管、相对论速调管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器及渡越管等。非相对论微波源指工作电压较低、相对论效应可忽略的微波源,主要包括行波管、速调管、磁控管、前向波放大管及回旋管等几大类。本文主要讨论非相对论微波源。

行波管是现代电子战中最重要的微波管之一,带宽最宽可达几个倍频程;效率一般为20%～40%,其中,空间行波管效率可高达70%;功率一般为50～500 W,耦合腔行波管可达60～100 kW;行波管技术发展方向主要是拓展频带、提高效率与可靠性及模块化[1-2]。

速调管的显著特点是大功率和高效率,功率覆盖500 W～50 MW,主要包括单注速调管和多注速调管。速调管技术发展方向是增加带宽、提高功率与效率及小型化[3]。

磁控管是一种正交场振荡器,具有体积小、重量轻、效率高及脉冲功率高的优点,效率一般为40%～60%,最高可达90%,广泛应用于加热、弹载导引头和机载气象雷达等领域,磁控管的技术发展方向是提高功率和效率、小型化和阵列化。

前向波放大管是一种正交场放大器,具有电压低、带宽宽及冷启动等特点,广泛应用于制导和精密跟踪警戒雷达,目前,国内使用量较少,但由于其冷启动、宽频带及透明通过特性,有望在下一代探测干扰一体化系统中得到应用[4-5]。

回旋管包括回旋振荡管和回旋放大管,优点是在毫米及以上波段可实现高功率输出,输出功率为100 kW～1 MW,工作带宽宽,在空间碎片探测、毫米波雷达、深空探测及电子战方面有着十分重要的应用前景[6-9]。

速调管和正交场器件在输出功率方面有独特的优势,是高功率微波武器优选功率器件。本文简要介绍了速调管和正交场器件在国外高功率微波武器系统方面的应用情况,并从关键技术、技术指标、研究现状及应用场合等方面,详细讨论了6种用于高功率微波系统的潜在高功率器件。

1 国外应用情况

高功率真空电子器件广泛应用于航天测控、空间安全、深空探测、空间通信和微波武器等领域。速调管具有高功率、高增益、高效率及高稳定性等优点,平均功率可达兆瓦量级,高峰值功率速调管脉冲功率可达到200 MW。正交场器件主要包括磁控管和前向波放大管2类,具有脉冲功率高、电压低、效率高、体积小及功质比高等优点,功质比一般为100～300 kW·kg-1,甚至更高。速调管和正交场器件在功质比方面有突出的性能,是微波武器功率源的最佳选择之一。国外多款正在研制和已经试验成功的大功率和高功率微波武器均采用速调管和正交场器件作为微波功率源。

2015年,俄罗斯正式展示Krasukha系列电子战武器,该系列武器由俄罗斯无线电电子技术公司(KRET)研制,包括Krasukha-2和Krasukha-4系统2个型号。Krasukha-2系统是一款集成度很高的车载高功率微波干扰系统,采用高功率速调管作为微波源,可在上百千米外对预警机实施干扰,尤其针对美国E-3预警机和其他使用S波段的系统[10]。2016年7月,美国陆军实验室和雷神公司研发出一款车载可移动式高功率微波武器—“相位器”(Phaser)系统,目标是拦截小型无人机,该系统采用高功率磁控管作为微波源,磁控管由美国波音公司研制[11]。2009～2016年,美国空军实验室、波音公司和雷神公司研制出一个紧凑型高功率微波有效载荷和空中飞行平台,即先进反电子高功率微波导弹项目(CHAMP),采用的微波源是相对论磁控管,脉冲功率为0.8～1.2 GW,功质比为9.4×103～1.4×104kW·kg-1[12]。美国“宙斯盾”武器系统中大量使用行波管和前向波放大管的雷达发射放大链,雷达高功率干扰攻击功能对目标军舰电子系统产生影响,主要是高功率前向波放大管空间合成和集中照射的效果。“宙斯盾”系统中大量使用S波段前向波放大管作为末级功放,每套系统中前向波放大管数量为32～67不等,输出功率为125 kW～1 MW。[13-14]

