國外空間行波管放大器現狀與發展

2018-12-05 來源:真空電子作者:李卓成 我要評論(0) 字號:

空間行波管放大器發展歷程

空間行波管放大器于1962年首次應用。其行波管(TWT)由貝爾實驗室(Bell Lab) 制造并用于Telestar1衛星,頻率3.7GHz~4.2GHz,輸出功率2W,增益40dB,效率10%,相移50℃,質量1Kg,一個收集極。1973年由AEG公司制造了歐洲首個空間行波管放大器,技術指標有了很大的改善,頻率3.7GHz~4.2GHz,輸出功率13W,增益46dB,效率34%,相移50℃,質量640g,一個收集極。20世紀70年代中期,由于固態器件的迅速發展,要求功率較小的微波接力通信用的行波管逐漸被固態器件所替代。在衛星有效載荷中,小功率和低噪聲放大器已被固態放大器替代。

面對固態器件的迅猛發展,不少人認為行波管被固態器件所完全替代只是時間問題,而且一些國家也停止了對行波管的研究工作。經過一番曲折,人們認識到行波管的優勢在于高頻率、寬頻帶、大功率領域,這正是雷達、電子對抗、衛星通信的發展方向。因此,行波管在失去了一些陣地以后,在新的陣地上又重新迅速地發展起來,形成了一個龐大的行波管家族。最近幾年,行波管在世界范圍受到重視,各國進行了大量的研究工作,發展異常迅速。空間行波管放大器的功率水平、效率、壽命、體積、重量、波段覆蓋范圍得到不斷地更新。

1、空間行波管放大器的特點

a. 空間行波管放大器在真空狀態下工作

空間行波管放大器工作在真空環境下,在這種條件下,放大器可能會產生低氣壓放電效應。行波管電源本身工作在高壓狀態,應防止微放電或電暈放電情況的發生。

b. 空間行波管放大器高可靠、長壽命

空間行波管放大器具有不可維修性,所以對其可靠性要求很高,對于通信衛星用放大器,壽命要求長達15年。

c. 空間行波管放大器效率高

由于空間電源容量的限制,星載電子設備的耗能和效率是一個倍受關注的指標。星上能量的80%~90%要用于行波管放大器。對于通信衛星來說,一個星上可能需要多達幾十個行放,因此效率提高幾個百分點對整星功耗的減少也是相當可觀的。

d. 空間行波管放大器體積小、重量輕

星載設備對體積和重量有嚴格的要求。一般來說,有效載荷質量減小1kg,運載火箭的起飛質量可減小1~2噸。因此,在設計空間行波管放大器時要千方百計地減小體積和重量。

e. 空間行波管放大器抗輻照特性

空間行波管放大器工作在具有各種輻射的空間環境中。在天然空間輻射環境中,行波管放大器往往因經受空間輻射而導致性能降低或失效,甚至最終造成空間飛行器災難性后果。因此,它必需有抗各種空間輻射的能力。

f. 空間行波管放大器優秀的力學性能

空間行波管放大器要有很強的抗抗沖擊、耐振動性能,以便能夠忍受衛星發射的惡劣環境。

g. 空間行波管放大器具有遙控遙測功能

空間行波管放大器能夠在地面實現遙控開、關機,可以通過在地面遙測放大器的有關技術參數(如開、關機狀態、螺流、陽壓、故障狀態)來判斷放大器的工作狀態。

h. 空間行波管放大器技術指標要求高

空間行波管放大器通常主要指標要求為: 帶寬500MHz,增益平坦度≤0.5dB,增益斜率0.01dBpp/MHz,AM/PM≤4.5°/dB,三階交調≤-23 dB,噪聲系數<33 dB。效率優于45%,諧波抑制特性≤-20 dBc,EPC雜波抑制:≤-60 dBc。

