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  深空探测学报  2018, Vol. 5 Issue (2): 175-181  DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.010
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引用本文 

李新胜, 刘海旭, 韩来辉, 等. 一种X频段50 kW高功放的设计[J]. 深空探测学报, 2018, 5(2): 175-181. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.010.
LI Xinsheng, LIU Haixu, HAN Laihui, et al. A design of 50 kW X-Band High Power Amplifer[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2018, 5(2): 175-181. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.010.

作者简介

李新胜(1981– ),男,高级工程师,主要研究方向:微波、毫米波高功率发射机。通信地址:河南省郑州市郑东新区博学路36号(450047)电话:(0371)61271989 E-mail:lixsh81@163.com

文章历史

收稿日期:2017-12-30
修回日期:2018-03-01
一种X频段50 kW高功放的设计
李新胜, 刘海旭, 韩来辉, 侯满宏, 文朝举    
中国电子科技集团公司第27研究所,郑州 450047
摘要: 针对未来深空测控及其他航天器测控通信业务不断拓展的需求,设计了一种基于速调管方案的X频段连续波高功放。该方案采用了高效率低电源纹波的模块化高压开关电源、集中式液体冷却设备、串联与并联相结合的高功率谐波和收阻滤波器,以及高速可靠的控保措施,实现了在深空X频段连续波高功率输出的技术能力。测试结果表明:在规定的带宽内,输出连续波功率达到了50 kW,最高可达60 kW以上,第2、3、4次谐波及接收频段内信号的抑制能力等主要指标都达到了预期目标,整机散热效果理想;经长时间连续加电考机表明:设备考核指标和工作状态都稳定可靠。这将为我国深空探测技术的进一步发展、探测能力的进一步提高奠定坚实基础。
关键词: X频段    连续波    高功放    深空探测    速调管    
A design of 50 kW X-Band High Power Amplifer
LI Xinsheng, LIU Haixu, HAN Laihui, HOU Manhong, WEN Chaoju     
The 27th Institute of CETC,Zhengzhou 450047,China
Abstract: Based on the needs of development to deep space exploration and other space measure and control communication, a X-band continuous wave(CW)high power amplifier(HPA)based on the klystron scheme is presented, in which the high efficient low ripple modularized switch power, centralized liquid cooling equipment, high power filters and high speed reliable control measures are adopted, and the function of CW high power output in X-band deep space exploration is realized. The test results show that the CW output power can reach 50 kW(even up to 60 kW), the second, third and fourth harmonics are good and the cooling effect is ideal in the required bands. In addition, it shows that after long-time working the specifications of the equipment and working state are very steady and reliable which will provide supports for the further development of deep space exploration.
Key words: X-band    continuous wave(CW)    high power amplifer(HPA)    deep space exploration    klystron    

Hight lights:

  1. ● By adopting klystron technology scheme,the CW output power can reach 50 kW,even up to 60 kW.
  2. ● By integrating many kinds of filters,the filtering ability of high inhibition 90 dB is realized in second hormonic、100 dB in third hormonic、70 dB in fourth hormonic and 110 dB in receive band and 1 dB low loss in base band under 80 kW.
  3. ● By used soft-switch technique,the level of high efficiency,high reliability and little bulk is achieved for the high voltage power,the power ripple coefficient is under 0.3‰,and the largest power ripple comes to 55 dB relative to the carrier wave.
0 引 言

随着深空探测技术的不断进步和发展,以及对未来探测距离不断延伸的需求,对地面测控系统提出了越来越苛刻的要求。同时对未来相关的技术需求也越来越多。我国经过近10年来的发展,对空间目标探测的距离已由常规航天器的探测距离向月球探测和深空探测等更远距离的方向发展。

高功放作为地面测控系统的重要组成部分,是天地链路的核心设备,也是地面测控领域的几项关键技术之一。为持续满足未来不断增长的深空探测距离,美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)和欧洲空间局(European Space Agency,ESA)为主导的国际航天团体,都通过采用增大地面高功放发射功率和天线口径来弥补深空探测远距离传输而导致的信号衰减[1-2],以增大地面发射功率最为简单、直接、经济和有效。

1 国内外现状 1.1 国外现状

NASA已经在加利福尼亚戈尔德斯顿、澳大利亚堪培拉和西班牙马德里建立了深空站(Deep Space Station,DSS),它们在X频段的发射机情况为:①X频段20 kW发射机,频段为(7 145~7 235)MHz,瞬时带宽为45 MHz;②X频段100 kW速调管发射机位于DSS14、DSS41、DSS42、DSS51、DSS61;③另外还有X频段1 MW连续波雷达,采用4支型号为VKX-7864A的250 kW速调管放大器合成,中心频率为8.51 GHz,–1 dB带宽为20 MHz,效率为50%。

