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国外空间行波管放大器现状与发展

2018-12-05 来源:真空电子作者:李卓成 我要评论(0) 字号:

空间行波管放大器发展历程

空间行波管放大器于1962年首次应用。其行波管(TWT)由贝尔实验室(Bell Lab) 制造并用于Telestar1卫星,频率3.7GHz~4.2GHz,输出功率2W,增益40dB,效率10%,相移50℃,质量1Kg,一个收集极。1973年由AEG公司制造了欧洲首个空间行波管放大器,技术指标有了很大的改善,频率3.7GHz~4.2GHz,输出功率13W,增益46dB,效率34%,相移50℃,质量640g,一个收集极。20世纪70年代中期,由于固态器件的迅速发展,要求功率较小的微波接力通信用的行波管逐渐被固态器件所替代。在卫星有效载荷中,小功率和低噪声放大器已被固态放大器替代。

面对固态器件的迅猛发展,不少人认为行波管被固态器件所完全替代只是时间问题,而且一些国家也停止了对行波管的研究工作。经过一番曲折,人们认识到行波管的优势在于高频率、宽频带、大功率领域,这正是雷达、电子对抗、卫星通信的发展方向。因此,行波管在失去了一些阵地以后,在新的阵地上又重新迅速地发展起来,形成了一个庞大的行波管家族。最近几年,行波管在世界范围受到重视,各国进行了大量的研究工作,发展异常迅速。空间行波管放大器的功率水平、效率、寿命、体积、重量、波段覆盖范围得到不断地更新。

1、空间行波管放大器的特点

a. 空间行波管放大器在真空状态下工作

空间行波管放大器工作在真空环境下,在这种条件下,放大器可能会产生低气压放电效应。行波管电源本身工作在高压状态,应防止微放电或电晕放电情况的发生。

b. 空间行波管放大器高可靠、长寿命

空间行波管放大器具有不可维修性,所以对其可靠性要求很高,对于通信卫星用放大器,寿命要求长达15年。

c. 空间行波管放大器效率高

由于空间电源容量的限制,星载电子设备的耗能和效率是一个倍受关注的指标。星上能量的80%~90%要用于行波管放大器。对于通信卫星来说,一个星上可能需要多达几十个行放,因此效率提高几个百分点对整星功耗的减少也是相当可观的。

d. 空间行波管放大器体积小、重量轻

星载设备对体积和重量有严格的要求。一般来说,有效载荷质量减小1kg,运载火箭的起飞质量可减小1~2吨。因此,在设计空间行波管放大器时要千方百计地减小体积和重量。

e. 空间行波管放大器抗辐照特性

空间行波管放大器工作在具有各种辐射的空间环境中。在天然空间辐射环境中,行波管放大器往往因经受空间辐射而导致性能降低或失效,甚至最终造成空间飞行器灾难性后果。因此,它必需有抗各种空间辐射的能力。

f. 空间行波管放大器优秀的力学性能

空间行波管放大器要有很强的抗抗冲击、耐振动性能,以便能够忍受卫星发射的恶劣环境。

g. 空间行波管放大器具有遥控遥测功能

空间行波管放大器能够在地面实现遥控开、关机,可以通过在地面遥测放大器的有关技术参数(如开、关机状态、螺流、阳压、故障状态)来判断放大器的工作状态。

h. 空间行波管放大器技术指标要求高

空间行波管放大器通常主要指标要求为: 带宽500MHz,增益平坦度≤0.5dB,增益斜率0.01dBpp/MHz,AM/PM≤4.5°/dB,三阶交调≤-23 dB,噪声系数<33 dB。效率优于45%,谐波抑制特性≤-20 dBc,EPC杂波抑制:≤-60 dBc。