针对国内高功率微波武器对速调管和正交场器件的需求,本文重点介绍中国电子科技集团公司第十二研究所在高功率速调管和正交场器件方向的研究现状、发展趋势、未来应用情况及未来技术发展存在的技术瓶颈。

2 速调管

2.1 小型化多注速调管

微波武器长期受制于小型化和高功率微波源等技术,便携性不能满足装备要求。为降低速调管的体积和重量,一般采用多注方式以降低工作电压,缩短速调管的长度。采用10 MW量级小型化多注速调管,通过脉冲压缩技术可将输出功率提升4～7倍,输出微波功率可达几十至百兆瓦,经过高增益天线聚束后,可在几千米范围内干扰和摧毁来袭目标。采用这种方式降低了工作电压和系统的体积和重量,提高了系统的稳定性,可工作在车载、舰载等移动平台。但多注方式使阴极电流成反比例增大,在圆柱腔、矩形腔中多电子注的排布受限,采用同轴腔可扩展电子注数。

图1和图2分别为本单位自研的P波段6 MW速调管和L波段20 MW速调管。二者均采用多注同轴腔的技术路线。

图1 P波段6 MW多注速调管Fig.1 P-band 6 MW multiple-beam klystron

图2 L波段20 MW多注速调管Fig.2 L-band 20 MW multiple-beam klystron

20世纪60年代,本单位研制的P波段1.2 MW速调管高达5 m,而新研制的P波段6 MW速调管总高度小于1.2 m。除了降低电压带来的优势,互作用电路的技术路线选择也是关键。通过腔体群聚排列收集[15](bunch align collection, BAC)方法结合CSM法优化群聚的方式,加速电子相位的会聚,提高基波电流调制深度,经过动态调谐优化后,实测的速调管互作用效率高达68.7%。

L波段20 MW速调管采用参差调谐方式实现带宽为60 MHz。在保证60 MHz带宽的前提下,综合考虑效率和增益均衡性,采用了10个同轴腔,腔体频率的分布朝带边甚至带外倾斜;同时为了提高速调管效率,又采用了长漂移段。最终实现高频部分为1.1 m,整管高度为1.9 m,在60 MHz范围内输出功率达20 MW的目标,互作用效率为50%。

在P波段和L波段速调管关键技术基础上,已成功研制出S波段8 MW多注速调管和C,X波段3 MW多注速调管。下一步计划降低L波段20 MW多注速调管的体积和重量,并研发L,S,C波段10 MW多注速调管及X波段6 MW多注速调管等多种小型化高功率多注速调管。所研发的多注速调管阴极电压可控制在50～85 kV,高度均不超过1.1 m,采用永磁聚焦方式,含聚焦磁场在内总重量为50～300 kg,为高功率微波武器系统提供高功率相位可控的微波源。

2.2 阵列式速调管

对于微波功率需达到吉瓦量级的移动式微波波束武器,传统速调管单个功率难以达到,能够达到要求的相对论器件电压高、不便移动及稳定性差,另外,吉瓦量级微波功率的传输也是难题。采用阵列式速调管有源相控阵可有效解决这些技术问题,例如,单个阵列式速调管峰值功率达1～5 MW,将200～1 000个阵列式速调管空间合成后,功率可达1 GW。通过对每个微波源相位的控制,可实现微波波束的电扫描,甚至可将微波波束分为多股,进行独立的扫描、跟踪、干扰和击毁。

有源相控阵要求功率源的横向尺寸越小越好,最好不超过空间波长的1.5倍。通过对阵列式聚焦磁场技术、小型化高流通率电子枪技术、小型化输能系统技术等关键技术的攻关,本单位已经开发了X波段0.6 MW阵列式速调管和S,C波段5 MW阵列式速调管,如图3所示。图3中,C,S波段速调管横向尺寸分别为140 mm×182 mm和165 mm×208 mm,与以往的速调管产品相比,新产品的横向尺寸降低到原来的1/3,功率密度提高约10倍;X波段速调管横向尺寸为40 mm×40 mm,满足电扫描条件。

