Ku波段高效率功率可調空間行波管研制

曹林林，肖 劉，尚新文，李延威，易紅霞，李 飛，王自成，李 實，李 寧，黃明光

(1.中國科學院空天信息創新研究院 北京海淀區100094；2.中國科學院大學電子電氣與通信工程學院 北京懷柔區101408)

空間行波管作為通信衛星使用量最大的單機，一般根據衛星通信系統的某一需求進行專項設計，并在運行過程中保持同一工作模式。隨著多媒體和高清晰度電視廣播對通信流量需求的迅猛增長，如果仍然采用由小波束組成的多波束有效載荷來增加流量和數據率，并且對每個波束進行帶寬和功率的均勻分配，就會出現在熱點地區能力不足和冷點地區浪費的問題[1]。功率可調空間行波管放大器與自適應編碼調制技術相接合，可以對不同波束靈活地分配功率和帶寬。功率可調行波管與普通行波管相比，其最大的特點是可以在不同功率電平下仍然工作在飽和狀態，且整管效率可以保持在較高的水平[2]。功率可調空間行波管作為一個可變且高效的載荷，能夠極大地提升衛星制造、調試和運營的靈活性[2-3]。

早在本世紀初，國外空間行波管制造廠商就開啟了功率可調行波管的研制工作。法國THALES公司在2003年研制出了輸出功率90～140 W可調的行波管[4]；2009年文獻[5]報道了應用于微波功率模塊的Ku波段功率可調行波管，實現了輸出功率75～150 W可調，輸出功率為75 W時的效率大于65%，最大相移小于55°；文獻[6]在2013年實現了雙管可調行波管放大器應用于衛星通信；2018年文獻[7]報道了Q波段空間行波管THL40040C的性能，其能夠在不同發射電流下實現輸出功率20～40 W可調；文獻[8]在此研究基礎上進一步提升性能，實現了在37.5～42.5 GHz工作頻帶內，輸出功率35～70 W功率可調，輸出功率為70 W時的效率大于50%；德國TESAT公司研制出了在軌功率可調微波功率模塊[9]；美國L-3公司的9100H型K波段空間行波管飽和輸出功率回退4 dB，行波管放大器效率僅下降7%[10]；9110HxR型空間行波管飽和輸出功率大于170 W，效率大于64%，輸出功率回退3 dB能夠在?20℃～86℃溫度區間內穩定工作[11]。與國外廠商相比，國內對功率可調空間行波管的研究相對滯后。2020年，中國電子科技集團公司第十二研究所報道了Ka波段功率可調空間行波管的設計研制工作，實現了在1 GHz工作帶寬內50～100 W功率可調，飽和效率大于61%，輸出功率回退3 dB時效率大于54%[12]。

高通量衛星平臺中空間行波管的用量大幅增加，行波管的功耗、熱耗是平臺設計的重要因素。Ku波段空間行波管作為廣播通信和數據傳輸衛星載荷的關鍵部件，根據應用需求不同調整功率量級，并提高功率回退效率，降低平臺熱負荷具有十分重要的工程應用價值[13-17]。本文以Ku波段150 W空間行波管為研究對象，對其開展功率可調、高效率的研究。

1 理論分析

行波管輸出功率調節可以通過兩種方式實現：1) 改變輸入功率；2)改變陰極發射電流。方式1)簡單易實現，但是行波管的效率下降明顯。與方式1)相比，方式2)不但可以使陰極電流密度降低，陰極壽命得到提升，而且行波管的熱耗會變小，有效地減小行波管的散熱壓力。

行波管的效率可以近似地表示為[18]：

由上式可知，行波管效率與上述參數有關，設計中優化提升各參數，使每個參數都達到最佳狀態，實現效率最大化。功率可調行波管由于陰極發射電流發生改變，工作狀態也會隨之變化。但是電流變化前后的整管結構保持不變，即電子槍、慢波結構、聚焦磁系統和收集極沒有變化。因此設計過程中需要重點考慮以下幾方面問題：首先，調節陽極電壓改變陰極發射總電流大小，電子注的注腰半徑和注腰位置也會隨之變化。行波管如何在不同陽極電壓下，保持高的電子流通率是實現行波管高效穩定工作的關鍵問題之一。其次，由于填充比減小，互作用能力下降，在高頻系統設計時除了考慮電子注的互作用效率外，還需要平衡功率回退前后的電子注性能。最后，由于功率回退后電子注互作用后分布狀態的不同，如何綜合考慮收集極的結構和電場分布也是設計的關鍵問題。

Ku波段輻冷型空間行波管主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標

根據行波管主要技術指標要求，合理規劃分配設計參數。開展研究不同陽極電壓下高性能電子注成型、傳輸設計；變電流的高效率互作用分布設計以及較大冗余范圍的高效率多級降壓收集極設計。