2、空间行波管放大器产品现状

国外空间行波管(放大器)的制造商有美国L-3、德国的TESAT、法国的Thales、俄罗斯的ALMAZ和日本的NEC。当前空间行波管放大器主要由空间行波管制造商完成集成,还有一些空间有效载荷制造商采购TWT与自己制造的EPC或第三方的EPC集成为TWTA。目前国外空间TWT/EPC产品的主要性能如表1~6所示。

TESAT在研制空间行波管放大器方面已有40年的历史,2001 年以前已给不同国家的94 个空间工程提供了TWTA,占全球市场的45%。它的产品覆盖了V频段以下的所有频段,功率范围10W~450W,其中Ku波段占据94个项目的70%。表7介绍了TESAT典型的Ku波段TWTA产品的主要技术指标。

表1、L-3 公司的空间TWT产品参数

表2、Thales空间TWT产品参数

表3、俄罗斯ALMAZ公司空间TWT产品参数

表4、日本NEC公司空间TWT主要产品参数

表5、美国L-3 空间TWTA鉴定件的EPC产品参数

表6、Thales空间EPC产品典型参数

表7、TESAT公司的典型空间TWTA产品技术参数

3、空间行波管放大器的研发现状

3.1 空间行波管研制

L-3公司开发了一种型号为999HA空间鉴定件行波管,它用于外层空间到地球的数据或视频信号传输。该型号共生产了3个样品,其主要指标测试结果: 中心频率31.8GHz~32.3 GHz,输出功率180W~252W,空间鉴定条件长寿命工作功率200W,总效率62%(252W),增益55dB,质量1600g,体积36.6×8.9×7.1cm3,工作寿命/任务寿命为7/20年。效率最高的空间行波管是L-3 的Ku波段行波管,型号为88125H,输出功率130W,增益51dB,效率73%。L-3 公司已经成功研发出工作在Q波段的8925HP通信行波管,频率范围43.5GHz~45.5GHz(军事应用),输出功率230W。

法国Thales公司正在开发一种型号为TH4816的Ka波段170W空间应用行波管,它可用于如高清晰度电视广播(HDTV)以实现高数据率。Thales在鉴定状态下对7支管子进行了测量,结果为: 频率范围17.3GHz~21.2GHz,输出功率≥170W,总效率≥63%,增益51.4dB~56.3 dB,相移45°,重量1200g。

俄罗斯ALMAZ公司研制了一种C波段螺旋线行波管,它采用5级降压收集极,计算和实验测量结果为: 饱和效率为63%,电子效率为41.5%。

3.2 空间行波管线性化通道技术

线性化通道放大器(LCAMP)是微波功率模块的一个重要组成部分。它可以有效改善放大器的交调失真、AM/PM变换、谐波抑制等重要技术参数。在在轨功率可调TWTA中,可调增益LCAMP 也是不可缺少的一部分。线性化技术主要可分为输入功率回退(IBO) 、负反馈、前馈和预失真等几种方法。预失真技术原理简单、易于实现、频带宽、成本低、质量轻,所以适用于空间放大器线性化应用,也是目前研究、分析、设计使用率最高的线性化方法。

法国Thales公司研究人员提出了一种新型空间应用的宽带预失真线性化器。它除了典型的增益扩展和相移大小控制以外,还具有曲线形状调节能力和宽频带特性(1.8GHz 带宽,频率范围10.95 GHz~12.75GHz) 。它是在典型的肖特基二极管预失真结构基础上增加了一个形状调节控制器,通过不同的命令设置实现不同的补偿特性的调节。常规的预失真线性化器电路没有形状调节能力,只有线性化扩展幅度控制能力。没有形状调节的结果是增益和相位的补偿需在饱和功率和退回功率之间折中考虑,也就是说需在退回功率时有限的过补偿和在饱和功率是最小的剩余压缩之间综合考虑。形状可调预失真线性化器与典型的二极管预失真线性化器相比,性能具有很大的改善: IBO为-6dB,频率11.7GHz 时,三节交调(C/IM3)改善20dB,噪声功率比(NPR) 改善7dB。这种先进的线性化器已经应用于Thales空间线性化行波管放大器中。

