X频段速调管发射机现状及发展趋势分析

郭忠凯，侯满宏

(中国电子科技集团公司第27研究所测控雷达部，河南郑州 450047)

深空探测、载人航天、小卫星开发应用是人类在新世纪主要的3大航天活动。深空探测是指对月球和月球以外天体和空间进行的探测［1］。

X频段连续波速调管发射机是深空测控系统地面站的重要组成部分，其主要功能是将上行链路送来的微波调制信号进行功率放大，放大到一定功率后送至伺馈系统发向卫星，从而实现地面与卫星的通信。由于深空探测作用距离远、传输信号弱，在天线口径一定的前提下，中、小功率高功放已不能满足未来深空探测的需求。人类对太空的探索永无止境，对火星以外的天体进行探测是未来深空探测发展的趋势，所以发展大功率速调管发射机迫在眉睫。

1 国外发展现状

1.1 美国NASA

NASA已在加利福尼亚戈尔德斯顿、澳大利亚堪培拉和西班牙马德里建立了深空站(DSS)，天线口径均为70 m和34 m，采用X频段发射机的连续波输出功率为20 kW，工作频段7 145～7 190 MHz，瞬时带宽为45 MHz，主要指标如表1所示。

表1 NASA深空站发射机主要参数

X频段100 kW速调管发射机位于DSS14、DSS41、DSS42、DSS51、DSS61。该速调管发射机工作频率为7190 MHz，瞬时带宽为 90 MHz，能够输出连续波(CW)功率 100 kW［2］。

X频段雷达发射机位于加利福尼亚的戈尔德斯顿DSS－14，连续波输出功率为500 kW(CW)，是由两个型号为CPI VKX－7864B的250 kW速调管放大器合成的。中心频率为8.560 GHz，饱和增益＞45 dB，－1 dB带宽 ＞20 MHz，效率 ＞41%［3］。X 频段1 MW CW 雷达发射机，采用4支型号为VKX－7864A的250 kW速调管放大器合成而来，中心频率为8.51 GHz，饱和增益为53 dB，－1 dB 带宽为20 MHz，效率为50%［4］。

1.2 欧空局(ESA)

欧空局(ESA)深空测控网由2个深空地面站和航天飞控中心组成。其中，两个深空地面站分别是澳大利亚西部珀斯附近的新诺舍深空地面站和西班牙马德里附近的赛布里罗斯深空地面站，这两个深空站均采用20 kW大功率速调管发射机［5］。输出功率20 kW;工作频段7 145～7 235 MHz;瞬时带宽90 MHz;带内增益变化1 dB;带内群时延变化12 ns;寄生输出＜－60 dBc。

1.3 俄罗斯

俄罗斯深空测控网由3个深空地面站、2个指控中心和2个弹道中心组成。3个深空地面站分别位于乌苏里斯克、叶夫帕托里亚和熊湖。深空任务的主控中心位于加里宁格勒，备用和本地指控中心与叶夫帕托里亚深空地面站在一起。两个弹道中心分别设在莫斯科附近的飞行控制中心和俄罗斯科学院下属的应用数学研究所。其中70 m天线采用40 kW发射机，工作频率为7.2 GHz，32 m天线采用10 kW发射机，工作频率为 7.2 GHz［6］。

俄罗斯深空测控网除完成对深空探测器的测控任务外，还可利用其巨型天线和大功率发射机构成行星雷达，有规律地对火星、金星和水星实施测距测速。

2 国内研究现状

当前，我国启动了以绕月探测工程为起点的深空探测，对X频段测控体制进行了验证［7］，并建成了两个深空地面站，使用X频段10 kW连续波速调管发射机，从而使我国具有了完全自主研发10 kW大功率连续波速调管发射机的能力。主要指标有:(1)输出功率≥10 kW。(2)瞬时带宽≥95 MHz。(3)增益平坦度＜1 dB。X频段速调管发射机如图1所示。

大功率液冷系统是X频段发射机的重要组成部分，在大功率速调管工作时，占较大比例的电子束功率转变为热能被收集极吸收，致使收集极承受很高的发射密度。根据速调管对散热的要求，大功率液冷系统采用压缩机制冷和强制风冷相结合的冷却方式，制冷量≥100 kW，冷却介质采用去离子水加乙二醇防冻液，便于在低温下工作。

图1 X频段速调管发射机

X频段10 kW速调管发射机成功应用，不仅填补了国内大功率连续波发射机的空白，且还带动了相关基础技术的突破与发展:(1)突破了国产大功率宽带速调管设计制造技术(速调管输出功率≥15 kW，瞬时带宽≥95 MHz)。(2)突破了大功率微波元器件的设计和制造技术。(3)突破了大功率强干扰下电磁兼容技术。(4)突破了大功率低纹波线性高压电源技术。

然而，国产X频段10kW连续波速调管发射机与NASA、ESA深空测控站发射机的性能相比，主要是饱和功率比NASA、ESA深空测控站发射机小约＜2～3 dB。所以，提高速调管发射机的输出功率是需要面临的一大难题。需进行20 kW及以上功率速调管发射机的研究工作。

