国外空间行波管放大器现状与发展.docx

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1、空间行波管放大器发展历程空间行波管放大器于1962年首次应用。其行波管(TWT)由贝尔实验室(Bell Lab)制造并用于Tclestarl卫星，频率3.7GHz4. 2GHz,输出功率2W,增益 40dB,效率10%,相移50,质量IKg, 一个收集极。1973年由AEG公司制造 了欧洲首个空间行波管放大器，技术指标有了很大的改善，频率3. 7GHz4.2GHz,输出功率13W,增益46dB,效率34%,相移50,质量640g, 一个收 集极。20世纪70年代中期，由于固态器件的迅速发展，要求功率较小的微波 接力通信用的行波管逐渐被固态器件所替代。在卫星有效载荷中，小功率和低 噪声放大器已被

2、固态放大器替代。面对固态器件的迅猛发展，不少人认为行波管被固态器件所完全替代只是时间 问题，而且一些国家也停止了对行波管的研究工作。经过一番曲折，人们认识 到行波管的优势在于高频率、宽频带、大功率领域，这正是雷达、电子对抗、 卫星通信的发展方向。因此，行波管在失去了一些阵地以后，在新的阵地上又 重新迅速地发展起来，形成了一个庞大的行波管家族。最近几年，行波管在世 界范围受到重视，各国进行了大量的研究工作，发展异常迅速。空间行波管放 大器的功率水平、效率、寿命、体积、重量、波段覆盖范围得到不断地更新。1、空间行波管放大器的特点a.空间行波管放大器在真空状态下工作空间行波管放大海工作在真空环境下，

3、在这种条件下，放大器可能会产生低气 压放电效应。行波管电源本身工作在高压状态，应防止微放电或电晕放电情况 的发生。b.空间行波管放大器高可靠、长寿命空间行波管放大器具有不可维修性，所以对其可靠性要求很高，对于通信卫星 用放大器，寿命要求长达15年。c.空间行波管放大器效率高由于空间电源容量的限制，星载电子设备的耗能和效率是个倍受关注的指 标。星上能量的80%90%要用于行波管放大器。对于通信卫星来说，一个星上 可能需要多达几十个行放，因此效率提高几个百分点对整星功耗的减少也是相 当可观的。d.空间行波管放大器体积小、重量轻 星我设备对体积和重量有严格的要求。一般来说，有效载荷质量减小1kg,运

4、 载火箭的起飞质量可减小12吨。因此，在设计空间行波管放大器时要千方百 计地减小体积和重量。能够为以后新的任务打开新的市场，可变化行波管放大器将会在多任务应用中 找到用武之地。5、结束语空间行波管放大器是卫星有效载荷的关键部件，发达国家已经有40多年的研发 和制造历史，其产品已经形成系列且长期在轨运行，可靠性和寿命己经得到充 分验证。已经得到充分验证。近十几年来，一些发展中国家（如印度）也在积极 地进行空间行波管放大器的开发并取得一定的成果。空间行波管放大器将不断 地向更宽频带、高功率、高效率、高线性、小体积轻重量、高可靠和更长寿命 的目标发展。木文为中国空间技术研究院西安分院李卓成研究员。e

5、.空间行波管放大器抗辐照特性空间行波管放大器工作在具有各种辐射的空间环境中。在天然空间辐射环境 中，行波管放大器往往因经受空间辐射而导致性能降低或失效，甚至最终造成 空间飞行器灾难性后果。因此，它必需有抗各种空间辐射的能力。f.空间行波管放大器优秀的力学性能空间行波管放大器要有很强的抗抗冲击、耐振动性能，以便能够忍受卫星发射 的恶劣环境。g.空间行波管放大器具有遥控遥测功能空间行波管放大港能够在地面实现遥控开、关机，可以通过在地面遥测放大器 的有关技术参数（如开、关机状态、螺流、阳压、故障状态）来判断放大器的工 作状态。h.空间行波管放大器技术指标要求高空间行波管放大器通常主要指标要求为：带宽

