【無線射頻電路】-國外空間行波管放大器現(xiàn)狀與發(fā)展

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----國外空間行波管放大器現(xiàn)狀與發(fā)展空間行波管放大器進展歷程

空間行波管放大器于1962年首次應(yīng)用。其行波管（TWT）由貝爾試驗室(BellLab)制造并用于Telestar1衛(wèi)星，頻率3.7GHz～4.2GHz，輸出功率2W，增益40dB，效率10%，相移50℃，質(zhì)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(shù)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(zhì)量640g，一個收集極。20世紀70年月中期，由于固態(tài)器件的快速進展，要求功率較小的微波接力通信用的行波管漸漸被固態(tài)器件所替代。在衛(wèi)星有效載荷中，小功率和低噪聲放大器已被固態(tài)放大器替代。

面對固態(tài)器件的迅猛進展，不少人認為行波管被固態(tài)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討論工作。經(jīng)過一番曲折，人們熟悉到行波管的優(yōu)勢在于高頻率、寬頻帶、大功率領(lǐng)域，這正是雷達、電子對抗、衛(wèi)星通信的進展方向。因此，行波管在失去了一些陣地以后，在新的陣地上又重新快速地進展起來，形成了一個浩大的行波管家族。最近幾年，行波管在世界范圍受到重視，各國進行了大量的討論工作，進展特別快速。空間行波管放大器的功率水平、效率、壽命、體積、重量、波段掩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(tài)下工作

空間行波管放大器工作在真空環(huán)境下，在這種條件下，放大器可能會產(chǎn)生低氣壓放電效應(yīng)。行波管電源本身工作在高壓狀態(tài)，應(yīng)防止微放電或電暈放電狀況的發(fā)生。

b.空間行波管放大器高牢靠、長壽命

空間行波管放大器具有不行修理性，所以對其牢靠性要求很高，對于通信衛(wèi)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(shè)備的耗能和效率是一個倍受關(guān)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(wèi)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削減也是相當可觀的。

d.空間行波管放大器體積小、重量輕

星載設(shè)備對體積和重量有嚴格的要求。一般來說，有效載荷質(zhì)量減小1kg，運載的起飛質(zhì)量可減小1～2噸。因此，在設(shè)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(huán)境中。在自然?空間輻射環(huán)境中，行波管放大器往往因經(jīng)受空間輻射而導(dǎo)致性能降低或失效，甚至最終造成空間飛行器災(zāi)難性后果。因此，它必需有抗各種空間輻射的力量。

f.空間行波管放大器優(yōu)秀的力學(xué)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(wèi)星放射的惡劣環(huán)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(xiàn)遙控開、關(guān)機，可以通過在地面遙測放大器的有關(guān)技術(shù)參數(shù)(如開、關(guān)機狀態(tài)、螺流、陽壓、故障狀態(tài))來推斷放大器的工作狀態(tài)。

h.空間行波管放大器技術(shù)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/PM4.5/dB，三階交調(diào)-23dB，噪聲系數(shù)＜33dB。效率優(yōu)于45%，諧波抑制特性-20dBc，EPC雜波抑制:-60dBc。

2、空間行波管放大器產(chǎn)品現(xiàn)狀

國外空間行波管(放大器)的制造商有L-3、德國的TESAT、法國的Thales、俄羅斯的ALMAZ和的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選購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(chǎn)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，2023年以前已給不同國家的94個空間工程供應(yīng)了TWTA，占全球市場的45%。它的產(chǎn)品掩蓋了V頻段以下的全部頻段，功率范圍10W～450W，其中Ku波段占據(jù)94個項目的70%。表7介紹了TESAT典型的Ku波段TWTA產(chǎn)品的主要技術(shù)指標。

表1、L-3公司的空間TWT產(chǎn)品參數(shù)

表2、Thales空間TWT產(chǎn)品參數(shù)

表3、俄羅斯ALMAZ公司空間TWT產(chǎn)品參數(shù)

表4、NEC公司空間TWT主要產(chǎn)品參數(shù)

表5、L-3空間TWTA鑒定件的EPC產(chǎn)品參數(shù)

表6、Thales空間EPC產(chǎn)品典型參數(shù)

表7、TESAT公司的典型空間TWTA產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

3、空間行波管放大器的研發(fā)覺狀

3.1空間行波管研制

L-3公司開發(fā)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(shù)據(jù)或視頻信號傳輸。該型號共生產(chǎn)了3個樣品，其主要指標測試結(jié)果:中心頻率31.8GHz～32.3GHz，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(zhì)量1600g，體積36.68.97.1cm3，工作壽命/任務(wù)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(jīng)勝利研發(fā)出工作在Q波段的8925HP通信行波管，頻率范圍43.5GHz～45.5GHz(事應(yīng)用)，輸出功率230W。