ESA于2002年10月建成并投入使用的澳大利亚34 m深空站,X频段发射机包含2 kW和20 kW的2类,应用于航天器不同的测控弧段。

俄罗斯深空网地面站配置了工作频率5~5.025 GHz,最大输出功率为50 kW的发射机。经现代化改造,新建的测控站采用了X频段,最大输出功率达到40 kW。

1.2 国内现状

2012年我国自行研制的X频段10 kW速调管发射机已经投入使用[4],开启了我国深空探测任务的大门。为适应未来深空探测需求,我国开展了更高功率量级的发射机研究。

2 总体方案

鉴于深空高功放输出功率达到数十千瓦,采用固态方案已经不现实。本文基于X频段连续波速调管进行设计。

功放整机系统组成主要包括:驱动与检测组件、速调管及磁场等外设、高压电源及其外设、滤波器组件、控制与保护电路、液体冷却子系统,以及各种大功率微波器件等,其原理如图 1所示。

图 1 总体方案原理图 Fig. 1 Total scherme principle diagram

射频小信号输入首先送至图 1中的驱动与检测组件,经过该组件的小信号功率放大后,驱动速调管进行功率放大。然后信号经过弧光保护器、耦合器、滤波器组件等实现功率输出。

驱动与检测组件主要实现小信号的稳定放大、系统功率稳定与功率控制等功能。各类电源主要为速调管提供所需的各类电力。液冷子系统完成各类微波器件的散热功能。弧光检测主要用来完成对高功放输出系统链路提供波导打火(拉弧)时的光信号的采集、处理和发送任务,它连同控制与保护电路、驱动与检测组件和高压电源一起实现弧光保护功能。滤波器组件部分主要实现高功率信号条件下的滤波任务。所滤信号包括高功率条件下的2次、3次、4次谐波和接收频带噪声信号等。双定向耦合器用来提取正向和反向功率信号,以完成功率控制与现实、驻波保护等功能。

由于输出连续波功率太大,对输出波导通道还应填充一定压力的氮气(N2),以增强波导器件的功率容量。

为防止高功率微波信号的泄漏,所有输出波导器件的法兰盘接口均采用扼流槽形式;为防止速调管底部高压电源产生的X射线对人体造成伤害,在速调管外部设计了一层铅筒,同时在速调管安装机柜的内面周围、顶面和底面,也分别安装了一层较厚的铅板。

2.1 速调管

速调管是深空探测发射机的核心。它是一种大功率微波电真空器件,主要由电子枪、高频互作用段、高功率输出窗、收集极、钛泵等组成。

速调管通过合理的光学系统设计、减少工作时在高频作用段的热损耗、提高输出功率;同时通过对谐振腔的热稳定设计,以及可耐受高功率容量的氧化铍材料对输出窗的设计,保证了速调管工作的稳定性和安全性。管体采用高速液冷方式散热,确保输出段漂移头的冷却;输出窗也采用液冷方式,收集极采用双层高速水冷。速调管实物如图 2所示。在整个工作带宽内,速调管连续波输出能力达80 kW,工作波束电压为36~40 kV。速调管的圆柱体外形最大半径和高度约为260 mm和930 mm,底部磁场最大半径和高度约为380 mm和180 mm。

图 2 X频段50 kW连续波速调管 Fig. 2 CW klystron for X-band 50 kW
2.2 冷却设备

冷却设备也是高功放的重要组成部分,它关系到功放的安全性、可靠性和寿命。文献[5]给出了NASA深空站的强大冷却能力。该设备满足在室外温度为+60 ℃时,制冷量达到450 kW以上的能力,实物如3所示。

设备组成主要包括:制冷散热单元、压缩机组、循环供液单元和监控及保护等。采用了壁板式厢体结构,外形尺寸为(长 × 宽 × 高):10 000 mm × 2 438 mm × 2 438 mm。为保证设备在低温状态下工作,冷却液采用了乙二醇混合溶液。

2.3 电源设备

高功率稳压电源采用了开关电源体制,文献[68]描述了相应开关电源的设计与应用。速调管电源主要包括:主高压电源、钛泵电源、悬浮高压灯丝电源和磁场电源,结构组成如图 4所示。

图 3 X频段50 kW高功放液冷设备 Fig. 3 Liquid cooling equipment for X-band 50 kW HPA
图 4 速调管电源系统原理框图 Fig. 4 Klystron power system principle block diagram

主高压电源又包含高压直流模块(单元)、系统控制模块和高压滤波模块等。其工作原理是通过高压直流模块的串联来实现电压的逐步提高,其输出能力达到43 kV/10 A,效率约90%。

