Ku波段高效率功率可调空间行波管研制

曹林林，肖 刘，尚新文，李延威，易红霞，李 飞，王自成，李 实，李 宁，黄明光

(1.中国科学院空天信息创新研究院 北京海淀区100094；2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院 北京怀柔区101408)

空间行波管作为通信卫星使用量最大的单机，一般根据卫星通信系统的某一需求进行专项设计，并在运行过程中保持同一工作模式。随着多媒体和高清晰度电视广播对通信流量需求的迅猛增长，如果仍然采用由小波束组成的多波束有效载荷来增加流量和数据率，并且对每个波束进行带宽和功率的均匀分配，就会出现在热点地区能力不足和冷点地区浪费的问题[1]。功率可调空间行波管放大器与自适应编码调制技术相接合，可以对不同波束灵活地分配功率和带宽。功率可调行波管与普通行波管相比，其最大的特点是可以在不同功率电平下仍然工作在饱和状态，且整管效率可以保持在较高的水平[2]。功率可调空间行波管作为一个可变且高效的载荷，能够极大地提升卫星制造、调试和运营的灵活性[2-3]。

早在本世纪初，国外空间行波管制造厂商就开启了功率可调行波管的研制工作。法国THALES公司在2003年研制出了输出功率90～140 W可调的行波管[4]；2009年文献[5]报道了应用于微波功率模块的Ku波段功率可调行波管，实现了输出功率75～150 W可调，输出功率为75 W时的效率大于65%，最大相移小于55°；文献[6]在2013年实现了双管可调行波管放大器应用于卫星通信；2018年文献[7]报道了Q波段空间行波管THL40040C的性能，其能够在不同发射电流下实现输出功率20～40 W可调；文献[8]在此研究基础上进一步提升性能，实现了在37.5～42.5 GHz工作频带内，输出功率35～70 W功率可调，输出功率为70 W时的效率大于50%；德国TESAT公司研制出了在轨功率可调微波功率模块[9]；美国L-3公司的9100H型K波段空间行波管饱和输出功率回退4 dB，行波管放大器效率仅下降7%[10]；9110HxR型空间行波管饱和输出功率大于170 W，效率大于64%，输出功率回退3 dB能够在−20℃～86℃温度区间内稳定工作[11]。与国外厂商相比，国内对功率可调空间行波管的研究相对滞后。2020年，中国电子科技集团公司第十二研究所报道了Ka波段功率可调空间行波管的设计研制工作，实现了在1 GHz工作带宽内50～100 W功率可调，饱和效率大于61%，输出功率回退3 dB时效率大于54%[12]。

高通量卫星平台中空间行波管的用量大幅增加，行波管的功耗、热耗是平台设计的重要因素。Ku波段空间行波管作为广播通信和数据传输卫星载荷的关键部件，根据应用需求不同调整功率量级，并提高功率回退效率，降低平台热负荷具有十分重要的工程应用价值[13-17]。本文以Ku波段150 W空间行波管为研究对象，对其开展功率可调、高效率的研究。

1 理论分析

行波管输出功率调节可以通过两种方式实现：1) 改变输入功率；2)改变阴极发射电流。方式1)简单易实现，但是行波管的效率下降明显。与方式1)相比，方式2)不但可以使阴极电流密度降低，阴极寿命得到提升，而且行波管的热耗会变小，有效地减小行波管的散热压力。

行波管的效率可以近似地表示为[18]：

由上式可知，行波管效率与上述参数有关，设计中优化提升各参数，使每个参数都达到最佳状态，实现效率最大化。功率可调行波管由于阴极发射电流发生改变，工作状态也会随之变化。但是电流变化前后的整管结构保持不变，即电子枪、慢波结构、聚焦磁系统和收集极没有变化。因此设计过程中需要重点考虑以下几方面问题：首先，调节阳极电压改变阴极发射总电流大小，电子注的注腰半径和注腰位置也会随之变化。行波管如何在不同阳极电压下，保持高的电子流通率是实现行波管高效稳定工作的关键问题之一。其次，由于填充比减小，互作用能力下降，在高频系统设计时除了考虑电子注的互作用效率外，还需要平衡功率回退前后的电子注性能。最后，由于功率回退后电子注互作用后分布状态的不同，如何综合考虑收集极的结构和电场分布也是设计的关键问题。

Ku波段辐冷型空间行波管主要技术指标如表1所示。

表1 主要技术指标

根据行波管主要技术指标要求，合理规划分配设计参数。开展研究不同阳极电压下高性能电子注成型、传输设计；变电流的高效率互作用分布设计以及较大冗余范围的高效率多级降压收集极设计。