美国线性化技术公司( Linear Technology Inc.)从事于不同类型线性化通道放大器的研制。其中基于微控制器的空间应用的预失真线性化通行波管放大器Ku-2050LCAMP的主要技术指标为:工作频率范围10.7GHz~12.75GHz,饱和静态相移±5°,饱和AM/PM 变换<2°/dB,C/3I M>25dBc (IBO为-3dB),NPR>17dB(IBO为-3.5dB),质量400g。

3.3 空间TWTA功率合成技术

从外层行星或月球附近轨道运行的空间飞行器发射的通信信号传到地球表面天线需要传播很大的距离。此外,由于距太阳距离的增加,在飞行器表面可用于转换为电能的太阳能减少,因此,需要开发高效率和高功率的功率放大器。要实现超大功率的空间行波管放大器,若用单一的TWT便遇到技术上的挑战,运用功率合成技术是解决这一问题的有效途径。

NASA Glenn研究中心提出了一种新颖的功率和成器架构。这种基于混合魔T的功率合成技术可以实现输出1kW级的功率能力。该中心已经成功地演示了这种功率合成器。它用两个100W的TWTA,中心频率32.05GHz,带宽500MHz,合成效率可达90%。根据这个测量结果,预计8个100W(TWT型号999H)的TWTA可实现效率73%,如果用4个200W的( 999HA)可实现效率81%。

3.4 空间探测行波管放大器研制

L-3 研制了一种新型的K波段行波管放大器。该放大器的技术指标实测为: 中心频率25. 5GHz~25.8GHz,输出功率42.17W,相移30°,增益49.25dB,AM/PM 变换3.5°/dB, 效率45%(其中,TWT效率为55.2%),噪声系数29.97dB,二次谐波23.5dB。该放大器共研制三套,第一套用于月球探测飞行器,第二套作为模样用于机械冲击和震动试验以评估其特性裕量,第三套用于NASA国际空间站。

美国Calabazas Creek研究所和Wisconisin大学正在开发一种运用三维微加工技术的650GHz的行波管放大器。开发的重点在于新型平面互作用电路,长寿命、高电流密度电子枪,高效、小型、轻量的电源。微加工的批量特点保证了增加元件产量、可靠性和降低成本的可重复性。这种太赫兹放大器可用于卫星高空大气成像和探测和对流层以上高空俯视探测。该放大器的技术参数为: 中心频率650GHz,输出功率360mW,工作电压12kV,工作电流12mA。有关的测试工作还在进行中。

3.5 在轨功率可调行波管放大器研制

在轨功率可调放大器的必要性: 其一,目前空间行波管放大器输出功率范围为10W~250W,在许多情况下,用户不能预先选精确知道需要多大的输出功率。如果功率可调,行波管制造商能够在较短的时间内向用户提供可以在不同功率下应用,且效率可以保持在较高水平的产品; 其二,卫星中安装行波管放大器的位置不能预先确定,因之传输功率的波导长度也不能确定,所以波导损耗不能确定。如果在保持高效率情况下输出功率可调,将使整个系统实现优化设计,缩短调试时间; 其三,行波管放大器在轨功率可调,可通过地面遥控改变功率大小来适应空间业务的变化,补偿雨天带来的短时间的信号衰减,优化放大器的冗余设计以及重新构建卫星任务等。

功率可变TWTA的特征是它在不同功率电平下以饱和状态下工作,以获得稳定的射频功率输出且对输入功率的不敏感性,放大器的效率保持在较高的水平。在轨可调TWTA的技术要由TWT和EPC共同实现。饱和输出功率通过调节TWT 的阴极电流实现,当阴极电流减小50%时输出功率可减少4dB,减少阴极电流需通过减少阳极电压1500V~2000V来实现,这就要求功率调节器的阳极稳压器具有很宽的稳定范围,同时还需考虑放大器在开通过程中和在任何功率电平的功率稳定性。阴极电流的减少也会导致TWT增益的减少,为了保持射频输入功率不变,TWT前端的LCAMP的增益也需要相应地增加。