图3 X,C,S波段阵列式速调管Fig.3 Photo of X/C/S-band klystron for array system

上述产品的研制主要得益于聚焦系统尺寸和重量的大幅度减小。为减小横向尺寸,摒弃电磁聚焦系统,使用常规设计的永磁聚焦系统,将横向尺寸减小,纵向尺寸增加;为避免永磁体内侧边缘的磁力线渗透进管体,导致旁轴区域横向磁场激增影响流通率,同时避免永磁体外侧的磁力线干扰相邻的速调管聚焦磁场,将永磁体内外均附软铁材料将磁力线导进极靴,同时也增强了磁场,永磁体的横向厚度又可进一步减薄。以C波段5 MW速调管为例,常规设计的永磁聚焦系统外径为280 mm,质量为11 kg,而新设计的阵列式永磁聚焦系统外径小于90 mm,质量仅为4 kg[16]。

阵列式速调管下一步的发展方向有2方面:一是提高器件的峰值功率以减小系统器件数目,并向高频段拓展,如S波段的峰值功率提升到8～10 MW,X波段的峰值功率提升到1 MW,并开发Ku波段0.6 MW和K波段0.4 MW阵列式速调管产品;二是进一步优化设计,减小速调管体积和重量,提高效率和功率密度,如将C波段2.5 MW速调管的横向尺寸缩小到75 mm以内。

2.3 高峰值功率速调管

高峰值功率速调管输出功率达几十兆瓦至200 MW,脉冲宽度为1～10 μs,经1～2级能量倍增器后,输出功率可提高到吉瓦量级,脉冲宽度可压缩至约100 ns,可摧毁反辐射导弹、无人机、干扰预警机及电子对抗飞机等空中目标。这类器件工作电压高达几百千伏,微波传输链路需抽真空提高耐功率水平,预热时间长达1 h,适用于地面固定式微波武器的功率源。2020年,本单位已成功研制出X波段50 MW速调管[17],之后又相继研制出L波段25 MW速调管、S波段50 MW速调管、C波段20 MW速调管和X波段10 MW速调管,形成谱系齐全的货架产品,L,S,C,X波段高峰值功率速调管如图4所示。

(a) L-band

(b) S-band

(c) C-band

(d) X-band图4 L,S,C,X波段高峰值功率速调管Fig.4 L,S,C,X band high-peak power klystron

高能粒子加速器也是高峰值功率速调管的主要应用领域,加速器对功率源击穿概率的要求是小于百万分之一,功率波动允许范围为10-3量级,对速调管的稳定性要求极高。因此,高峰值功率速调管对流通率的要求为99%量级,一般采用单注、电磁聚焦和电子枪区部分浸没流的技术路线。对于L,S波段50 MW速调管,采用单窗输出可实现传输,输出电路采用常规的单间隙谐振腔即可。对于C,X波段50 MW速调管和S波段200 MW速调管,采用单窗输出被微波击穿的概率大幅增加,一般采用双窗输出,再进行功率合成,X波段需采用圆波导TE01模式输出[18],输出电路采用多间隙谐振腔,由于耦合缝在高功率下易击穿,一般采用电耦合的盘荷波导结构[19]。

3 正交场器件

3.1 阵列式磁控管

毫米波及以上频段高功率微波源种类单一,限制了毫米波高功率微波的应用,毫米波高功率微波武器应用场合要求微波源具有结构紧凑、输出功率大、相位稳定性好及成本低等特点,阵列式输出的磁控管是一种具备这些特点的微波源,尤其是在毫米波及以上可实现高功率合成输出[20-22]。

图5为本单位与电子科技大学联合研制的毫米波阵列式磁控管示意图。由图5可见,两个毫米波磁控管的耦合端口通过耦合桥相互耦合,实现相位和频率的锁定。

图6为毫米波阵列式磁控管主输出端口1和2之间微波信号相位和频率的仿真结果。由图6可见:与主输出端口2相比,端口1 的时间延迟为2.85 ps,相位相差约35°,相位差稳定;两端口的频谱曲线重合,频率完全相同。

图5 阵列式磁控管示意图Fig.5 Schematic diagram of magnetron for array application

(a) Phase

(b) Frequency图6 毫米波阵列式磁控管主输出端口1和2之间微波信号相位及频率的仿真结果Fig.6 Simulation results of microwave signal phase and spectrum of RF for millimeter wave array magnetrons