法國Thales公司正在開發(fā)一種型號為TH4816的Ka波段170W空間應(yīng)用行波管，它可用于如高清楚度電視廣播(HDTV)以實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率。Thales在鑒定狀態(tài)下對7支管子進行了測量，結(jié)果為:頻率范圍17.3GHz～21.2GHz，輸出功率170W，總效率63%，增益51.4dB～56.3dB，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，它采納5級降壓收集極，計算和試驗測量結(jié)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(shù)

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(diào)失真、AM/PM變換、諧波抑制等重要技術(shù)參數(shù)。在在軌功率可調(diào)TWTA中，可調(diào)增益LCAMP也是不行缺少的一部分。線性化技術(shù)主要可分為輸入功率回退(IBO)、負反饋、前饋和預(yù)失真等幾種方法。預(yù)失真技術(shù)原理簡潔、易于實現(xiàn)、頻帶寬、成本低、質(zhì)量輕，所以適用于空間放大器線性化應(yīng)用，也是目前討論、分析、設(shè)計使用率最高的線性化方法。

法國Thales公司討論人員提出了一種新型空間應(yīng)用的寬帶預(yù)失真線性化器。它除了典型的增益擴展和相移大小掌握以外，還具有曲線外形調(diào)整力量和寬頻帶特性(1.8GHz帶寬，頻率范圍10.95GHz～12.75GHz)。它是在典型的肖特基二極管預(yù)失真結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一個外形調(diào)整掌握器，通過不同的命令設(shè)置實現(xiàn)不同的補償特性的調(diào)整。常規(guī)的預(yù)失真線性化器電路沒有外形調(diào)整力量，只有線性化擴展幅度掌握力量。沒有外形調(diào)整的結(jié)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。外形可調(diào)預(yù)失真線性化器與典型的二極管預(yù)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(jié)交調(diào)(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(jīng)應(yīng)用于Thales空間線性化行波管放大器中。

線性化技術(shù)公司(LinearTechnologyInc.)從事于不同類型線性化通道放大器的研制。其中基于微掌握器的空間應(yīng)用的預(yù)失真線性化通行波管放大器Ku－2050LCAMP的主要技術(shù)指標為:工作頻率范圍10.7GHz～12.75GHz，飽和靜態(tài)相移5，飽和AM/PM變換＜2/dB，C/3IM＞25dBc(IBO為-3dB)，NPR＞17dB(IBO為-3.5dB)，質(zhì)量400g。

3.3空間TWTA功率合成技術(shù)

從外層行星或月球四周軌道運行的空間飛行器放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(zhuǎn)換為電能的太陽能削減，因此，需要開發(fā)高效率和高功率的功率放大器。要實現(xiàn)超大功率的空間行波管放大器，若用單一的TWT便遇到技術(shù)上的挑戰(zhàn)，運用功率合成技術(shù)是解決這一問題的有效途徑。

NASAGlenn討論中心提出了一種新奇的功率和成器架構(gòu)。這種基于混合魔T的功率合成技術(shù)可以實現(xiàn)輸出1kW級的功率力量。該中心已經(jīng)勝利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%。依據(jù)這個測量結(jié)果，估計8個100W(TWT型號999H)的TWTA可實現(xiàn)效率73%，假如用4個200W的(999HA)可實現(xiàn)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(shù)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(shù)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，其次套作為模樣用于機械沖擊和震驚試驗以評估其特性裕量，第三套用于NASA國際空間站。

CalabazasCreek討論所和Wisconisin高校正在開發(fā)一種運用三維微加工技術(shù)的650GHz的行波管放大器。開發(fā)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(chǎn)量、牢靠性和降低成本的可重復(fù)性。這種太赫茲放大器可用于衛(wèi)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(shù)參數(shù)為:中心頻率650GHz，輸出功率360mW，工作電壓12kV，工作電流12mA。有關(guān)的測試工作還在進行中。

3.5在軌功率可調(diào)行波管放大器研制

在軌功率可調(diào)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，在很多狀況下，用戶不能預(yù)先選精確知道需要多大的輸出功率。假如功率可調(diào)，行波管制造商能夠在較短的時間內(nèi)向用戶供應(yīng)可以在不同功率下應(yīng)用，且效率可以保持在較高水平的產(chǎn)品;其二，衛(wèi)星中安裝行波管放大器的位置不能預(yù)先確定，因之傳輸功率的波導(dǎo)長度也不能確定，所以波導(dǎo)損耗不能確定。假如在保持高效率狀況下輸出功率可調(diào)，將使整個系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，縮短調(diào)試時間;其三，行波管放大器在軌功率可調(diào)，可通過地面遙控轉(zhuǎn)變功率大小來適應(yīng)空間業(yè)務(wù)的變化，補償雨天帶來的短時間的信號衰減，優(yōu)化放大器的冗余設(shè)計以及重新構(gòu)建衛(wèi)星任務(wù)等。