6、500MHz,增益平坦度W0.5dB, 增益斜率。OldBpp/MHz, AM/PMW4.5 /dB,三阶交调W-23 dB,噪声系数V 33 dBo效率优于45%,谐波抑制特性W-20 dBc, EPC杂波抑制：W-60 dBco2、空间行波管放大器产品现状国外空间行波管（放大器）的制造商有美国L-3、德国的TESAT、法国的 Thales,俄罗斯的ALMAZ和日本的NEC。当前空间行波管放大器主要由空间行 波管制造商完成集成，还有一些空间有效载荷制造商采购TWT与自己制造的 EPC或第三方的EPC集成为TWTAo目前国外空间TWT/EPC产品的主要性能如表 16所示。TESAT在研制空间行

7、波管放大器方面已有40年的历史，2001年以前已给不同 国家的94个空间工程提供了 TWTA,占全球市场的45%0它的产品覆盖了 V频 段以下的所有频段，功率范围10W450队 其中Ku波段占据94个项目的70机 表7介绍了 TESAT典型的Ku波段TWTA产品的主要技术指标。波段里号频率（Cl。）功率（”）效率（出）体积 Lxl x II (yn)冷却方式183200111，26 x 3.5 x 3295()传牛183200“ H1 -4MJ -O - ff2X x 6. 5 x6.52795幅射SX4I2IIB2. M -2.X90-15062 -652().K x5 x5125()忸射S

8、425OIIK200 - MX)66-6927x5x53170幅射C8555H20-12054-6515x3.1 x2.9790传导XXhlhOII7-925-16555-6514.6 x3 x3.2965传导Ku网50H10.730-ia)60-70II.X x3.1 x2.76*)5传，8XI5OIIK-12.75100-ISO14.8 x3 x2.5VM)物射91001130-13011.3 x3 x2.5760传片K9I00IIB17-226511.3x5x5.J 二包Ka9991122-4020-2U)5O-)14.1 x3.5 x2.714*8传导表1、L-3公司的空间TWT产品参

9、数波段型号械率功率、）效率，增益MH”冷却方式L11.12501.45 1.65200 -2S06535 -4345传分1122402.15 -2.65220 -2756635 -3845传9、辆射c1141153.4 4.285 -1256X 7048 - 5345 - 50传、箱时X1114 3(XM /H7.25 -S.5 -16O665545传导、朝财KuIH4725B/I11I4825B10.7 - 12.75100-150150 22070M50 -6048 -5535 - 4635-46仲铮.辐射的导、箱射nivw)W -15063 - 6550 -6040-55传9、辎射K11

10、 UK 1617.3-22130-17065SO 6040-55位导、福射1114906J 70 -20()6550 -6040 -55传，.陋射1462b25 - 27. 530-75505050传，ni4f)063210-35S35050传导KuH .14140 (脉洞13 14130-14055556大：,海坦子表2、Thales空间TWT产品参数波段型号功率（）寿命（h）效率（）体枳 Lx xll（rm）质 fit（K）1YR - 2(X)2KO55(XX)555X0 X 95 x525(M1YB 2(MM7-85()in)60330x55 x422900YB- 2OI28 -9401

11、0000050330x55 x42X(X)YB - 2()OSAl(X)l(XXXX)56357 x74x49X(M)cMl - 200715()5500046447 x74 x492300X K - A21XIX154)l(MXXX)55357 x74 x491800KuYl- 2OIO13.4-1450770004546() x69 x49 真空管子YB-A20II14.5-154055(MM)45460 x 69 x 49F而表3、俄罗斯ALMAZ公司空间TWT产品参数波段频率 型号S功率 寿 效率质量（W）命 （Kg）s12()52KuLD7833129() - 12() 20 年 6