TESAT开发了一种MPM,它的饱和功率可通过在轨功率调节器(IOA)的64个状态设置实现对输出功率小步长(1W/每步)的精确控制。测试结果表明: 用一个最大饱和功率为120W的TWT,分别通过IBO和IOA模式实现90W和70W的功率输出,结果是IOA 模式比IBO 模式功率损耗减少16W(90W输出)和25W(70W输出) 。

L-3 公司也进行了在轨可调饱和输出功率TWTA 的设计和实验。它采用型号为9100H的Ka波段行波管,EPC设计满足阳极电压减小范围为0V~1800V。当输出功率从134W 变化到50W变化时,TWTA的效率变化为(64%~57%) ,效率变化仅7个百分点。如果用简单的驱动功率退回的方法来改变饱和输出功率,要满足相同的功率变化,则效率减少27个百分点。TWT 的输入驱动必须满足17dB的变化范围(每1dB的输出变化需要4dB的输入调节),这个变化可容易地通过LCAMP实现。

Thales报告了由ESA支持开发的Ku波段功率可变MPM的研制状况。该模块由三部分组成:可变输出TWT、电压可变EPC和增益可变LCAMP组成。阳极电压由串行遥控命令(6bit64步) 阳极电压变化范围0V~-1770V的变化。其部分性能参数为: 射频功率变化范围160W~75W; 工作频率11.75GHz~12.75GHz; 效率(160W)为EPC+ LCAMP>92%,TWT =71%,效率(75W)为EPC+LCAMP>89%,TWT≥65%。

4、空间行波管放大器发展趋势

4.1 空间行波管放大器效率进一步提高

空间行波管放大器效率提高包括两方面: 提高行波管效率和电源效率。就C波段而言,行波管的效率从1962年的10%提高到1973年的34%,再增加到2002年的70%。

一种通过优化行波管螺旋节距分布以获得最大理论总效率的方案。它运用通用算法以实现三效(总效率、收集极效率和电子效率)优化为目的集成三维电子束互作用仿真器,运用这个技术设计了一种Ku波段螺旋TWT,理论上可最大总效率可达77%。随着行波管大信号理论的完善和计算机仿真技术的发展,如果更好的三维收集极编码和可能参数化的电极结构和磁场变化用于改进收集极效率,不久实现75%,未来达到77% 甚至80% 的总效率是有可能的。

目前空间行波管电源效率普遍优于90%,有些产品已达到95%。单级EPC的效率已达到98%,未来几年有望实现97%。进一步提高效率仍然是未来空间电源的研发挑战。

4.2 空间行波管的寿命进一步延长

空间行波管放大器寿命主要取决于行波管,而行波管的寿命以阴极寿命为基础,所以对阴极材料、构造和工艺的研制是提高行波管寿命的主要途径。

美国Calabazas Creek Research公司正在开发一种高电流密度、长寿命阴极,它使用烧结钨导线技术,在电流密度为50A/cm2条件下做寿命试验,计算寿命为3.2万小时。日本NEC对M411(Qs/Ru)阴极在不同条件下进行了大量的寿命试验,累计达到7513400小时,从而得出M411阴极寿命可达20万小时(约23年) 。虽然试验结果与实际寿命会存在差异,但这预示着行波管的寿命将进一步延长。