2 设计方案

2.1 电子枪

电子枪作为行波管的核心部件，主要功能是产生一个具有行波管所需尺寸和电流的电子束，使之与电磁场交换能量实现信号放大[19]。降低阳极电压减小阴极发射电流，实现行波管输出功率回退3 dB工作的同时，电子注的注半径和注腰位置也会随之变化。然而行波管的结构未发生变化，周期磁聚焦系统也不会因为阳极电压的变化而发生变化。本设计采用双阳极电子枪结构，合理设计电子枪的阴极、聚焦极、阳极以及离子阱的结构，使阴极发射电流变化前后的电子注半径大小以及注腰位置能适配同一套磁聚焦系统，且电子注波动较小。

由于电子枪结构未变化，所以导流系数也不变。根据导流系数Pµ计算公式：

式中，I0为电子注电流，单位为A；Ua为阳极电压，单位为V。根据高频互作用仿真计算结果，输出功率回退3 dB后所需的阴极发射电流与输出功率回退前相比下降了约39%，即I回退后=I回退前×61%。由式(2)计算可得到输出功率回退3dB时的阳极电压U回退后≈U回退前×72%。回退后的阳极电压比回退前的阳极电压降低了约28%。

电子枪过渡区磁场采用周期聚焦磁场，为了获得较小的电子注波动，磁场第一个峰值的位置一般设在电子注注腰位置附近，因此在设计电子枪时要确保阴极发射电流变化前后的电子注注腰位置变化很小。由于磁系统未变，所以电流变化前后的布里渊磁感应强度Bb不改变，Bb(高斯)计算公式如下：

式中，I0为电子注电流；r0为电子注半径，单位为cm；U0为电子注电压。由于功率回退前后仅通过改变阳极电压改变了电子注电流大小，而磁场和工作电压未发生变化，所以根据式(3)可推导出：功率回退后的电子注注腰半径减小约22%。

利用MTSS[20]对电子枪进行建模，分别针对电子枪的阴极、聚焦极、阳极以及离子阱的结构进行优化设计。电子枪在不同输出功率状态下的仿真结果如图1和表2所示。由表2可以看出，阳极电压Ua降低28%，阴极发射电流IK下降39%，电子注注腰半径r减小24%，注腰位置L基本不变。

图1 不同输出功率状态下的电子注轨迹仿真结果

表2 电子枪仿真结果

综合考虑不同阳极电压下的电子注状态，优化设计电子枪过渡区磁场，使不同电压下电子注都能满足互作用要求。利用MTSS对加载过渡区磁场后的电子枪模型进行三维仿真计算，阴极发射电流变化前后的电子注包络仿真结果如图2所示。可以看出，阴极发射电流变化前后的电子注波动较小，满足设计要求。

图2 加载磁场后不同发射电流的电子注包络仿真结果

2.2 慢波系统

空间行波管在具有大功率、高效率、高增益的同时，也须具备较高的线性度以满足卫星系统的要求。阳极电压变化会产生不同电流状态的群聚过程，高频互作用设计不仅要保证在不同电流状态下的输出功率、电子效率、增益以及相移等满足技术指标要求，同时也须考虑互作用后到达收集极入口处的电子能量分布状态，使收集极效率在功率回退前后依然保持很高的水平。

根据行波管的工作原理可知，电子注与波需要保持长期的同步，进行有效的正向能量交换，从而达到提高电子效率的目的。保持注−波同步的方法主要有两种：1)使行波的相速逐渐变慢，也就是相速渐变；2)提高电子注电压，促使电子注的速度增大，也称为电压跳变。本设计方案采用负渐变动态相速渐变螺距分布，对螺旋线的螺距跳变/渐变位置和幅度进行有目的的选择，使得电子与电磁波充分互作用，在提高电子效率的同时，也改善了输出功率与输入功率之间的线性特性。归一化螺距分布图如图3所示。

图3 归一化螺距分布图

输入段采用均匀螺距P1，实现一个群聚良好的电子注，建立一个增益不小于20 dB的增长波；在输出段开始部分仍然采用均匀螺距，增大此段螺距P2可以对相位进行补偿，但是增大到一定数值以后电子效率会急速下降，设计时需要均衡考虑电子效率和相位补偿。输出段后半段螺距P3、P4及P5渐变减小，相速降低保持注−波同步，使群聚电子能够最大程度地将能量交给高频场。螺距P5对收集极最大可回收效率有影响，设定螺距时需要均衡考虑电子效率和最大可回收效率，实现整管效率最大化。

当行波管输入信号为Acos(wot)，则输出信号为GAcos(wot+φ)，φ即信号放大后的相移：

式中， βe为电子速度为v的波的传播常数， βe=w/v；L是行波管的长度；C为皮尔斯增益参量，C=(Kc I0/4U0)1/3；y为式(4)解方程的虚部。由于同步电压Uo不变，改变阳极电压调节阴极发射电流I0会导致皮尔斯增益参量C变化，从而导致相移也随着阴极发射电流变化。为了抑制返波振荡和反射振荡，在输入端设置两段衰减器，通过调节衰减器长度和衰减量，确保行波管稳定工作[21]。利用MTSS螺旋线行波管模拟软件对注波互作用结构进行模拟仿真，阴极发射电流变化前后仿真设计对比结果如图4所示。

