国外空间行波管放大器现状与发展

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

3.7GHz

4.2GHz,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

3.7GHz

4.2GHz,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，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.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500MHz,增益平坦度W

0.5dB,增益斜率OldBpp/MHz,AM/PMW

4.5°/dB,三阶交调W-23dB,噪声系数V33dBo效率优于45%,谐波抑制特性W-20dBc,EPC杂波抑制W-60dBco

2、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%它的产品覆盖了V频段以下的所有频段，功率范0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Lx\lxIIYN冷却方式83200111，26x

3.5x3295传牛11・83200“H1-4MJ-O-f\f2Xx

6.5x

6.52795幅射X4I2IIB90-15062-

652.Kx5x5125忸射S

2.M-

2.XS425OIIK200-MX66-6927x5x53170幅射C8555H20-12054-6515x

3.1x

2.9790传导X XhlhOII7-925-16555-

6514.6x3x

3.2965传导网50H

10.730-ia II.Xx

3.1x

2.76*5传，Ku60-708XI5OIIK-

12.75100-ISO

14.8x3x

2.5VM物射

91001111.3x3x

2.5760传片K17-2230-130659I00IIB

11.3x5x

5.J二包Ka9991122-4020-2U5O-«

14.1x

3.5x

2.714*8传导表

1、L-3公司的空间TWT产品参数波段型号械率功率、）效率＜，》增益MH”冷却方式L

11.

12501.

451.65200-2S06535-4345传分

1122402.15-

2.65220-2756635-3845传

9、辆射c

1141153.

44.285-1256X7048-5345-50传〉、箱时11143XMX

7.25-S.5K-16O665545传导、朝财/HIH4725B/I100-1507050-6035-46仲铮.辐射Ku

10.7-

12.7511I4825B150220M48-5535-46的导、箱射nivw W-15063-6550-6040-55传

9、辎射K11UK

1617.3-22130-17065SO6040-55位导、福射1114906J70-206550-6040-55传，.陋射「1462b25-

27.530-75505050传，ni4f063210-35S35050传导H.141406大,海坦子Ku1314130-1405555脉洞表

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-\2X2KO55XX555X0X95x525M1•YB\2MM7-85in60330x55x422900YB-\2OI28-94010000050330x55x42XXYB-\2OSA lXlXXXX56357x74x49XMc Ml-\2007155500046447x74x492300X K-A21XIX154lMXXX55357x74x491800真空管子Ku Yl»-\2OIO

13.4-1450770004546x69x49YB-A20II

14.5-154055MM45460x69x49F而表

3、俄罗斯ALMAZ公司空间TWT产品参数功率寿效率质量波段频率型号S（W）命％（Kg）s12—52Ku LD7833129-1220年

640.68Ka215-230—55V4435——41他送子表

4、日本NEC公司空间TWT主要产品参数剂口山DC变换效率%质鼠母线电压型】L源乱置功率（\v）典型值（Q2XHx ITWT对1EH3009412H35W5OV,25Hx ITWT对1EI4509415570J00V2401lx2TWT对IEM60094175023001lx ITWT对IKIX1209112522V-42V2302Hx ITWT对1EK2593•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15W-22OW可靠性4Mfils^50°率28V,50\,100\辅助人,、母线电压2个5~15V（I0W）电稳压或半稳压源〃匕，177x

63.1x

109.4质量1250g-1450g体积~250x84x105mm效率95%最大寿命18年工作温度-20C~+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 KuI2OZ24OW测试项目技术指标测试项目技术指标功率15\X salI2OW单TWT功率增益52dB-58dB240“双TW T带宽效率

59.5%单T\V「相移13°sat

60.6%双T\V「杂波EK杂波—AM/PM转换\M/PM转换—C/IM312山ksalC/IM3—谐波总和20IB*谐波总和—噪声系数28dB噪声系数—效率

59.5%效率—1%:「双空电子寿命15年寿命表

7、TESAT公司的典型空间TWTA产品技术参数

3、空间行波管放大器的研发现状

3.1空间行波管研制L-3公司开发了一种型号为999HA空间鉴定件行波管，它用于外层空间到地球的数据或视频信号传输该型号共生产了3个样品，其主要指标测试结果中心频率

31.8GHz

32.3〜GHz,输出功率180W252W,空间鉴定条件长寿命工作功率200W,总效率62%252W,增益〜55dB,质量1600g,体积

36.6X

8.9X

7.Icm3,工作寿命/任务寿命为7/20年效率最高的空间行波管是1-3的Ku波段行波管，型号为88125H,输出功率130W,增益51dB,效率73%L-3公司已经成功研发出工作在Q波段的8925Hp通信行波管，频率范围

43.5GHz

45.〜O5GHz军事应用,输出功率230W法国Thales公司正在开发一种型号为TH4816的Ka波段170W空间应用行波管，它可用于如高清晰度电视广播HDTV以实现高数据率Thales在鉴定状态下对7支管子进行了测量，结果为频率范围

17.3GHz

21.2GHz,输出功率2170凡总效率263册增益5L4dB

56.3dB,〜〜相移45°,重量1200g俄罗斯ALMAZ公司研制了一种C波段螺旋线行波管，它采用5级降压收集极，计算和实验测量结果为饱和效率为63%,电子效率为

41.5%

1.2空间行波管线性化通道技术线性化通道放大器LCAMP是微波功率模块的一个重要组成部分它可以有效改善放大器的交调失真、AM/PM变换、谐波抑制等重要技术参数在在轨功率可调TWTA中，可调增益LCAMP也是不可缺少的一部分线性化技术主要可分为输入功率回退IBO、负反馈、前馈和预失真等几种方法预失真技术原理简单、易于实现、频带宽、成本低、质量轻，所以适用于空间放大器线性化应用，也是目前研究、分析、设计使用率最高的线性化方法法国Thales公司研究人员提出了一种新型空间应用的宽带预失真线性化器它除了典型的增益扩展和相移大小控制以外，还具有曲线形状调节能力和宽频带特性

1.8GHz带宽,频率范围

10.95GHz

12.75GHz它是在典型的肖特基二极管预失真结构基础上增加了一个〜形状调节控制器，通过不同的命令设置实现不同的补偿特性的调节常规的预失真线性化器电路没有形状调节能力，只有线性化扩展幅度控制能力没有形状调节的结果是增益和相位的补偿需在饱和功率和退回功率之间折中考虑，也就是说需在退回功率时有限的过补偿和在饱和功率是最小的剩余压缩之间综合考虑形状可调预失真线性化器与典型的二极管预失真线性化器相比，性能具有很大的改善IB0为-6dB,频率IL7GHz时，三节交调C/IM3改善20dB,噪声功率比NPR改善7dB这种先进的线性化器已经应用于Thales空间线性化行波管放大器中美国线性化技术公司Linear TechnologyInc.从事于不同类型线性化通道放大器的研制其中基于微控制器的空间应用的预失真线性化通行波管放大器Ku-2050LCAMP的主要技术指标为:工作频率范围

10.7GHz

12.75GHz,饱和静态相移士5,饱和AM/PM变换V2/dB,〜C/3I M25dBc IBO为-3dB,NPR17dBIBO为-

3.5dB,质量400go

1.3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100WTWT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

25.5GHz

25.8GHz,输出功率

42.17也相移30，增益

49.25dB,AM/PM变换

3.5°/dB,〜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160W〜〜75W;工作频率

11.75GHz

12.75GHz;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 CreekResearch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M411Qs/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.

3.1Ka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.

3.2Q-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.

3.3THz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20—30%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。