为满足苛刻的低纹波输出特性要求,直流模块采用高效谐振拓扑结构和串联谐振软开关计技术,不仅降低了电能变换的损耗,而且有效提高了功率密度;同时,系统控制模块采用错相互补充电控制策略,实现各高压直流模块间纹波错相互补,削峰填谷,有效降低了整个电源系统的输出纹波;此外,在电源内部直流装置的输出及总电源的输出端,均设计了高压滤波器,以减小电源纹波。通过一系列的滤波、控制处理,高压电源的纹波系数达到了0.3‰以下。

该设备散热量较大,因此采用了液冷方式。其(单台)宽度、深度和高度分别为850 mm × 1 200 mm × 2 000 mm,这相比于NASA的电动机–发电机(M-G)体制电源体积要小很多。400 kW高压电源和各辅助电源如图 5所示。

图 5 X频段50 kW高功放电源设备 Fig. 5 Switch power equipment for X-band 50 kW HPA

该电源的各项指标和性能相对于目前我国现有的10 kW深空站和NASA深空站X频段100 kW发射机高压电源指标的比较如表1所示。

表 1 电源设备测试指标 Table 1 The test index of power equipment
2.4 滤波器组件

滤波器组件主要有吸收式谐波滤波器、高功率分路器/合成器、各类反射式谐波与收阻滤波器等组成,原理如图 6所示。

图 6 滤波器组件组合原理图 Fig. 6 The assembling diagram of filter modules

在X频段(波导型号为WR137)连续波条件下,波导的功率容量最高约为700 kW,实际可用的功率为最高功率容量的0.2~0.33倍;而滤波器由于还要较大程度地改变波导壁的结构,且考虑其驻波影响,则功率容量会急剧降低。因此要实现各次谐波、各高次模和接收频带内信号苛刻的滤波要求,在高达80 kW连续波功率条件下,必须对滤波器的实现形式和使用方式采取特殊设计。

为适应不同滤波要求和达到相应的滤波能力,文献[911]给出了不同滤波器的设计原理。根据各类滤波器功率容量大小和具体情况,本文首先把可承受高功率(≥ 100 kW)的吸收式谐波滤波器放置在组件的最前面,同时吸收后级各类滤波器的反射信号,然后再进行高功率分路,连接不同形式的反射式滤波器,以减轻这类滤波器的功率容量压力,最后再把滤波后的信号进行功率合成。采用这种分散滤波的方式,可以大大提高滤波组件的功率容量,且所有滤波器均采用镀金的表面工艺处理方式。

吸收式谐波滤波器由于可承受较高的功率受到关注和研究,徐健[12]、张运波[13]也研究了类似问题。其结构组成主要由主波导、副波导、耦合及吸收机构组成,其所需信号经过主波导正常传输输出,要滤除的各次谐波和高次模,则通过副波导、耦合及吸收机构进行大幅度的衰减吸收,从而达到滤波的目的;后级各类滤波器均为反射式滤波器,其承受功率能力较小。

根据实际测试结果:整个滤波器组件对工作频段的2次、3次和4次谐波的信号抑制能力最高分别达到了约90 dB、100 dB和70 dB,对接收频段信号的抑制能力达到110 dB。通带损耗为0.8~1 dB。相对于目前我国现有的10 kW深空站和NASA深空站X频段100 kW发射机的滤波能力,指标比较如表 2所示。

表 2 滤波器组件测试指标 Table 2 The test index of Filter modules

表 2知:现设备滤波器组件的各项指标都较既有的国内10 kW发射机滤波器组件有较大进步;相对于NASA的100 kW发射机滤波器组件,也达到或接近其指标。由于损耗的存在,该组件散热量很大,因此采用了液冷散热。100 kW吸收式谐波滤波器实物如图 7所示。

图 7 100 kW吸收式谐波滤波器结构图 Fig. 7 The structure diagram of 100 kW absorbing filter
2.5 弧光保护器

弧光保护器是为避免输出端波导链路打火(拉弧)而引起速调管(输出窗)损坏而专门设计的一种保护装置。钱锰等也给出了类似的设计方法[14-16],它主要包含2部分:波导采光器和信号处理器。

图 8中弧光保护器左侧部分为采光弯波导,用以提取波导内的弧光。通过光纤把光信号传送至信号处理器,然后由光电转换电路把光信号转换成电信号,再把该电信号与预设的基准(开启保护的电平)电压进行比较。当低于预设电平时为正常,当超出预设电平时,比较器开启触发电路,由信号处理器对外发出保护信号,最后由执行机构断掉射频功率和高压电源。

