Q/V波段空間行波管及應用
Q/V 波段空間行波管具有工作頻率高、帶寬寬、傳輸速率快等優(yōu)點。本文介紹了國內外Q/V 波段螺旋線行波管的研究狀況以及在未來空間應用情況。
空間行波管是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中重要的高功率放大器件。與固態(tài)器件相比，空間行波管具有高效率、高功率、抗宇宙射線等優(yōu)點，因而廣泛應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。據(jù)報道，目前在軌的L、S、C、Ku、K、Ka 波段空間行波管已超過數(shù)千支;Q/V 波段空間行波管工作頻率高，具有其獨特的優(yōu)勢和潛在的空間應用需求，美國及歐洲國家已開展了有關研究工作，而且部分產品已得到空間應用。
1、Q/V 波段行波管研究狀況
Q 波段(40 ～ 50 GHz)、V 波段(50-75 GHz) 頻率高、帶寬寬，尚有巨大應用空間。美國L-3 公司、法國THALES 公司對Q/V 波段行波管的研發(fā)已有十多年的歷史，其產品種類比較齊全，行波管性能指標高，部分產品通過了空間環(huán)境試驗，且某些產品已在軌運行。L-3 公司及THALES 公司開發(fā)的Q/V 波段行波管產品介紹如表1 所示。圖1 為美國L-3 公司研發(fā)的V 波段75 W 空間行波管放大器實物圖，目前已完成了空間環(huán)境試驗，包括隨機振動、沖擊振動、熱真空等試驗，正開展壽命實驗，表2 給出了V 波段75 W 行波管環(huán)境試驗條件，圖2 為V波段75 W 行波管熱真空試驗圖。
表1 L-3 公司及THALES 公司開發(fā)的Q/V 波段行波管產品性能
表2 V 波段75 W 行波管環(huán)境試驗條件
圖1 V 波段75 W 空間行波管放大器實物圖
圖2 V 波段75 W 行波管熱真空試驗圖
國內對Q/V 波段空間行波管的研究在北京真空電子技術研究所(BVERI) 開展，目前尚處于研制階段，行波管主要性能如表3 所示。
表3 國內Q/V 波段空間行波管性能
Q/V 波段空間行波管研制中存在很多技術難點，可分為設計和工藝控制兩個方面，以下給出了具體解決措施:
(1)設計難點及采取的措施
高效率設計:選取較小螺旋線內徑、較薄螺帶可以提高慢波結構耦合阻抗，采用動態(tài)相速漸變技術以提高電子效率;設計四級降壓收集極，對收集極電極進行表面改性處理，從而提高收集極效率;結構可靠性設計:借鑒Ka 波段空間行波管結構設計，能夠經受2400 G 的沖擊;同時設計輸能結構加固套及支架，使得行波管能夠通過沖擊、振動等環(huán)境試驗;開展熱學、力學仿真模擬，進一步優(yōu)化結構設計;
返波振蕩抑制:由于Q/V 波段空間行波管工作電壓高達10 kV，為防止返波振蕩產生，設計時控制負一次空間諧波耦合阻抗，采用相速漸變和跳變，提高起振長度，同時設置主衰減器和副衰減器，可以增加起振長度。
(2)工藝難點及采取的措施
螺旋線繞制:Q/V 波段空間行波管電子注通道小，螺旋線繞制芯桿細，采用傳統(tǒng)繞制方式芯桿極易變型，影響繞制精度，為此設計了專用夾具，保證了螺旋線繞制精度為2 μm;
高流通率工藝保證:為保證行波管具有較高的流通率，采用套封電子槍結構，制作專用裝配模具，保證電子槍各電子同軸度在0. 02 mm 以內;同時采用高頻精密對中技術，保證了行波管高流通率，經測得V 波段空間行波管動態(tài)流通率在97. 5%以上，圖3、為流通率測試曲線。
圖4 為BVERI 研制的V 波段20 W 空間行波管功率和效率測試曲線。
圖3 V 波段空間行波管動態(tài)流通率測試曲線
圖4 V 波段20 W 空間行波管功率、效率測試曲線
2、Q/V 波段行波管空間應用
Q/V 波段行波管在空間應用中具有以下優(yōu)勢:①與低頻段相比Q/V 波段具有更寬的帶寬；②在整個微波頻帶內Q/V 波段這兩個頻段從未被使用，這兩個頻帶比較純；③與Ka 波段相比，Q/V 波段衛(wèi)星波束�。虎軐τ谇缈罩邢嗤挠脩艚K端和衛(wèi)星天線尺寸(或功率)，Q/V 波段點對點鏈接性能好( 與Ka 波段相比高6 dB 左右)。
美國通信協(xié)會(FCC) 早在90 年代初就預測了Q/V 波段空間器件未來應用的重大需求。目前美國以及歐空局明確將Q/V 波段空間行波管作為未來星際通信、衛(wèi)星上行數(shù)據(jù)鏈接的重要器件。Q/V 波段空間行波管主要應用包括以下幾個方面:
�、僖曈X點對點鏈接線路(LOS)；②自由空間光學系統(tǒng)(FSO)；③兆字節(jié)/秒的無線網(wǎng)絡通訊；④寬帶固定無線終端(BFWA)；⑤衛(wèi)星通信(Satcom)；⑥航天衛(wèi)星通信(Aerosat)；⑦高海拔系統(tǒng)(HAPS)；⑧移動通信系統(tǒng)；⑨用于網(wǎng)絡回程近距離轉發(fā)器。
圖5 Q/V 波段空間行波管應用舉例
3、結論
本文介紹了國內外Q/V 波段空間行波管研就進展及其應用需求情況，為后期的深入研究及應用提供了有利依據(jù)。