4.3 工作频率向更高波段发展

4.3.1 Ka波段TWTA发展前景广阔

由于Ku波段的应用已经非常拥挤,而Ka波段具有更大的带宽和数据处理容量以及窄的点波束地面覆盖,因此许多计划中的宽带卫星通信系统基本采用Ka波段。近年来卫星通信应用Ka波段的情况越来越多,表现出卫星通信新的发展趋势。著名的国际太空咨询机构Euroconsult指出:2018年,Ka波段需求将占卫星容量总需求的14%,主要采用Ku和C波段的军事卫星通信也将被推向Ka波段。在通信卫星中采用Ka波段,可以获得较宽的工作频带,增加通信容量,同时还可以实现较窄的波束,从而获得高的EIRP值,减小地面终端天线的尺寸。当然,采用Ka或更高频段必须解决雨衰自适应补偿的技术问题。高清晰度电视广播、多媒体通信等市场需求将促进Ka波段TWTA的发展。

4.3.2 Q-V波段TWTA发展

多媒体卫星要求建立全球系统的星间链路用于数据传输,星间链路工作在V波段可能是需要的,这就促进了TWTA向这个频段发展。建立在通信行波管技术基础上的更高频率空间行波管放大器将成为新一轮研究热点。

4.3.3 THz技术的发展

太赫兹波(THz) 指频率在300GHz~3000GHz范围的电磁波。太赫兹用于通信可以获得10Gbit/S的传输速率,特别是卫星通信,由于在外层空间,不考虑水分的影响,这就使得太赫兹通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。随着微加工技术的发展,使得高精的行波管部件如慢波线加工得以实现,在外层空间探测中将显示出它的优越性。

4.4 空间行波管放大器向大功率方向发展

大功率空间行波管放大器基于三个方面的需求:一是随着卫星直播业务的发展,为了使直到家庭的用户使用更小口径的天线,需要进一步增加卫星的辐射功率; 二是随着人类探索外层空间的距离日趋遥远,高容量通信将是这种超远距离星球探索的挑战;三是,空间电子战要求高功率。为了实现外层空间任务所需要的1Gbps的传输速率,探测器的功率需要在1kW~10kW范围,预计到2020年,空间通信行波管功率在300W~500W( 螺旋线) 或1kW~5kW( 耦合腔)。

4.5 可变化空间行波管放大器发展

在未来几年,由于视频和多媒体容量要求的增加,卫星宽带交互式和广播服务将有大的增长,涉及的技术挑战可概括为: 通信流量正在以非常不均匀方式发展,当前的有效载荷适用于低效的或固定方式的应用,因此需要一个可变化的且高效的载荷;Ka波段可支持交互式和广播服务,从经济上需要开发可变的多任务卫星; Ka波段存在严重的雨衰,因此对于多雨地区,需要有一个性价比合适的宽带解决方法。由于由小波束组成的多波束有效载荷可以增加流量和数据率,但是如果对每个波束进行带宽/功率的均匀分配,就会发现在热点地区的能力不足和冷点地区的浪费,因此需要先进技术对不同波束灵活地分配功率和带宽。

支持对不同波束进行功率和带宽分配的关键技术是可变化行波管放大器、多端口放大器和混合放大器。可变化行波管放大器与自适应编码调制技术相接合,在非平均流量分配情况下,可实现20-30%服务流量的增加,并且在相同服务流量的情况下减少100%以上的功率,功率的显著减少可以实现同一平台两个任务共享,同时减少把一个卫星用于新任务的相关风险。一个基于灵活载荷任务能够为以后新的任务打开新的市场,可变化行波管放大器将会在多任务应用中找到用武之地。

5、结束语

空间行波管放大器是卫星有效载荷的关键部件,发达国家已经有40多年的研发和制造历史,其产品已经形成系列且长期在轨运行,可靠性和寿命已经得到充分验证。已经得到充分验证。近十几年来,一些发展中国家(如印度) 也在积极地进行空间行波管放大器的开发并取得一定的成果。空间行波管放大器将不断地向更宽频带、高功率、高效率、高线性、小体积轻重量、高可靠和更长寿命的目标发展。

本文作者为中国空间技术研究院西安分院李卓成研究员。

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