時利勇，常 麗

(1.中國電子科技集團公司第27研究所測控部，河南鄭州 450000;2.河南交通職業(yè)技術學院人文社科系，河南鄭州 450005)

行波管放大器是常用的一類重要電子設備。由于具有寬帶、大功率的特點，在國防裝備中，是雷達、通信、電子對抗、遙測遙控和精密制導系統(tǒng)的核心;在信息系統(tǒng)中，作為電視臺微波通信源和衛(wèi)星通信的轉(zhuǎn)發(fā)器等，行波管放大器已得到廣泛應用。

在低頻率、低功率情況下，行波管放大器完全被固態(tài)放大器替代，但在毫米波段，行波管放大器占有絕對的優(yōu)勢，是唯一可選的技術途徑。固態(tài)放大器即使采用功率合成，在相當長時間內(nèi)，其功率輸出也不可能達到行波管放大器的水平［1］。我國衛(wèi)星通信相關領域所采用的Ka頻段發(fā)射機長期以來依賴進口，因此開展了Ka頻段行波管發(fā)射機的研究工作。本文重點針對衛(wèi)星通信用Ka頻段250 W行波管發(fā)射機的相關技術進行研究。

1 行波管放大器工作原理

1.1 行波管的原理和分類

行波管(TWT)通過電子束和射頻信號進行能量交換實現(xiàn)對微波信號的放大。電子槍發(fā)射出強流細束電子注，經(jīng)較長的距離到達收集極，在電子注前進的過程中由周期磁場克服電子間拆力保持電子注有一定的直徑。待放大的微波小信號由輸入耦合器進入行波管慢波系統(tǒng)，在電磁波與電子注保持同步前行的過程中，電子注與微波產(chǎn)生能量交換，經(jīng)輸出耦合器得到放大的微波信號。

行波管主要由電子槍(electron gun)、慢波系統(tǒng)、收集極(collector)、輸能裝置(輸入、輸出耦合器)、集中衰減器、磁聚焦系統(tǒng)組成。為保證行波管正常工作，需在各電極饋以合適的工作電源，從行波管安全因素考慮，對各電極電源工作狀態(tài)需加以檢測和限制。

為適應不同應用的需求，行波管的發(fā)展已形成一個龐大的家族，可從不同的角度進行分類。按所用慢波結構，可分為以下幾類:(1)螺旋線行波管。這類行波管帶寬最寬，可達4∶1以上。但由于受返波振蕩的限制，螺旋線電壓不能過高，因此脈沖功率較低，一般在10 kW以下;由于受散熱限制，其平均功率＜1 kW。(2)環(huán)稈行波管和環(huán)圈行波管。這類行波管的工作電壓較螺旋線高，因此脈沖功率比螺旋線行波管要大，其平均功率主要受環(huán)稈和環(huán)圈散熱能力的限制，比螺旋線行波管略大，但帶寬略窄。(3)耦合腔行波管。這類行波管，共同特點是慢波結構為全金屬，故散熱能力強、工作電壓較高，輸出功率大，但帶寬較窄。所以，人們還在尋找擴寬全金屬慢波結構帶寬的方法。

按行波管功能，可分為寬帶功率行波管、大功率行波管、雙模行波管、相位一致行波管、低噪聲行波管、調(diào)相行波管、儲頻行波管和衛(wèi)星通信行波管。其中衛(wèi)星通信行波管分為星上用管和地面站用管兩大類。它們的共同點是工作頻帶較窄，但對性能要求嚴格。如為了減小失真，工作頻帶內(nèi)增益波動應＞1 dB，增益斜率＜0.05 dB/MHz，調(diào)幅調(diào)相轉(zhuǎn)換要小;為避免多個信號間串擾，要求交調(diào)越小越好;兩者都要求效率高、壽命長和可靠性高，而星上用管對效率、壽命、可靠性的要求應更高。

1.2 行波管放大器的特點

行波管的最大特點是可以兼有寬頻帶和高增益。眾所周知，要提高通信系統(tǒng)信息的傳輸量，就需要發(fā)射機有足夠的帶寬和功率。而在雷達和干擾機的對抗中，雷達要有盡可能寬的工作帶寬，以便隨時跳頻躲開干擾，或用多部工作于不同頻率的雷達同時照射一個目標，使干擾機顧此失彼。而干擾機也在不斷擴展帶寬，以便干擾盡可能多的不同頻率的雷達。因此，無論是通信系統(tǒng)還是雷達和干擾機，都需要微波管同時具有較高的增益和快速的工作帶寬。