2、空間行波管放大器產品現狀

國外空間行波管(放大器)的制造商有美國L-3、德國的TESAT、法國的Thales、俄羅斯的ALMAZ和日本的NEC。當前空間行波管放大器主要由空間行波管制造商完成集成,還有一些空間有效載荷制造商采購TWT與自己制造的EPC或第三方的EPC集成為TWTA。目前國外空間TWT/EPC產品的主要性能如表1~6所示。

TESAT在研制空間行波管放大器方面已有40年的歷史,2001 年以前已給不同國家的94 個空間工程提供了TWTA,占全球市場的45%。它的產品覆蓋了V頻段以下的所有頻段,功率范圍10W~450W,其中Ku波段占據94個項目的70%。表7介紹了TESAT典型的Ku波段TWTA產品的主要技術指標。

表1、L-3 公司的空間TWT產品參數

表2、Thales空間TWT產品參數

表3、俄羅斯ALMAZ公司空間TWT產品參數

表4、日本NEC公司空間TWT主要產品參數

表5、美國L-3 空間TWTA鑒定件的EPC產品參數

表6、Thales空間EPC產品典型參數

表7、TESAT公司的典型空間TWTA產品技術參數

3、空間行波管放大器的研發現狀

3.1 空間行波管研制

L-3公司開發了一種型號為999HA空間鑒定件行波管,它用于外層空間到地球的數據或視頻信號傳輸。該型號共生產了3個樣品,其主要指標測試結果: 中心頻率31.8GHz~32.3 GHz,輸出功率180W~252W,空間鑒定條件長壽命工作功率200W,總效率62%(252W),增益55dB,質量1600g,體積36.6×8.9×7.1cm3,工作壽命/任務壽命為7/20年。效率最高的空間行波管是L-3 的Ku波段行波管,型號為88125H,輸出功率130W,增益51dB,效率73%。L-3 公司已經成功研發出工作在Q波段的8925HP通信行波管,頻率范圍43.5GHz~45.5GHz(軍事應用),輸出功率230W。

法國Thales公司正在開發一種型號為TH4816的Ka波段170W空間應用行波管,它可用于如高清晰度電視廣播(HDTV)以實現高數據率。Thales在鑒定狀態下對7支管子進行了測量,結果為: 頻率范圍17.3GHz~21.2GHz,輸出功率≥170W,總效率≥63%,增益51.4dB~56.3 dB,相移45°,重量1200g。

俄羅斯ALMAZ公司研制了一種C波段螺旋線行波管,它采用5級降壓收集極,計算和實驗測量結果為: 飽和效率為63%,電子效率為41.5%。

3.2 空間行波管線性化通道技術

線性化通道放大器(LCAMP)是微波功率模塊的一個重要組成部分。它可以有效改善放大器的交調失真、AM/PM變換、諧波抑制等重要技術參數。在在軌功率可調TWTA中,可調增益LCAMP 也是不可缺少的一部分。線性化技術主要可分為輸入功率回退(IBO) 、負反饋、前饋和預失真等幾種方法。預失真技術原理簡單、易于實現、頻帶寬、成本低、質量輕,所以適用于空間放大器線性化應用,也是目前研究、分析、設計使用率最高的線性化方法。

法國Thales公司研究人員提出了一種新型空間應用的寬帶預失真線性化器。它除了典型的增益擴展和相移大小控制以外,還具有曲線形狀調節能力和寬頻帶特性(1.8GHz 帶寬,頻率范圍10.95 GHz~12.75GHz) 。它是在典型的肖特基二極管預失真結構基礎上增加了一個形狀調節控制器,通過不同的命令設置實現不同的補償特性的調節。常規的預失真線性化器電路沒有形狀調節能力,只有線性化擴展幅度控制能力。沒有形狀調節的結果是增益和相位的補償需在飽和功率和退回功率之間折中考慮,也就是說需在退回功率時有限的過補償和在飽和功率是最小的剩余壓縮之間綜合考慮。形狀可調預失真線性化器與典型的二極管預失真線性化器相比,性能具有很大的改善: IBO為-6dB,頻率11.7GHz 時,三節交調(C/IM3)改善20dB,噪聲功率比(NPR) 改善7dB。這種先進的線性化器已經應用于Thales空間線性化行波管放大器中。