图 8 弧光保护器实物图 Fig. 8 The object diagram arc protection

根据测试结果得到,从波导采光器采集到光信号到信号处理器发出执行保护命令,总计处理时间不大于3 μs,能够满足要求。

2.6 波导扼流槽

为防止波导法兰盘在加工和安装过程中出现的误差,进而造成接触不良、产生反射波、电磁能量泄露、对其他设备造成干扰,尤其是对人体造成伤害,高功率击穿打火现象,黄志洵等[17]也提出了一些措施,通常会采用扼流槽和导电弹性法兰垫片。

本文采用了扼流槽方案,安装方便,损耗小、驻波系数好。

根据相关文献[18]介绍的工作原理可知,两个法兰盘连接面处会形成短路面,这样可以防止内部的电磁波向外辐射,从而达到“扼流”的目的,实现防泄漏功能。扼流槽在100 kW时的仿真结果如图 9所示,在100 kW连续波功率传输时,波导内部最大场强为5.83 × 105 V/m,约为空气击穿强度的20%,可以正常安全传输。

图 9 扼流槽在100 kW时的仿真图 Fig. 9 The 100 kW emulation diagram of choke groove

根据设备实测的微波辐射(泄漏)指标结果可知,该方案防泄漏能力得到验证。

2.7 监控与保护

高功放的监控与保护措施十分重要,文献[19]也介绍了一些连锁控制措施。该监控内容包括冷却子系统、电源子系统、速调管(弧光保护)和整机保护等。原理框图如图 10所示。

图 10 整机监控原理框图 Fig. 10 The principle block diagram of whole machine monitor

控制与保护电路主要完成整机的监控,通过各接口完成功放的各项监视和控制功能。各组成子系统部分的独立监控系统向其提供必要的信息。控制与保护电路也可以对各独立监控系统进行开关机和关键参数的显示、控制和设置。

各独立监控系统都可以独立工作,完成各自本身的控保、操作和其他功能,同时关键参数上报给整机监控,也可通过整机监控对其分别独立操作。为保证各设备开关机逻辑顺序的正确性,整机监控设计存在一定的互锁逻辑,以防止误操作。

弧光保护的2个重要环节是弧光保护器本身和执行机构。执行机构部分又分为关高压(电源部分)和断射频(驱动部分)两类。为保证设备的安全性,弧光保护器的实际处理时间约为3 μs,关高压的执行时间不大于7 μs,断射频的执行时间约300 ns,因此弧光保护的最长时间不大于10 μs。只要弧光保护器发出执行保护信号,它将上报给整机监控状态信息。为增强传输波导的功率容量,在整个波导腔中充有一定压力(的氮气)。

3 主要性能指标

整机设备分为室内设备和室外设备两类。室内设备为3台高度均为2 000 mm的机柜和滤波器组件等。机柜总宽度和深度分别为2 460 mm × 1 200 mm;高功率滤波器组件位于高功放机柜后面,并向后延伸约2 400 mm。室外设备为液冷机组。表 3中给出了设备的主要测试指标。

表 3 设备测试指标 Table 3 The test index of equipment
4 主要进步点和创新点

1)总体方案采用速调管技术,突破了该频段速调管高功率容量和高功率输出窗等技术难题[20],解决了连续波功率速调管高功放的一系列关键技术,实现了我国在深空测控领域X频段速调管50 kW连续波功率稳定输出的能力。

2)采用高功率吸收式滤波器、分路器与各类反射式滤波器相结合的滤波方式,突破了高功率容量、高抑制度和低损耗的滤波难题,实现了在高功率连续波条件下对发射频带的2、3及4次谐波和在接收频带的大幅度信号抑制。

3)采用合理的电源拓扑结构、软开关模块化设计思路、多种技术措施相结合的滤波方式,解决了一系列技术难题,完成了高效高功率、高可靠性、低电源纹波和小体积的高压电源,探索了一种可满足要求的高标准高压电源体制。

4)采用各类控保和联锁措施,解决了各类辅助电源和高压电源、液冷系统、速调管和波导滤波组件的高速(小于10 us)保护问题、实现了快速、准确、有效和可靠的控保能力。

5 结束语

针对我国未来深空探测任务的需求,开展的X频段50 kW高功放采用多种先进技术,模块化设计思路和分路滤波等措施,成功研制了实物样机,经测试表明:所测指标达到或接近国际先进水平,文献[2122]也描述了一些指标,并经过长时间满功率考机,验证了设计的可行性、安全性、可靠性和稳定性,可满足未来需求,将为我国深空探测技术的进一步发展奠定坚实基础,并为我国研究更高功率的发射机设备,进而进行太阳系内行星际雷达探测提供宝贵的经验和技术支持。

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