按照上述结构进行双端口制管试验并测试,阵列磁控管测试系统如图7所示。图7中,磁控管1和磁控管2通过耦合桥相连,采用矢量网络分析仪测试主输出相位特性曲线。测试结果表明:主路1和主路2频率相同,相位差为20°～30°,相位相干性与图6的仿真结果一致。

图7 阵列磁控管测试系统Fig.7 Testing system of magnetron for array application

3.2 高功率磁控管

中国电子科技集团公司第十二研究所一直从事高功率磁控管的研制和生产工作,所生产高功率磁控管的频段覆盖了L～X波段,脉冲输出功率为1～10 MW,具有功率高、电压低、效率高及体积小的优点。对于L波段的高功率磁控管,采用掺杂氧化物阴极实现大电流密度发射,采用多缝隙耦合实现高功率输出,不断提升高功率磁控管的脉冲功率和小型化水平,输出功率从1 MW提升到10 MW,功质比从60 kW·kg-1提升到280 kW·kg-1。

L波段3 MW脉冲磁控管如图8所示。在工作比为0.1%的条件下,当脉冲高压为45 kV,脉冲电流为140 A时,输出功率为3 MW,效率为47.5%。L波段5 MW磁控管如图9所示。在工作比为0.05%条件下,当脉冲高压为47.5 kV,脉冲电流为240 A时,输出功率为5.6 MW,效率为49.0%。

图8 L波段3 MW脉冲磁控管Fig.8 L-band 3 MW pulse magnetron

图9 L波段5 MW脉冲磁控管Fig.9 L-band 5 MW pulse magnetron

在L波段5 MW磁控管的技术基础上,采用双缝隙耦合输出技术提高能量耦合效率,采用双扼流环抑制阴极端口功率泄漏,在工作比为0.01%条件下,当脉冲高压为60 kV,脉冲电流为330 A时,输出功率达10.6 MW,效率高达53.5%。L波段20 MW磁控管在工作电压为100 kV,脉冲电流为500 A时,输出功率为21.78 MW,效率约为43.0%,图10和图11分别为L波段20 MW磁控管输出射频信号微波和电子相位空间图。

图10 L波段20 MW磁控管输出射频信号Fig.10 RF signal of L-band 20 MW magnetron

图11 L波段20 MW磁控管电子相位空间图Fig.11 Electron phase of L-band 20 MW magnetron

3.3 前向波放大管

前向波放大管具有冷阴极启动、低电压和相位稳定性好的技术优点,应用于美国的“宙斯盾”雷达系统,装备在提康德罗加级巡洋舰、阿里伯克级驱逐舰及E-3C预警飞机上,在国际上处于领先水平[23-25]。

近年来,本单位突破了宽频带高效率互作用技术、低电压冷阴极启动技术和小型化技术,成功研制了C波段低电压小型化前向波放大管,如图12所示。当工作电压为8.5 kV,激励功率为1.0 kW时,脉冲输出功率为25 kW,效率为42%,增益为13 dB,实现了前向波放大管冷阴极启动,该管质量仅为8.5 kg,是一种适合功率合成的小型化高效率微波源。同时,它具有透明通过特性,不工作时,损耗低于2.5 dB,特别适应于探测、干扰一体化雷达系统。

图12 C波段低电压前向波放大管Fig.12 C-band low-voltage crossed-field amplifier

4 总结

速调管和正交场器件是高功率微波领域应用最多且未来应用前景最广的两类器件。小型化速调管的体积小、重量轻,适用于高移动性微波武器平台;阵列式速调管体积小,相位一致性好,可插拔使用,适用于多功能相控阵微波武器系统;高峰值功率速调管功率高,结合脉冲压缩技术,可达到相对论器件功率水平,彻底突破高功率微波武器可靠性技术瓶颈;阵列式磁控管是磁控管锁定的一个技术创新,这种注入启动技术将推动毫米波高功率合成应用;高功率磁控管的体积小、功率高,特别适用于小型化,移动灵活的高功率微波武器平台;前向波放大管具有冷阴极启动和透明通过特性,将充分发挥察打一体化系统的技术优势。