美國線性化技術公司( Linear Technology Inc.)從事于不同類型線性化通道放大器的研制。其中基于微控制器的空間應用的預失真線性化通行波管放大器Ku-2050LCAMP的主要技術指標為:工作頻率范圍10.7GHz~12.75GHz,飽和靜態相移±5°,飽和AM/PM 變換<2°/dB,C/3I M>25dBc (IBO為-3dB),NPR>17dB(IBO為-3.5dB),質量400g。

3.3 空間TWTA功率合成技術

從外層行星或月球附近軌道運行的空間飛行器發射的通信信號傳到地球表面天線需要傳播很大的距離。此外,由于距太陽距離的增加,在飛行器表面可用于轉換為電能的太陽能減少,因此,需要開發高效率和高功率的功率放大器。要實現超大功率的空間行波管放大器,若用單一的TWT便遇到技術上的挑戰,運用功率合成技術是解決這一問題的有效途徑。

NASA Glenn研究中心提出了一種新穎的功率和成器架構。這種基于混合魔T的功率合成技術可以實現輸出1kW級的功率能力。該中心已經成功地演示了這種功率合成器。它用兩個100W的TWTA,中心頻率32.05GHz,帶寬500MHz,合成效率可達90%。根據這個測量結果,預計8個100W(TWT型號999H)的TWTA可實現效率73%,如果用4個200W的( 999HA)可實現效率81%。

3.4 空間探測行波管放大器研制

L-3 研制了一種新型的K波段行波管放大器。該放大器的技術指標實測為: 中心頻率25. 5GHz~25.8GHz,輸出功率42.17W,相移30°,增益49.25dB,AM/PM 變換3.5°/dB, 效率45%(其中,TWT效率為55.2%),噪聲系數29.97dB,二次諧波23.5dB。該放大器共研制三套,第一套用于月球探測飛行器,第二套作為模樣用于機械沖擊和震動試驗以評估其特性裕量,第三套用于NASA國際空間站。

美國Calabazas Creek研究所和Wisconisin大學正在開發一種運用三維微加工技術的650GHz的行波管放大器。開發的重點在于新型平面互作用電路,長壽命、高電流密度電子槍,高效、小型、輕量的電源。微加工的批量特點保證了增加元件產量、可靠性和降低成本的可重復性。這種太赫茲放大器可用于衛星高空大氣成像和探測和對流層以上高空俯視探測。該放大器的技術參數為: 中心頻率650GHz,輸出功率360mW,工作電壓12kV,工作電流12mA。有關的測試工作還在進行中。

3.5 在軌功率可調行波管放大器研制

在軌功率可調放大器的必要性: 其一,目前空間行波管放大器輸出功率范圍為10W~250W,在許多情況下,用戶不能預先選精確知道需要多大的輸出功率。如果功率可調,行波管制造商能夠在較短的時間內向用戶提供可以在不同功率下應用,且效率可以保持在較高水平的產品; 其二,衛星中安裝行波管放大器的位置不能預先確定,因之傳輸功率的波導長度也不能確定,所以波導損耗不能確定。如果在保持高效率情況下輸出功率可調,將使整個系統實現優化設計,縮短調試時間; 其三,行波管放大器在軌功率可調,可通過地面遙控改變功率大小來適應空間業務的變化,補償雨天帶來的短時間的信號衰減,優化放大器的冗余設計以及重新構建衛星任務等。

功率可變TWTA的特征是它在不同功率電平下以飽和狀態下工作,以獲得穩定的射頻功率輸出且對輸入功率的不敏感性,放大器的效率保持在較高的水平。在軌可調TWTA的技術要由TWT和EPC共同實現。飽和輸出功率通過調節TWT 的陰極電流實現,當陰極電流減小50%時輸出功率可減少4dB,減少陰極電流需通過減少陽極電壓1500V~2000V來實現,這就要求功率調節器的陽極穩壓器具有很寬的穩定范圍,同時還需考慮放大器在開通過程中和在任何功率電平的功率穩定性。陰極電流的減少也會導致TWT增益的減少,為了保持射頻輸入功率不變,TWT前端的LCAMP的增益也需要相應地增加。