2 設計方案

2.1 電子槍

電子槍作為行波管的核心部件，主要功能是產生一個具有行波管所需尺寸和電流的電子束，使之與電磁場交換能量實現信號放大[19]。降低陽極電壓減小陰極發射電流，實現行波管輸出功率回退3 dB工作的同時，電子注的注半徑和注腰位置也會隨之變化。然而行波管的結構未發生變化，周期磁聚焦系統也不會因為陽極電壓的變化而發生變化。本設計采用雙陽極電子槍結構，合理設計電子槍的陰極、聚焦極、陽極以及離子阱的結構，使陰極發射電流變化前后的電子注半徑大小以及注腰位置能適配同一套磁聚焦系統，且電子注波動較小。

由于電子槍結構未變化，所以導流系數也不變。根據導流系數Pμ計算公式：

式中，I0為電子注電流，單位為A；Ua為陽極電壓，單位為V。根據高頻互作用仿真計算結果，輸出功率回退3 dB后所需的陰極發射電流與輸出功率回退前相比下降了約39%，即I回退后=I回退前×61%。由式(2)計算可得到輸出功率回退3dB時的陽極電壓U回退后≈U回退前×72%?；赝撕蟮年枠O電壓比回退前的陽極電壓降低了約28%。

電子槍過渡區磁場采用周期聚焦磁場，為了獲得較小的電子注波動，磁場第一個峰值的位置一般設在電子注注腰位置附近，因此在設計電子槍時要確保陰極發射電流變化前后的電子注注腰位置變化很小。由于磁系統未變，所以電流變化前后的布里淵磁感應強度Bb不改變，Bb(高斯)計算公式如下：

式中，I0為電子注電流；r0為電子注半徑，單位為cm；U0為電子注電壓。由于功率回退前后僅通過改變陽極電壓改變了電子注電流大小，而磁場和工作電壓未發生變化，所以根據式(3)可推導出：功率回退后的電子注注腰半徑減小約22%。

利用MTSS[20]對電子槍進行建模，分別針對電子槍的陰極、聚焦極、陽極以及離子阱的結構進行優化設計。電子槍在不同輸出功率狀態下的仿真結果如圖1和表2所示。由表2可以看出，陽極電壓Ua降低28%，陰極發射電流IK下降39%，電子注注腰半徑r減小24%，注腰位置L基本不變。

圖1 不同輸出功率狀態下的電子注軌跡仿真結果

表2 電子槍仿真結果

綜合考慮不同陽極電壓下的電子注狀態，優化設計電子槍過渡區磁場，使不同電壓下電子注都能滿足互作用要求。利用MTSS對加載過渡區磁場后的電子槍模型進行三維仿真計算，陰極發射電流變化前后的電子注包絡仿真結果如圖2所示?？梢钥闯?，陰極發射電流變化前后的電子注波動較小，滿足設計要求。

圖2 加載磁場后不同發射電流的電子注包絡仿真結果

2.2 慢波系統

空間行波管在具有大功率、高效率、高增益的同時，也須具備較高的線性度以滿足衛星系統的要求。陽極電壓變化會產生不同電流狀態的群聚過程，高頻互作用設計不僅要保證在不同電流狀態下的輸出功率、電子效率、增益以及相移等滿足技術指標要求，同時也須考慮互作用后到達收集極入口處的電子能量分布狀態，使收集極效率在功率回退前后依然保持很高的水平。

根據行波管的工作原理可知，電子注與波需要保持長期的同步，進行有效的正向能量交換，從而達到提高電子效率的目的。保持注?波同步的方法主要有兩種：1)使行波的相速逐漸變慢，也就是相速漸變；2)提高電子注電壓，促使電子注的速度增大，也稱為電壓跳變。本設計方案采用負漸變動態相速漸變螺距分布，對螺旋線的螺距跳變/漸變位置和幅度進行有目的的選擇，使得電子與電磁波充分互作用，在提高電子效率的同時，也改善了輸出功率與輸入功率之間的線性特性。歸一化螺距分布圖如圖3所示。

圖3 歸一化螺距分布圖

輸入段采用均勻螺距P1，實現一個群聚良好的電子注，建立一個增益不小于20 dB的增長波；在輸出段開始部分仍然采用均勻螺距，增大此段螺距P2可以對相位進行補償，但是增大到一定數值以后電子效率會急速下降，設計時需要均衡考慮電子效率和相位補償。輸出段后半段螺距P3、P4及P5漸變減小，相速降低保持注?波同步，使群聚電子能夠最大程度地將能量交給高頻場。螺距P5對收集極最大可回收效率有影響，設定螺距時需要均衡考慮電子效率和最大可回收效率，實現整管效率最大化。

當行波管輸入信號為Acos(wot)，則輸出信號為GAcos(wot+φ)，φ即信號放大后的相移：

式中， βe為電子速度為v的波的傳播常數， βe=w/v；L是行波管的長度；C為皮爾斯增益參量，C=(Kc I0/4U0)1/3；y為式(4)解方程的虛部。由于同步電壓Uo不變，改變陽極電壓調節陰極發射電流I0會導致皮爾斯增益參量C變化，從而導致相移也隨著陰極發射電流變化。為了抑制返波振蕩和反射振蕩，在輸入端設置兩段衰減器，通過調節衰減器長度和衰減量，確保行波管穩定工作[21]。利用MTSS螺旋線行波管模擬軟件對注波互作用結構進行模擬仿真，陰極發射電流變化前后仿真設計對比結果如圖4所示。

