Q/V波段空間行波管及應用

行波管 李力 北京真空電子技術研究所

  Q/V 波段空間行波管具有工作頻率高、帶寬寬、傳輸速率快等優點。本文介紹了國內外Q/V 波段螺旋線行波管的研究狀況以及在未來空間應用情況。

  空間行波管是衛星通信系統中重要的高功率放大器件。與固態器件相比,空間行波管具有高效率、高功率、抗宇宙射線等優點,因而廣泛應用于衛星通信系統。據報道,目前在軌的L、S、C、Ku、K、Ka 波段空間行波管已超過數千支;Q/V 波段空間行波管工作頻率高,具有其獨特的優勢和潛在的空間應用需求,美國及歐洲國家已開展了有關研究工作,而且部分產品已得到空間應用。

1、Q/V 波段行波管研究狀況

  Q 波段(40 ~ 50 GHz)、V 波段(50-75 GHz) 頻率高、帶寬寬,尚有巨大應用空間。美國L-3 公司、法國THALES 公司對Q/V 波段行波管的研發已有十多年的歷史,其產品種類比較齊全,行波管性能指標高,部分產品通過了空間環境試驗,且某些產品已在軌運行。L-3 公司及THALES 公司開發的Q/V 波段行波管產品介紹如表1 所示。圖1 為美國L-3 公司研發的V 波段75 W 空間行波管放大器實物圖,目前已完成了空間環境試驗,包括隨機振動、沖擊振動、熱真空等試驗,正開展壽命實驗,表2 給出了V 波段75 W 行波管環境試驗條件,圖2 為V波段75 W 行波管熱真空試驗圖。

表1 L-3 公司及THALES 公司開發的Q/V 波段行波管產品性能

L-3 公司及THALES 公司開發的Q/V 波段行波管產品性能

表2 V 波段75 W 行波管環境試驗條件

V 波段75 W 行波管環境試驗條件

V 波段75 W 空間行波管放大器實物圖

圖1 V 波段75 W 空間行波管放大器實物圖

V 波段75 W 行波管熱真空試驗圖

圖2 V 波段75 W 行波管熱真空試驗圖

  國內對Q/V 波段空間行波管的研究在北京真空電子技術研究所(BVERI) 開展,目前尚處于研制階段,行波管主要性能如表3 所示。

表3 國內Q/V 波段空間行波管性能

國內Q/V 波段空間行波管性能

  Q/V 波段空間行波管研制中存在很多技術難點,可分為設計和工藝控制兩個方面,以下給出了具體解決措施:

  (1)設計難點及采取的措施

  高效率設計:選取較小螺旋線內徑、較薄螺帶可以提高慢波結構耦合阻抗,采用動態相速漸變技術以提高電子效率;設計四級降壓收集極,對收集極電極進行表面改性處理,從而提高收集極效率;結構可靠性設計:借鑒Ka 波段空間行波管結構設計,能夠經受2400 G 的沖擊;同時設計輸能結構加固套及支架,使得行波管能夠通過沖擊、振動等環境試驗;開展熱學、力學仿真模擬,進一步優化結構設計;

  返波振蕩抑制:由于Q/V 波段空間行波管工作電壓高達10 kV,為防止返波振蕩產生,設計時控制負一次空間諧波耦合阻抗,采用相速漸變和跳變,提高起振長度,同時設置主衰減器和副衰減器,可以增加起振長度。

  (2)工藝難點及采取的措施

  螺旋線繞制:Q/V 波段空間行波管電子注通道小,螺旋線繞制芯桿細,采用傳統繞制方式芯桿極易變型,影響繞制精度,為此設計了專用夾具,保證了螺旋線繞制精度為2 μm;

  高流通率工藝保證:為保證行波管具有較高的流通率,采用套封電子槍結構,制作專用裝配模具,保證電子槍各電子同軸度在0. 02 mm 以內;同時采用高頻精密對中技術,保證了行波管高流通率,經測得V 波段空間行波管動態流通率在97. 5%以上,圖3、為流通率測試曲線。

  圖4 為BVERI 研制的V 波段20 W 空間行波管功率和效率測試曲線。

V 波段空間行波管動態流通率測試曲線

圖3 V 波段空間行波管動態流通率測試曲線

V 波段20 W 空間行波管功率、效率測試曲線

圖4 V 波段20 W 空間行波管功率、效率測試曲線

2、Q/V 波段行波管空間應用

  Q/V 波段行波管在空間應用中具有以下優勢:①與低頻段相比Q/V 波段具有更寬的帶寬;②在整個微波頻帶內Q/V 波段這兩個頻段從未被使用,這兩個頻帶比較純;③與Ka 波段相比,Q/V 波段衛星波束;④對于晴空中相同的用戶終端和衛星天線尺寸(或功率),Q/V 波段點對點鏈接性能好( 與Ka 波段相比高6 dB 左右)。

  美國通信協會(FCC) 早在90 年代初就預測了Q/V 波段空間器件未來應用的重大需求。目前美國以及歐空局明確將Q/V 波段空間行波管作為未來星際通信、衛星上行數據鏈接的重要器件。Q/V 波段空間行波管主要應用包括以下幾個方面:

 、僖曈X點對點鏈接線路(LOS);②自由空間光學系統(FSO);③兆字節/秒的無線網絡通訊;④寬帶固定無線終端(BFWA);⑤衛星通信(Satcom);⑥航天衛星通信(Aerosat);⑦高海拔系統(HAPS);⑧移動通信系統;⑨用于網絡回程近距離轉發器。

Q/V 波段空間行波管應用舉例

圖5 Q/V 波段空間行波管應用舉例

3、結論

  本文介紹了國內外Q/V 波段空間行波管研就進展及其應用需求情況,為后期的深入研究及應用提供了有利依據。