TESAT開發了一種MPM,它的飽和功率可通過在軌功率調節器(IOA)的64個狀態設置實現對輸出功率小步長(1W/每步)的精確控制。測試結果表明: 用一個最大飽和功率為120W的TWT,分別通過IBO和IOA模式實現90W和70W的功率輸出,結果是IOA 模式比IBO 模式功率損耗減少16W(90W輸出)和25W(70W輸出) 。

L-3 公司也進行了在軌可調飽和輸出功率TWTA 的設計和實驗。它采用型號為9100H的Ka波段行波管,EPC設計滿足陽極電壓減小范圍為0V~1800V。當輸出功率從134W 變化到50W變化時,TWTA的效率變化為(64%~57%) ,效率變化僅7個百分點。如果用簡單的驅動功率退回的方法來改變飽和輸出功率,要滿足相同的功率變化,則效率減少27個百分點。TWT 的輸入驅動必須滿足17dB的變化范圍(每1dB的輸出變化需要4dB的輸入調節),這個變化可容易地通過LCAMP實現。

Thales報告了由ESA支持開發的Ku波段功率可變MPM的研制狀況。該模塊由三部分組成:可變輸出TWT、電壓可變EPC和增益可變LCAMP組成。陽極電壓由串行遙控命令(6bit64步) 陽極電壓變化范圍0V~-1770V的變化。其部分性能參數為: 射頻功率變化范圍160W~75W; 工作頻率11.75GHz~12.75GHz; 效率(160W)為EPC+ LCAMP>92%,TWT =71%,效率(75W)為EPC+LCAMP>89%,TWT≥65%。

4、空間行波管放大器發展趨勢

4.1 空間行波管放大器效率進一步提高

空間行波管放大器效率提高包括兩方面: 提高行波管效率和電源效率。就C波段而言,行波管的效率從1962年的10%提高到1973年的34%,再增加到2002年的70%。

一種通過優化行波管螺旋節距分布以獲得最大理論總效率的方案。它運用通用算法以實現三效(總效率、收集極效率和電子效率)優化為目的集成三維電子束互作用仿真器,運用這個技術設計了一種Ku波段螺旋TWT,理論上可最大總效率可達77%。隨著行波管大信號理論的完善和計算機仿真技術的發展,如果更好的三維收集極編碼和可能參數化的電極結構和磁場變化用于改進收集極效率,不久實現75%,未來達到77% 甚至80% 的總效率是有可能的。

目前空間行波管電源效率普遍優于90%,有些產品已達到95%。單級EPC的效率已達到98%,未來幾年有望實現97%。進一步提高效率仍然是未來空間電源的研發挑戰。

4.2 空間行波管的壽命進一步延長

空間行波管放大器壽命主要取決于行波管,而行波管的壽命以陰極壽命為基礎,所以對陰極材料、構造和工藝的研制是提高行波管壽命的主要途徑。

美國Calabazas Creek Research公司正在開發一種高電流密度、長壽命陰極,它使用燒結鎢導線技術,在電流密度為50A/cm2條件下做壽命試驗,計算壽命為3.2萬小時。日本NEC對M411(Qs/Ru)陰極在不同條件下進行了大量的壽命試驗,累計達到7513400小時,從而得出M411陰極壽命可達20萬小時(約23年) 。雖然試驗結果與實際壽命會存在差異,但這預示著行波管的壽命將進一步延長。

