一种螺旋线型空间行波管的线性设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:李彦宾

  本文介绍一种螺旋线行波管的线性设计,该行波管用于通信。为保证通信信号的质量,该型行波管必须具有较好的线性性能,如相移、三阶交调等,文中将结合一种Ka频段空间行波管的改进过程,以相移作为线性参数的代表性指标,分析所采取的改进措施对行波管线性性能的提升。目前,该行波管的主要高频参数为:相移50°(饱和回退20dB)、饱和增益50dB、互作用效率20%。

  在空间应用环境中,能源十分有限,各元器件无法维修或更换,并且卫星的发射成本高昂,受这些条件限制,以空间通信为应用背景的行波管必须具备高可靠、高效率、长寿命的基本特征。

  本文介绍的空间行波管为通信应用。相对于模拟通信系统而言,数字通信系统具有容量大、抗干扰能力强等优点,因此,现代通信系统的主要节点多为数字通信系统,并且系统中广泛采用频分复用、码分多址等技术提高系统的传输容量、多用户、抗干扰等性能指标。采用这些复用技术时,为保证信号的质量、降低传输中的误码率等,要求执行信号放大任务的微波放大器具有优良的线性性能。具体到本文介绍的Ka频段空间行波管,可以将相移作为线性指标的代表性参数。

  综上所述,为满足通信应用需求,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为Ka频段空间行波管必须具备优良的线性性能(以相移为代表性参数),同时还需具有高可靠、高效率、长寿命等空间行波管的基本特征。行波管的线性性能主要受高频性能的影响,以下从工程应用对行波管的要求,分析本文Ka频段空间行波管高频系统必须达到的性能水平。

  (1)线性性能

  在实际应用中,通信系统对行波管的线性指标要求囊括许多参数,如增益平坦度、三阶交调、相移、群时延、增益压缩等等,其中最关键也是最具代表性的参数是相移,一般来说,要求行波管的相移≤50°(-20dB)。

  (2)系统复杂度

  对空间通信系统而言,可靠性至关重要,降低系统的复杂度对系统的可靠性有重要意义。从这一方面来考虑,空间行波管必须具有足够的增益,从而减少放大链的级数、减少元器件数量、最终降低系统复杂度。本文中系统要求行波管增益≥50dB。

  (3)效率

  为充分利用有限能源,空间行波管必须尽可能提高效率。提高空间行波管的效率不外从提高互作用效率、收集极效率两方面着手,本文只讨论其中之一—提高互作用效率;采取的手段主要为提高慢波线的耦合阻抗和螺距渐变设计。

  (4)长寿命

  卫星必须具有足够长的寿命,才能使成本降低到社会可承受的范围内。国外主流空间行波管产品的寿命普遍达到15年以上。提高行波管的寿命一般从以下几个方面着手:

  ①降低阴极的工作温度;②降低阴极发射面的电流负荷;③降低膜层退化的速度;④提高和维持管内真空度等。

  在阴极发射面面积不变的前提下,降低阴极发射面的电流负荷就意味着降低阴极发射的总电流。反映在高频参数上,在设定工作电压上限的前提下,降低阴极总电流就需要尽可能地提高注波互作用效率。

  一般来说,空间应用中要求行波管效率≥50%才有实际应用的意义。从Ka波段空间行波管的研制经验来看,要使行波管的总效率≥50%,其高频系统的注波互作用效率需要达到20%左右。

  综上所述,工程应用实际对本文Ka频段行波管的要求可概括为:相移≤50°(-20dB),增益≥50dB,并具有尽可能高的注波互作用效率(20%)。

1、行波管高频线性参数设计

  1.1、高频设计

  本文介绍的Ka频段空间行波管为螺旋线型。该行波管在高频设计过程中主要采取了以下几种措施:

  (1)选取较小的γa,提高耦合阻抗;

  (2)采用异形介质夹持杆(如金刚石夹持杆),以提高耦合阻抗、降低介质损耗;

  (3)对螺旋线进行表面处理,降低高频损耗;

  (4)采用动态相速渐变(DVT)技术,提高注波互作用效率,同时保证非线性性能。

  DVT技术是一种螺旋线螺距渐变设计方法,即:在高频系统中,螺旋线的螺距首先变大,然后在合适位置逐渐变小,通过这种所谓的螺旋线螺距的双渐变,造成螺旋线轴线上的电磁波相速相对于电子注运动速度的变化,以控制电磁波与电子注相互作用的过程,从而既提高了注波互作用效率,同时也改善了高频线性特性。

2、结论

  以上仿真和实测数据表明:螺旋线型行波管采用DVT技术,使用图1中的B型螺旋线螺距渐变方案时,行波管的主要高频性能指标可达到如下水平———互作用效率20%、相移50°、增益50dB、总效率≥53%,能够满足空间应用环境中对Ka频段空间行波管的要求。

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