12、40. 68Ka215() -23055V443541 他送子表4、日本NEC公司空间TWT主要产品参数母线 电压剂口山DC变换效率% 质鼠型】L源乱置 功率（v）典型值（Q35W5OV,70J00V2(X)()HxI TWT 对1EH：30094 12(H)25()()HxI TWT 对1EI4：5()094 155()24()01 lx2TWT 对IEM：60094175022 V -42V23001 lx I TWT 对 IKIX：12091 125()2302Hx I TWT 对 1 EK：25()93 H闫尔表5、美国L-3空间TFTA鉴定件的EPC产品参数配套T TA 功率15W-

13、22OW可靠性4(M)fils50(：母线电压28V,50 , 100稳压或半稳压辅助 人 , 、2 个 5 15 V（I0W） 电源质量1250g- 1450g匕，177 x63. 1 x 109.4体积 250x84 x 105mm效率95%最大寿命18年工作温度-20 C +70Y：杂波抑制-60IBc Ku喘i需表6、Thales空间EPC产品典型参数Ku I5OW (l.CTWTA)Ku I2OZ24OW测试项目技术指标测试项目技术指标功率15()X (sal)功率I2OW (单 TWT)增益52dB-58dB240“(双 TW T)带宽效率59.5% (单 TV)相移13 (sat

14、)60.6% (双 TV)杂波EK：杂波AM/PM转换M/PM转换C/IM312山k(sal )C/IM3谐波总和2025dBc (IBO 为-3dB), NPR 17dB(IBO 为-3.5dB),质量 400go1.3 空间TWTA功率合成技术从外层行星或月球附近轨道运行的空间飞行器发射的通信信号传到地球表面天 线需要传播很大的距离。此外，由于距太阳距离的增加，在飞行器表面可用于 转换为电能的太阳能减少，因此，需要开发高效率和高功率的功率放大器。要 实现超大功率的空间行波管放大器，若用单一的TWT便遇到技术上的挑战，运 用功率合成技术是解决这一问题的有效途径。NASA Glenn研究中心提

15、出了一种新颖的功率和成器架构。这种基于混合魔T的 功率合成技术可以实现输出IkW级的功率能力。该中心已经成功地演示了这种 功率合成器。它用两个100W的TWTA,中心频率32. 05GHz,带宽500MHz,合成 效率可达90机 根据这个测量结果，预计8个100W(TWT型号999H)的TWTA可实 现效率73%,如果用4个200环的(999HA)可实现效率81%。1.4 空间探测行波管放大器研制1，-3研制了一种新型的K波段行波管放大器。该放大器的技术指标实测为：中 心频率25. 5GHz25.8GHz,输出功率42. 17也 相移30。，增益49. 25dB, AM/PM变换3. 5 /d

16、B,效率45%(其中，TWT效率为55. 2给，噪声系数 29. 97dB,二次谐波23.5dB。该放大器共研制三套，第一套用于月球探测飞行 器，第二套作为模样用于机械冲击和震动试验以评估其特性裕量，第三套用于 NASA国际空间站。美国Calabazas Creek研究所和Wisconisin大学正在开发一种运用三维微加工 技术的650GHz的行波管放大器。开发的重点在于新型平面互作用电路，长寿 命、高电流密度电子枪，高效、小型、轻量的电源。微加工的批量特点保证了 增加元件产量、可靠性和降低成本的可重复性。这种太赫兹放大器可用于卫星 高空大气成像和探测和对流层以上高空俯视探测。该放大器的技术参

17、数为：中 心频率650GHz,输出功率360mW,工作电压12kV,工作电流12mA。有关的测试 工作还在进行中。3. 5在轨功率可调行波管放大器研制在轨功率可调放大器的必要性：其一，目前空间行波管放大器输出功率范围为 10W250W,在许多情况下，用户不能预先选精确知道需要多大的输出功率。如 果功率可调，行波管制造商能够在较短的时间内向用户提供可以在不同功率下 应用，且效率可以保持在较高水平的产品；其二，卫星中安装行波管放大器的 位置不能预先确定，因之传输功率的遗昱长度也不能确定，所以波导损耗不能 确定。如果在保持高效率情况下输出功率可调，将使整个系统实现优化设计， 缩短调试时间；其三，行波

