Q/V波段空间行波管及应用

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

  Q/V 波段空间行波管具有工作频率高、带宽宽、传输速率快等优点。本文介绍了国内外Q/V 波段螺旋线行波管的研究状况以及在未来空间应用情况。

  空间行波管是卫星通信系统中重要的高功率放大器件。与固态器件相比,空间行波管具有高效率、高功率、抗宇宙射线等优点,因而广泛应用于卫星通信系统。据报道,目前在轨的L、S、C、Ku、K、Ka 波段空间行波管已超过数千支;Q/V 波段空间行波管工作频率高,具有其独特的优势和潜在的空间应用需求,美国及欧洲国家已开展了有关研究工作,而且部分产品已得到空间应用。

1、Q/V 波段行波管研究状况

  Q 波段(40 ~ 50 GHz)、V 波段(50-75 GHz) 频率高、带宽宽,尚有巨大应用空间。美国L-3 公司、法国THALES 公司对Q/V 波段行波管的研发已有十多年的历史,其产品种类比较齐全,行波管性能指标高,部分产品通过了空间环境试验,且某些产品已在轨运行。L-3 公司及THALES 公司开发的Q/V 波段行波管产品介绍如表1 所示。图1 为美国L-3 公司研发的V 波段75 W 空间行波管放大器实物图,目前已完成了空间环境试验,包括随机振动、冲击振动、热真空等试验,正开展寿命实验,表2 给出了V 波段75 W 行波管环境试验条件,图2 为V波段75 W 行波管热真空试验图。

表1 L-3 公司及THALES 公司开发的Q/V 波段行波管产品性能

L-3 公司及THALES 公司开发的Q/V 波段行波管产品性能

表2 V 波段75 W 行波管环境试验条件

V 波段75 W 行波管环境试验条件

V 波段75 W 空间行波管放大器实物图

图1 V 波段75 W 空间行波管放大器实物图

V 波段75 W 行波管热真空试验图

图2 V 波段75 W 行波管热真空试验图

  国内对Q/V 波段空间行波管的研究在北京真空电子技术研究所(BVERI) 开展,目前尚处于研制阶段,行波管主要性能如表3 所示。

表3 国内Q/V 波段空间行波管性能

国内Q/V 波段空间行波管性能

  Q/V 波段空间行波管研制中存在很多技术难点,可分为设计和工艺控制两个方面,以下给出了具体解决措施:

  (1)设计难点及采取的措施

  高效率设计:选取较小螺旋线内径、较薄螺带可以提高慢波结构耦合阻抗,采用动态相速渐变技术以提高电子效率;设计四级降压收集极,对收集极电极进行表面改性处理,从而提高收集极效率;结构可靠性设计:借鉴Ka 波段空间行波管结构设计,能够经受2400 G 的冲击;同时设计输能结构加固套及支架,使得行波管能够通过冲击、振动等环境试验;开展热学、力学仿真模拟,进一步优化结构设计;

  返波振荡抑制:由于Q/V 波段空间行波管工作电压高达10 kV,为防止返波振荡产生,设计时控制负一次空间谐波耦合阻抗,采用相速渐变和跳变,提高起振长度,同时设置主衰减器和副衰减器,可以增加起振长度。

  (2)工艺难点及采取的措施

  螺旋线绕制:Q/V 波段空间行波管电子注通道小,螺旋线绕制芯杆细,采用传统绕制方式芯杆极易变型,影响绕制精度,为此设计了专用夹具,保证了螺旋线绕制精度为2 μm;

  高流通率工艺保证:为保证行波管具有较高的流通率,采用套封电子枪结构,制作专用装配模具,保证电子枪各电子同轴度在0. 02 mm 以内;同时采用高频精密对中技术,保证了行波管高流通率,经测得V 波段空间行波管动态流通率在97. 5%以上,图3、为流通率测试曲线。

  图4 为BVERI 研制的V 波段20 W 空间行波管功率和效率测试曲线。

V 波段空间行波管动态流通率测试曲线

图3 V 波段空间行波管动态流通率测试曲线

V 波段20 W 空间行波管功率、效率测试曲线

图4 V 波段20 W 空间行波管功率、效率测试曲线

2、Q/V 波段行波管空间应用

  Q/V 波段行波管在空间应用中具有以下优势:①与低频段相比Q/V 波段具有更宽的带宽;②在整个微波频带内Q/V 波段这两个频段从未被使用,这两个频带比较纯;③与Ka 波段相比,Q/V 波段卫星波束小;④对于晴空中相同的用户终端和卫星天线尺寸(或功率),Q/V 波段点对点链接性能好( 与Ka 波段相比高6 dB 左右)。

  美国通信协会(FCC) 早在90 年代初就预测了Q/V 波段空间器件未来应用的重大需求。目前美国以及欧空局明确将Q/V 波段空间行波管作为未来星际通信、卫星上行数据链接的重要器件。Q/V 波段空间行波管主要应用包括以下几个方面:

  ①视觉点对点链接线路(LOS);②自由空间光学系统(FSO);③兆字节/秒的无线网络通讯;④宽带固定无线终端(BFWA);⑤卫星通信(Satcom);⑥航天卫星通信(Aerosat);⑦高海拔系统(HAPS);⑧移动通信系统;⑨用于网络回程近距离转发器。

Q/V 波段空间行波管应用举例

图5 Q/V 波段空间行波管应用举例

3、结论

  本文介绍了国内外Q/V 波段空间行波管研就进展及其应用需求情况,为后期的深入研究及应用提供了有利依据。

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