由图4的仿真结果所示，在工作频带内行波管饱和输出功率≥176.4 W，电子效率≥39.95%，增益≥61.33 dB；输出功率回退3 dB时，电子效率≥30.82%，增益≥46.18 dB。

图4 输出功率、电子效率和增益仿真对比图

Ku波段行波管在中心频率点的相移与AM/PM仿真结果如图5所示，仿真结果显示输出功率150W时的相移≤37.83°，辐相转换系数≤3.72°/dB；输出功率回退3 dB后的相移≤32.36°，辐相转换系数≤2.77°/dB，设计冗余量满足技术指标要求。

图5 输出功率回退前后中心频点相移和幅相转换系数仿真结果

根据收集极入口处的电子能量分布，采用四级降压收集极结构，输出功率150 W状态下的收集极最大可回收效率为90.21%，功率回退后的收集极最大可回收效率为91.78%，回退前后收集极最大可回收效率相差不大，通过合理设计收集极电极结构和电位分布，可以获得较高的回收效率。

2.3 收集极

收集极要尽可能多地回收互作用后的电子能量，避免这部分能量全部以热能的形式损耗掉。电子注在进入收集极之前的纵向速度是零散的，特别是高电子效率的情况下，互作用后的电子速度零散更为严重，如何最大限度地回收不同速度的电子，使所有电子打到收集极电极上前都得到充分的减速，将电子能量转化为电势能回馈给电源系统是多级降压收集极设计的关键[13]。Ku波段空间行波管采用非轴对称四级降压收集极[22]的设计方案，通过优化收集极各电极结构、极间距离及各级电压，确保在输出功率回退3 dB后依然拥有较高的回收效率。同时对收集极铜电极表面进行离子溅射处理，抑制收集极二次电子发射，使得输出功率回退前后的回流电流也保持在较低的水平。

利用MTSS对收集极进行仿真优化，输出功率回退前后的收集极效率仿真结果如图6所示，仿真结果显示饱和状态下的收集极效率≥77.31%；功率回退后收集极效率≥77.12%。功率回退前后收集极效率基本保持不变，且维持在较高的回收效率水平，满足设计指标要求。

图6 输出功率回退前后收集极效率对比

3 测试结果

根据以上设计方案完成了Ku波段辐冷型空间行波管研制，整管实物图如图7所示。

图7 Ku波段150 W辐冷型空间行波管

经测试，行波管在整个工作频带范围内的输出功率、效率和增益测试结果曲线如图8所示。从测试结果可以看出，Ku波段空间行波管在工作频带内，连续波最大饱和输出功率为158 W，最大总效率为70.18%，最大饱和增益为60.29 dB；输出功率回退3 dB时，最大总效率为63.05%，最大增益为46.01 dB。

图8 Ku波段空间行波管输出功率、效率和增益测试结果

Ku波段空间行波管主要技术指标的测试结果如表3所示。Ku波段空间行波管在500 MHz的工作频带内螺旋线电流不超过0.93 mA；相移≤44.6°；群时延波动≤0.467 ns，行波管在具备高效率的同时，具有良好的副特性。整管结构设计在保证可靠性的同时，进行了轻量化优化设计，整管重量不超过1 kg，满足卫星系统使用要求。

表3 Ku波段空间行波管主要测试结果

输出功率回退前后的电子效率、收集极效率仿真结果与实测值的对比分别如图9和图10所示。由图中所示结果可知：在工作频带内，实测输出功率150 W状态下的电子效率≥33.48%，收集极效率≥77.76%；输出功率回退3 dB后的电子效率≥27.11%，收集极效率≥76.98%。由于在仿真过程中，忽略了线路损耗和其他损耗，输能驻波比按照理想状态设置，导致电子效率仿真结果偏高。收集极入口处的电子分布状态仿真结果与实际情况存在差别，致使收集极效率仿真结果与实测值有一定的偏差。加之行波管零、部组件加工误差，整管装配焊接等工艺误差的影响，加大了仿真结果与实测结果的偏差。整管测试结果满足技术指标要求，研制方案具有可行性。

图9 电子效率仿真结果与实测结果对比

图10 收集极效率仿真结果与实测结果对比

4 结束语

根据卫星通信系统对功率可调空间行波管的使用需求，具体分析了行波管功率回退设计中存在的难点，提出了一种Ku波段高效率功率可调空间行波管的设计方案，根据设计方案研制出样管并进行了测试。测试结果显示行波管在工作频带内，饱和输出功率≥153.2 W，总效率≥68.60%，当输出功率回退3 dB时，总效率≥60.85%。Ku波段功率可调高效率空间行波管的成功研制，对于其他波段行波管开展功率可调高效率技术的研究，具有一定的参考价值。