毫米波段行波管放大器在輸出功率和效率方面優(yōu)勢明顯。在低頻率、低功率的情況下，行波管放大器完全被固態(tài)放大器替代，但在毫米波段，行波管放大器占有絕對優(yōu)勢，是唯一可選的技術途徑。固態(tài)放大器即使采用功率合成，在相當長時間內(nèi)，其功率輸出也無法達到行波管放大器的水平。另外效率方面，行波管采用降壓收集極的方法可以進一步提高效率，毫米波段固態(tài)放大器效率通常約為行波管放大器效率的1/3。

行波管需要高壓電源供給維持正常工作，對于衛(wèi)星通信應用要求高壓電源具有較高的穩(wěn)定度和較低的紋波。

2 發(fā)射機組成和可達技術指標

毫米波行波管發(fā)射機的組成如圖1所示，發(fā)射機采用兩級放大方式，主要包括驅(qū)動控制模塊、高壓電源、行波管、微波網(wǎng)絡、監(jiān)控板和散熱裝置等［2］。

圖1 發(fā)射機原理簡圖

前級采用固態(tài)功放實現(xiàn)信號的驅(qū)動放大和控制，行波管實現(xiàn)最終的信號放大。高壓電源、監(jiān)控板和微波網(wǎng)絡為發(fā)射機饋電并維持其正常安全工作［3］。最終發(fā)射機可完成對微弱信號的放大，連續(xù)波輸出功率達250 W，整機增益＞70 dB，三階交調(diào)達－35.38 dB，測試結果如圖2所示。

圖2 三階交調(diào)測試結果

其他主要技術指標如表1所示。

表1 發(fā)射機主要性能指標

典型技術指標和美國休斯公司兩種同類產(chǎn)品指標比對如表2所示。

表2 和美國休斯公司產(chǎn)品性能指標對比

如表2所示，與休斯公司同類產(chǎn)品相比，主要技術指標基本相當，略有異同。

3 行波管發(fā)射機的關鍵技術

3.1 高壓電源技術

高壓電源是行波管主要的能量來源，高壓電源的性能對發(fā)射機輸出信號的質(zhì)量和整個發(fā)射機的重量、體積和功耗等起著重要的作用。因此在發(fā)射機設計時，高壓電源是設計的重點。行波管要求高壓電源陰極輸出達－14 kV，收集極1輸出－8.5 kV，收集極2輸出－11 kV，高壓電源輸出功率接近700 W。因此高壓電源的高壓絕緣和散熱設計決定了整個電源的體積和重量。

高壓電源設計重點在于解決低紋波、防過沖和高壓轉(zhuǎn)換等技術難點，高壓電源的開關機滿足一定的加去電時序，去電時序是加電時序的逆過程。電源采取Boost型移相全橋軟開關變換器拓撲形式，降低了開關損耗和開關噪聲，進而降低了電源紋波，同時提高了電源效率;為提高電源可靠性和減小體積，采用高壓灌封工藝和合理的散熱措施，把整個高壓電源封裝在一個模塊內(nèi)［4－5］。

圖3 Boost型移相全橋軟開關變換器電原理圖

3.2 微波網(wǎng)絡

放大器高頻系統(tǒng)由行波管和與之相連的微波網(wǎng)絡組成，使用各種微波元器件的目的是確保放大鏈能穩(wěn)定可靠地工作，獲得性能良好的輸出信號及監(jiān)控保護所需的各種數(shù)據(jù)。微波網(wǎng)絡的設計首先要保證微波網(wǎng)絡所用器件耐受功率的能力滿足既定要求，其次滿足整機輸出頻譜的特定要求，更重要的是，微波網(wǎng)絡和整機控制保護電路等配合保證整機安全可靠地工作。

3.3 控制保護技術

控制保護技術對提高發(fā)射機的可靠性具有重要的意義。由于行波管發(fā)射機的特殊性，盡量采用簡單可行的控制方案，選用微處理器結合硬件電路實現(xiàn)整機的控制保護。著重解決高低電位隔離，信號傳輸和抗干擾等問題，重點解決當出現(xiàn)負載駐波過大或行波管打火等故障時，如何快速有效地關閉電源保護行波管。

4 結束語

研制的毫米波行波管發(fā)射機采用風冷散熱，設備簡單、體積小、重量輕，經(jīng)環(huán)境試驗滿足室外工作條件，可直接安裝在天線叉臂上以減小遠距離傳輸帶來的饋線損耗，彌補毫米波段功率。該發(fā)射機連續(xù)波輸出功率可達280 W，效率為40%。

［1］顧繼慧.微波技術［M］.北京:科學出版社，2004.

［2］鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發(fā)射機技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［3］廖復疆.真空電子技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［4］GILMOUR A S.Principles of traveling wave tubes［M］.Norwood，MA:Artech House，1994.

［5］肖建平.高壓開關電源的拓撲研究［J］.電子科技大學學報，2007(4):726－729.