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(shù)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(yōu)點(diǎn)。本文介紹了國內外Q/V 波段螺旋線(xiàn)行波管的研究狀況以及在未來(lái)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(tài)器件相比，空間行波管具有高效率、高功率、抗宇宙射線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)數千支;Q/V 波段空間行波管工作頻率高，具有其獨特的優(yōu)勢和潛在的空間應用需求，美國及歐洲國家已開(kāi)展了有關(guān)研究工作，而且部分產(chǎn)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(fā)已有十多年的歷史，其產(chǎn)品種類(lèi)比較齊全，行波管性能指標高，部分產(chǎn)品通過(guò)了空間環(huán)境試驗，且某些產(chǎn)品已在軌運行。L-3 公司及THALES 公司開(kāi)發(fā)的Q/V 波段行波管產(chǎn)品介紹如表1 所示。圖1 為美國L-3 公司研發(fā)的V 波段75 W 空間行波管放大器實(shí)物圖，目前已完成了空間環(huán)境試驗，包括隨機振動(dòng)、沖擊振動(dòng)、熱真空等試驗，正開(kāi)展壽命實(shí)驗，表2 給出了V 波段75 W 行波管環(huán)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(kāi)發(fā)的Q/V 波段行波管產(chǎn)品性能

L-3 公司及THALES 公司開(kāi)發(fā)的Q/V 波段行波管產(chǎn)品性能

表2 V 波段75 W 行波管環(huán)境試驗條件

V 波段75 W 行波管環(huán)境試驗條件

V 波段75 W 空間行波管放大器實(shí)物圖

圖1 V 波段75 W 空間行波管放大器實(shí)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(shù)研究所(BVERI) 開(kāi)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(shù)難點(diǎn)，可分為設計和工藝控制兩個(gè)方面，以下給出了具體解決措施:

　　(1)設計難點(diǎn)及采取的措施

　　高效率設計:選取較小螺旋線(xiàn)內徑、較薄螺帶可以提高慢波結構耦合阻抗，采用動(dòng)態(tài)相速漸變技術(shù)以提高電子效率;設計四級降壓收集極，對收集極電極進(jìn)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(jīng)受2400 G 的沖擊;同時(shí)設計輸能結構加固套及支架，使得行波管能夠通過(guò)沖擊、振動(dòng)等環(huán)境試驗;開(kāi)展熱學(xué)、力學(xué)仿真模擬，進(jìn)一步優(yōu)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(chǎn)生，設計時(shí)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(cháng)度，同時(shí)設置主衰減器和副衰減器，可以增加起振長(cháng)度。

　　(2)工藝難點(diǎn)及采取的措施

　　螺旋線(xiàn)繞制:Q/V 波段空間行波管電子注通道小，螺旋線(xiàn)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(zhuān)用夾具，保證了螺旋線(xiàn)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(zhuān)用裝配模具，保證電子槍各電子同軸度在0. 02 mm 以?xún)?同時(shí)采用高頻精密對中技術(shù)，保證了行波管高流通率，經(jīng)測得V 波段空間行波管動(dòng)態(tài)流通率在97. 5%以上，圖3、為流通率測試曲線(xiàn)。

　　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(xiàn)。

V 波段空間行波管動(dòng)態(tài)流通率測試曲線(xiàn)

圖3 V 波段空間行波管動(dòng)態(tài)流通率測試曲線(xiàn)

V 波段20 W 空間行波管功率、效率測試曲線(xiàn)

圖4 V 波段20 W 空間行波管功率、效率測試曲線(xiàn)

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(yōu)勢:①與低頻段相比Q/V 波段具有更寬的帶寬；②在整個(gè)微波頻帶內Q/V 波段這兩個(gè)頻段從未被使用，這兩個(gè)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(hù)終端和衛星天線(xiàn)尺寸(或功率)，Q/V 波段點(diǎn)對點(diǎn)鏈接性能好( 與Ka 波段相比高6 dB 左右)。

　　美國通信協(xié)會(huì )(FCC) 早在90 年代初就預測了Q/V 波段空間器件未來(lái)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(lái)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(gè)方面:

　�、僖曈X(jué)點(diǎn)對點(diǎn)鏈接線(xiàn)路(LOS)；②自由空間光學(xué)系統(FSO)；③兆字節/秒的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊；④寬帶固定無(wú)線(xiàn)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(dòng)通信系統；⑨用于網(wǎng)絡(luò )回程近距離轉發(fā)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(jìn)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。