18、管放大器在轨功率可调，可通过地面遥控改变功率 大小来适应空间业务的变化，补偿雨天带来的短时间的信号衰减，优化放大器 的冗余设计以及重新构建卫星任务等。功率可变TWTA的特征是它在不同功率电平下以饱和状态下工作，以获得稳定的 射频功率输出且对输入功率的不敏感性，放大器的效率保持在较高的水平。在 轨可调TWTA的技术要由TWT和EPC共同实现。饱和输出功率通过调节TWT的 阴极电流实现，当阴极电流减小50和寸输出功率可减少4dB,减少阴极电流需通 过减少阳极电压1500V2000V来实现，这就要求功率调节器的阳极稳压器具有 很宽的稳定范围，同时还需考虑放大器在开通过程中和在任何功率电平的功率 稳定

19、性。阴极电流的减少也会导致TWT增益的减少，为了保持射频输入功率不 变，TWT前端的LCAMP的增益也需要相应地增加。TESAT开发了一种MPM,它的饱和功率可通过在轨功率调节器（TOA）的64个状态 设置实现对输出功率小步长（1W/每步）的精确控制。测试结果表明：用一个最大 饱和功率为120W的TWT,分别通过IB0和I0A模式实现90W和70W的功率输 出，结果是I0A模式比IB0模式功率损耗减少16W（90W输出）和25W（70W输 出）。L-3公司也进行了在轨可调饱和输出功率TWTA的设计和实验。它采用型号为 9100H的Ka波段行波管，EPC设计满足阳极电压减小范围为0V1800V。

20、当输 出功率从134W变化到50W变化时，TWTA的效率变化为（64%57%）,效率变化 仅7个百分点。如果用简单的驱动功率退回的方法来改变饱和输出功率，要满 足相同的功率变化，则效率减少27个百分点。TWT的输入驱动必须满足17dB 的变化范围（每IdB的输出变化需要4dB的输入调节），这个变化可容易地通过 LCAMP实现。Thales报告了由ESA支持开发的Ku波段功率可变MPM的研制状况。该模块由 三部分组成:可变输出TWT、电压可变EPC和增益可变LCAN1P组成。阳极电压由 串行遥控命令(6bit64步)阳极电压变化范围0V-1770V的变化。其部分性能 参数为：射频功率变化范围16

21、0W75W;工作频率11. 75GHz12. 75GHz;效率 (160W)为 EPC+ LCAMP92%, TWT =71%,效率(75W)为 EPC+LCAMP89%,TWT265%。4、空间行波管放大器发展趋势3.1 空间行波管放大器效率进一步提高空间行波管放大器效率提高包括两方面：提高行波管效率和电源效率。就C波 段而言,行波管的效率从1962年的10%提高到1973年的34%,再增加到2002 年的70% o一种通过优化行波管螺旋节距分布以获得最大理论总效率的方案。它运用通用 算法以实现三效(总效率、收集极效率和电子效率)优化为目的集成三维电子束 互作用仿真器，运用这个技术设计了一种

22、Ku波段螺旋TWT,理论上可最大总效 率可达77机随着行波管大信号理论的完善和计算机仿真技术的发展，如果更 好的三维收集极编码和可能参数化的电极结构和磁场变化用于改进收集极效 率，不久实现75%,未来达到77%甚至80%的总效率是有可能的。目前空间行波管电源效率普遍优于90%,有些产品已达到95机 单级EPC的效率 已达到98%,未来几年有望实现97%。进一步提高效率仍然是未来空间电源的研 发挑战。3.2 空间行波管的寿命进一步延长空间行波管放大器寿命主要取决于行波管，而行波管的寿命以阴极寿命为基 础，所以对阴极材料、构造和工艺的研制是提高行波管寿命的主要途径。美国Calabazas Cree