3 发展趋势

进入21世纪，特别是2004年后，世界各主要航天大国纷纷提出了明确的深空探测规划或任务计划。美国将实现2018年重返月球，并在2025年将人类送上火星;欧空局初步规划2024年前后载人登月，2033年实现载人登陆火星;日本计划10年内发射登陆月球的无人探测器，争取20年后在月球建立无人探测基地;俄罗斯2010年发射了火星探测器，2015年前后将发射月球撞击器和金星探测器;印度2020年实现印度人登月的梦想［8－9］。这些计划的实施，在天线口径固定的情况下，必然要求发展更大功率的速调管发射机，以支持其深空探测事业的发展。

我国在月球探测工程中设计的全球布局深空测控通信网，包括3个深空地面站，可实现对深空航天器90%的测控通信空域覆盖［10］。目前深空站所使用的发射机输出功率为10 kW，为满足未来深空探测发展需要，需增大深空地面站发射机的输出功率，可从以下几个方面对X频段大功率连续波速调管发射机进行研究:

(1)发展高功率、高效率和高可靠性的大功率连续波速调管。需采取的技术措施和需解决的技术问题包括:高发射电流密度覆膜浸渍阴极;高电子注通过率的电子光学系统;收集极和管体的热耗散和冷却;速调管输出窗的耐高功率容量问题以及进一步展宽速调管的频带和提高速调管的寿命。

(2)开展大功率微波元器件研究。由于大功率发射机的输出功率需经滤波后才能送至天线发射，提高大功率微波元器件的功率容量，是今后工作的难题之一。需采取的技术途径包括:发展微波元器件电磁仿真技术和高精度加工制造技术。

(3)发展大功率高压电源。它是连续波大功率速调管发射机的重要组成部分，既要保证连续波速调管正常工作，又要在发生故障时的快速保护速调管。需要研制一个高电压、高稳定度、低纹波、大范围可调的大功率直流稳压电源。无论采用线性电源还是开关电源，在满足技术指标的前提下，提供大功率高压电源的可靠性是关键技术之一。

(4)发展大功率冷却系统。收集极过热是引起发射管寿命降低的重要原因，其热设计是发射机设计中的核心部分及难点，热设计的成败直接影响到发射机的性能及可靠性指标。为保证大功率速调管发射机的正常工作，需设计合理的冷却系统，及时从收集极、管体、输出窗及大功率无源器件等处将热量带走。

(5)解决大功率条件下的电磁兼容问题。除精心设计外，还需采取加强屏蔽、滤波、良好接地及隔离等措施。

4 结束语

深空探测是航天测控领域的重要发展方向，集中了多项高精尖技术，不仅是测控通信领域的前沿，较多技术也是信息领域的前沿。因此，深空探测代表了人类向宇宙挑战的决心和成果［11］。真空电子器件作为真空管发射机的心脏，是未来真空管发射机的发展基础。目前，国内的制管厂家需要在提高性能指标、增加品种、稳定工艺和进一步提高可靠性等多方面加大投入、不断突破，缩小与国外先进水平的差距。有了器件的支撑，未来X频段速调管发射机将获得较快的发展［12］。

［1］石书济.深空探测与测控通信技术［J］.电讯技术，2001(2):1－4.

［2］Balkcum A，Mizuhara A，Stockwell B.et al.Design and operation of a 100 kW CW X－Band klystron for spacecraft communications［C］.2012 IEEE Thirteenth International Vacuum Electronics Conference(IVEC)，2012:315 －316.

［3］Albert Mizuhara.Bandwidth and group delay extension for an X－Band 250 kW CW klystron for JPL/NASA deep space radar［J］.IEEE Xplore Digital Library，2004(6):1 －2.

［4］Bhanji A M，Hoppe D J，Conroy B L，et al.Conceptual design of a 1－MW CW X－Band transmitter for planetary radar［R］.Ult USA:TDA Progress Report，1988.

［5］Dainelli V，Serrano F，Tomasi L，et al.A 20 kW X band high power amplifier for ESA deep space ground stations ［J］.IEEE Xplore Digital Library，2009(3):1 －2.

［6］崔潇潇.国外深空测控网现状与发展趋势［J］.国际太空，2009(2):23－26.

［7］黄晓峰，徐宝碧，吉欣，等.嫦娥二号卫星X频段星载测控系统设计与验证［J］.中国科学:技术科学，2013(5):37－43.

［8］叶培建，彭兢.深空探测与我国深空探测展望［J］.中国工程科学，2006，8(10):45 －51.

［9］叶培建，黄江川，张廷新，等.嫦娥二号卫星技术成就与中国深空探测展望［J］.中国科学:技术科学，2013(5):5－15.

［10］吴伟仁，刘旺旺，唐玉华，等.深空探测及几项关键技术发展趋势［C］.北京:中国宇航学会深空探测技术专业委员会第十届学术年会，2013.

［11］柴霖，许秀玲.深空测控体系结构与技术发展［J］.电讯技术，2010，50(8):1 －6.

［12］黄军.真空管雷达发射机的现状和发展趋势［J］.现代雷达，2010，32(7):87 －91.