功率可變TWTA的特征是它在不同功率電平下以飽和狀態(tài)下工作，以獲得穩(wěn)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(diào)TWTA的技術(shù)要由TWT和EPC共同實現(xiàn)。飽和輸出功率通過調(diào)整TWT的陰極電流實現(xiàn)，當陰極電流減小50%時輸出功率可削減4dB，削減陰極電流需通過削減陽極電壓1500V～2000V來實現(xiàn)，這就要求功率調(diào)整器的陽極穩(wěn)壓器具有很寬的穩(wěn)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(wěn)定性。陰極電流的削減也會導(dǎo)致TWT增益的削減，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(yīng)地增加。

TESAT開發(fā)了一種MPM，它的飽和功率可通過在軌功率調(diào)整器(IOA)的64個狀態(tài)設(shè)置實現(xiàn)對輸出功率小步長(1W/每步)的精確掌握。測試結(jié)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(xiàn)90W和70W的功率輸出，結(jié)果是IOA模式比IBO模式功率損耗削減16W(90W輸出)和25W(70W輸出)。

L-3公司也進行了在軌可調(diào)飽和輸出功率TWTA的設(shè)計和試驗。它采納型號為9100H的Ka波段行波管，EPC設(shè)計滿意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。假如用簡潔的驅(qū)動功率退回的方法來轉(zhuǎn)變飽和輸出功率，要滿意相同的功率變化，則效率削減27個百分點。TWT的輸入驅(qū)動必需滿意17dB的變化范圍(每1dB的輸出變化需要4dB的輸入調(diào)整)，這個變化可簡單地通過LCAMP實現(xiàn)。

Thales報告了由ESA支持開發(fā)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(shù)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%，TWT65%。

4、空間行波管放大器進展趨勢

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2023年的70%。

一種通過優(yōu)化行波管螺旋節(jié)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(xiàn)三效(總效率、收集極效率和電子效率)優(yōu)化為目的集成三維電子束互作用仿真器，運用這個技術(shù)設(shè)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(shù)的進展，假如更好的三維收集極編碼和可能參數(shù)化的電極結(jié)構(gòu)和磁場變化用于改進收集極效率，不久實現(xiàn)75%，將來達到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(yōu)于90%，有些產(chǎn)品已達到95%。單級EPC的效率已達到98%，將來幾年有望實現(xiàn)97%。進一步提高效率仍舊是將來空間電源的研發(fā)挑戰(zhàn)。

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(chǔ)，所以對陰極材料、構(gòu)造和工藝的研制是提高行波管壽命的主要途徑。

CalabazasCreekResearch公司正在開發(fā)一種高電流密度、長壽命陰極，它使用燒結(jié)鎢導(dǎo)線技術(shù)，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。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(jié)果與實際壽命會存在差異，但這預(yù)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進展

4.3.1Ka波段TWTA進展前景寬闊

由于Ku波段的應(yīng)用已經(jīng)特別擁擠，而Ka波段具有更大的帶寬和數(shù)據(jù)處理容量以及窄的點波束地面掩蓋，因此很多方案中的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本采納Ka波段。近年來衛(wèi)星通信應(yīng)用Ka波段的狀況越來越多，表現(xiàn)出衛(wèi)星通信新的進展趨勢。聞名的國際太空詢問機構(gòu)Euroconsult指出:2023年，Ka波段需求將占衛(wèi)星容量總需求的14%，主要采納Ku和C波段的事衛(wèi)星通信也將被推向Ka波段。在通信衛(wèi)星中采納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(xiàn)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，采納Ka或更高頻段必需解決雨衰自適應(yīng)補償?shù)募夹g(shù)問題。高清楚度電視廣播、多媒體通信等市場需求將促進Ka波段TWTA的進展。

4.3.2Q-V波段TWTA進展

多媒體衛(wèi)星要求建立全球系統(tǒng)的星間鏈路用于數(shù)據(jù)傳輸，星間鏈路工作在V波段可能是需要的，這就促進了TWTA向這個頻段進展。建立在通信行波管技術(shù)基礎(chǔ)上的更高頻率空間行波管放大器將成為新一輪討論熱點。

4.3.3THz技術(shù)的進展

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，特殊是衛(wèi)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(wèi)星通信。隨著微加工技術(shù)的進展，使得高精的行波管部件如慢波線加工得以實現(xiàn)，在外層空間探測中將顯示出它的優(yōu)越性。

4.4空間行波管放大器向大功率方向進展

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(wèi)星直播業(yè)務(wù)的進展，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(wèi)星的輻射功率；二是隨著人類探究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究的挑戰(zhàn)；三是，空間電子戰(zhàn)要求高功率。為了實現(xiàn)外層空間任務(wù)所需要的1Gbps的傳輸速率，探測器的功率需要在1kW～10kW范圍，估計到2023年，空間