4.3 工作頻率向更高波段發展

4.3.1 Ka波段TWTA發展前景廣闊

由于Ku波段的應用已經非常擁擠,而Ka波段具有更大的帶寬和數據處理容量以及窄的點波束地面覆蓋,因此許多計劃中的寬帶衛星通信系統基本采用Ka波段。近年來衛星通信應用Ka波段的情況越來越多,表現出衛星通信新的發展趨勢。著名的國際太空咨詢機構Euroconsult指出:2018年,Ka波段需求將占衛星容量總需求的14%,主要采用Ku和C波段的軍事衛星通信也將被推向Ka波段。在通信衛星中采用Ka波段,可以獲得較寬的工作頻帶,增加通信容量,同時還可以實現較窄的波束,從而獲得高的EIRP值,減小地面終端天線的尺寸。當然,采用Ka或更高頻段必須解決雨衰自適應補償的技術問題。高清晰度電視廣播、多媒體通信等市場需求將促進Ka波段TWTA的發展。

4.3.2 Q-V波段TWTA發展

多媒體衛星要求建立全球系統的星間鏈路用于數據傳輸,星間鏈路工作在V波段可能是需要的,這就促進了TWTA向這個頻段發展。建立在通信行波管技術基礎上的更高頻率空間行波管放大器將成為新一輪研究熱點。

4.3.3 THz技術的發展

太赫茲波(THz) 指頻率在300GHz~3000GHz范圍的電磁波。太赫茲用于通信可以獲得10Gbit/S的傳輸速率,特別是衛星通信,由于在外層空間,不考慮水分的影響,這就使得太赫茲通信可以以極高的帶寬進行高保密衛星通信。隨著微加工技術的發展,使得高精的行波管部件如慢波線加工得以實現,在外層空間探測中將顯示出它的優越性。

4.4 空間行波管放大器向大功率方向發展

大功率空間行波管放大器基于三個方面的需求:一是隨著衛星直播業務的發展,為了使直到家庭的用戶使用更小口徑的天線,需要進一步增加衛星的輻射功率; 二是隨著人類探索外層空間的距離日趨遙遠,高容量通信將是這種超遠距離星球探索的挑戰;三是,空間電子戰要求高功率。為了實現外層空間任務所需要的1Gbps的傳輸速率,探測器的功率需要在1kW~10kW范圍,預計到2020年,空間通信行波管功率在300W~500W( 螺旋線) 或1kW~5kW( 耦合腔)。

4.5 可變化空間行波管放大器發展

在未來幾年,由于視頻和多媒體容量要求的增加,衛星寬帶交互式和廣播服務將有大的增長,涉及的技術挑戰可概括為: 通信流量正在以非常不均勻方式發展,當前的有效載荷適用于低效的或固定方式的應用,因此需要一個可變化的且高效的載荷;Ka波段可支持交互式和廣播服務,從經濟上需要開發可變的多任務衛星; Ka波段存在嚴重的雨衰,因此對于多雨地區,需要有一個性價比合適的寬帶解決方法。由于由小波束組成的多波束有效載荷可以增加流量和數據率,但是如果對每個波束進行帶寬/功率的均勻分配,就會發現在熱點地區的能力不足和冷點地區的浪費,因此需要先進技術對不同波束靈活地分配功率和帶寬。

支持對不同波束進行功率和帶寬分配的關鍵技術是可變化行波管放大器、多端口放大器和混合放大器。可變化行波管放大器與自適應編碼調制技術相接合,在非平均流量分配情況下,可實現20-30%服務流量的增加,并且在相同服務流量的情況下減少100%以上的功率,功率的顯著減少可以實現同一平臺兩個任務共享,同時減少把一個衛星用于新任務的相關風險。一個基于靈活載荷任務能夠為以后新的任務打開新的市場,可變化行波管放大器將會在多任務應用中找到用武之地。

5、結束語

空間行波管放大器是衛星有效載荷的關鍵部件,發達國家已經有40多年的研發和制造歷史,其產品已經形成系列且長期在軌運行,可靠性和壽命已經得到充分驗證。已經得到充分驗證。近十幾年來,一些發展中國家(如印度) 也在積極地進行空間行波管放大器的開發并取得一定的成果。空間行波管放大器將不斷地向更寬頻帶、高功率、高效率、高線性、小體積輕重量、高可靠和更長壽命的目標發展。

本文作者為中國空間技術研究院西安分院李卓成研究員。

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