由圖4的仿真結果所示，在工作頻帶內行波管飽和輸出功率≥176.4 W，電子效率≥39.95%，增益≥61.33 dB；輸出功率回退3 dB時，電子效率≥30.82%，增益≥46.18 dB。

圖4 輸出功率、電子效率和增益仿真對比圖

Ku波段行波管在中心頻率點的相移與AM/PM仿真結果如圖5所示，仿真結果顯示輸出功率150W時的相移≤37.83°，輻相轉換系數≤3.72°/dB；輸出功率回退3 dB后的相移≤32.36°，輻相轉換系數≤2.77°/dB，設計冗余量滿足技術指標要求。

圖5 輸出功率回退前后中心頻點相移和幅相轉換系數仿真結果

根據收集極入口處的電子能量分布，采用四級降壓收集極結構，輸出功率150 W狀態下的收集極最大可回收效率為90.21%，功率回退后的收集極最大可回收效率為91.78%，回退前后收集極最大可回收效率相差不大，通過合理設計收集極電極結構和電位分布，可以獲得較高的回收效率。

2.3 收集極

收集極要盡可能多地回收互作用后的電子能量，避免這部分能量全部以熱能的形式損耗掉。電子注在進入收集極之前的縱向速度是零散的，特別是高電子效率的情況下，互作用后的電子速度零散更為嚴重，如何最大限度地回收不同速度的電子，使所有電子打到收集極電極上前都得到充分的減速，將電子能量轉化為電勢能回饋給電源系統是多級降壓收集極設計的關鍵[13]。Ku波段空間行波管采用非軸對稱四級降壓收集極[22]的設計方案，通過優化收集極各電極結構、極間距離及各級電壓，確保在輸出功率回退3 dB后依然擁有較高的回收效率。同時對收集極銅電極表面進行離子濺射處理，抑制收集極二次電子發射，使得輸出功率回退前后的回流電流也保持在較低的水平。

利用MTSS對收集極進行仿真優化，輸出功率回退前后的收集極效率仿真結果如圖6所示，仿真結果顯示飽和狀態下的收集極效率≥77.31%；功率回退后收集極效率≥77.12%。功率回退前后收集極效率基本保持不變，且維持在較高的回收效率水平，滿足設計指標要求。

圖6 輸出功率回退前后收集極效率對比

3 測試結果

根據以上設計方案完成了Ku波段輻冷型空間行波管研制，整管實物圖如圖7所示。

圖7 Ku波段150 W輻冷型空間行波管

經測試，行波管在整個工作頻帶范圍內的輸出功率、效率和增益測試結果曲線如圖8所示。從測試結果可以看出，Ku波段空間行波管在工作頻帶內，連續波最大飽和輸出功率為158 W，最大總效率為70.18%，最大飽和增益為60.29 dB；輸出功率回退3 dB時，最大總效率為63.05%，最大增益為46.01 dB。

圖8 Ku波段空間行波管輸出功率、效率和增益測試結果

Ku波段空間行波管主要技術指標的測試結果如表3所示。Ku波段空間行波管在500 MHz的工作頻帶內螺旋線電流不超過0.93 mA；相移≤44.6°；群時延波動≤0.467 ns，行波管在具備高效率的同時，具有良好的副特性。整管結構設計在保證可靠性的同時，進行了輕量化優化設計，整管重量不超過1 kg，滿足衛星系統使用要求。

表3 Ku波段空間行波管主要測試結果

輸出功率回退前后的電子效率、收集極效率仿真結果與實測值的對比分別如圖9和圖10所示。由圖中所示結果可知：在工作頻帶內，實測輸出功率150 W狀態下的電子效率≥33.48%，收集極效率≥77.76%；輸出功率回退3 dB后的電子效率≥27.11%，收集極效率≥76.98%。由于在仿真過程中，忽略了線路損耗和其他損耗，輸能駐波比按照理想狀態設置，導致電子效率仿真結果偏高。收集極入口處的電子分布狀態仿真結果與實際情況存在差別，致使收集極效率仿真結果與實測值有一定的偏差。加之行波管零、部組件加工誤差，整管裝配焊接等工藝誤差的影響，加大了仿真結果與實測結果的偏差。整管測試結果滿足技術指標要求，研制方案具有可行性。

圖9 電子效率仿真結果與實測結果對比

圖10 收集極效率仿真結果與實測結果對比

4 結束語

根據衛星通信系統對功率可調空間行波管的使用需求，具體分析了行波管功率回退設計中存在的難點，提出了一種Ku波段高效率功率可調空間行波管的設計方案，根據設計方案研制出樣管并進行了測試。測試結果顯示行波管在工作頻帶內，飽和輸出功率≥153.2 W，總效率≥68.60%，當輸出功率回退3 dB時，總效率≥60.85%。Ku波段功率可調高效率空間行波管的成功研制，對于其他波段行波管開展功率可調高效率技術的研究，具有一定的參考價值。