23、k Research公司正在开发一种高电流密度、长寿命阴极， 它使用烧结锯导线技术，在电流密度为50A/cni2条件下做寿命试验，计算寿命 为3. 2万小时。日本NEC对M411 (Qs/Ru)阴极在不同条件下进行了大量的寿命 试验，累计达到7513400小时，从而得出M411阴极寿命可达20万小时(约23 年)。虽然试验结果与实际寿命会存在差异，但这预示着行波管的寿命将进一 步延长。3.3 工作频率向更高波段发展4. 3.1 Ka波段TWTA发展前景广阔由于Ku波段的应用已经非常拥挤，而Ka波段具有更大的带宽和数据处理容量 以及窄的点波束地面覆盖，因此许多计划中的宽带卫星通信系统基本采用Ka

24、波 段。近年来卫星通信应用Ka波段的情况越来越多，表现出卫星通信新的发展趋 势。著名的国际太空咨询机构Euroconsult指出：2018年，Ka波段需求将占卫 星容量总需求的14%,主要采用Ku和C波段的军事卫星通信也将被推向Ka波 段。在通信卫星中采用Ka波段，可以获得较宽的工作频带，增加通信容量，同 时还可以实现较窄的波束，从而获得高的EIRP值，减小地面终端天线的尺寸。 当然，采用Ka或更高频段必须解决雨衰自适应补偿的技术问题。高清晰度电视 广播、多媒体通信等市场需求将促进Ka波段TWTA的发展。4. 3. 2 Q-V波段TWTA发展多媒体卫星要求建立全球系统的星间链路用于数据传输，星

25、间链路工作在V波 段可能是需要的，这就促进了 TWTA向这个频段发展。建立在通信行波管技术基 础上的更高频率空间行波管放大器将成为新一轮研究热点。4. 3. 3 THz技术的发展太赫兹波（THz）指频率在300GHz3000GHz范围的电磁波。太赫兹用于通信可 以获得10Gbit/S的传输速率，特别是卫星通信，由于在外层空间，不考虑水分 的影响，这就使得太赫兹通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。随着微 加工技术的发展，使得高精的行波管部件如慢波线加工得以实现，在外层空间 探测中将显示出它的优越性。4.4空间行波管放大器向大功率方向发展 大功率空间行波管放大器基于三个方面的需求:一是随着卫星

26、直播业务的发展， 为了使直到家庭的用户使用更小口径的天线,需要进一步增加卫星的辐射功率； 二是随着人类探索外层空间的距离日趋遥远，高容量通信将是这种超远距离星 球探索的挑战；三是，空间电子战要求高功率。为了实现外层空间任务所需要 的IGbps的传输速率，探测器的功率需要在IkN10kW范围，预计到2020年， 空间通信行波管功率在300W500W（螺旋线）或IkW5kW（耦合腔）。4. 5可变化空间行波管放大器发展在未来几年，由于视频和多媒体容量要求的增加，卫星宽带交互式和广播服务 将有大的增长，涉及的技术挑战可概括为：通信流量正在以非常不均匀方式发 展，当前的有效载荷适用于低效的或固定方式的

27、应用，因此需要一个可变化的 且高效的载荷;Ka波段可支持交互式和广播服务，从经济上需要开发可变的多 任务卫星；Ka波段存在严重的雨衰，因此对于多雨地区，需要有一个性价比合 适的宽带解决方法。由于由小波束组成的多波束有效载荷可以增加流量和数据 率，但是如果对每个波束进行带宽/功率的均匀分配，就会发现在热点地区的能 力不足和冷点地区的浪费，因此需要先进技术对不同波束灵活地分配功率和带 宽。支持对不同波束进行功率和带宽分配的关键技术是可变化行波管放大潜、多端 口放大器和混合放大器。可变化行波管放大器与自适应编码调制技术相接合， 在非平均流量分配情况下，可实现2030%服务流量的增加，并且在相同服务 流量的情况下减少100%以上的功率，功率的显著减少可以实现同一平台两个任 务共享，同时减少把一个卫星用于新任务的相关风险。一个基于灵活载荷任务