一种螺旋线型空间行波管的线性设计

　　本文介绍一种螺旋线行波管的线性设计，该行波管用于通信。为保证通信信号的质量，该型行波管必须具有较好的线性性能，如相移、三阶交调等，文中将结合一种Ka频段空间行波管的改进过程，以相移作为线性参数的代表性指标，分析所采取的改进措施对行波管线性性能的提升。目前，该行波管的主要高频参数为：相移50°(饱和回退20dB)、饱和增益50dB、互作用效率20%。

　　在空间应用环境中，能源十分有限，各元器件无法维修或更换，并且卫星的发射成本高昂，受这些条件限制，以空间通信为应用背景的行波管必须具备高可靠、高效率、长寿命的基本特征。

　　本文介绍的空间行波管为通信应用。相对于模拟通信系统而言，数字通信系统具有容量大、抗干扰能力强等优点，因此，现代通信系统的主要节点多为数字通信系统，并且系统中广泛采用频分复用、码分多址等技术提高系统的传输容量、多用户、抗干扰等性能指标。采用这些复用技术时，为保证信号的质量、降低传输中的误码率等，要求执行信号放大任务的微波放大器具有优良的线性性能。具体到本文介绍的Ka频段空间行波管，可以将相移作为线性指标的代表性参数。

　　综上所述，为满足通信应用需求，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为Ka频段空间行波管必须具备优良的线性性能(以相移为代表性参数)，同时还需具有高可靠、高效率、长寿命等空间行波管的基本特征。行波管的线性性能主要受高频性能的影响，以下从工程应用对行波管的要求，分析本文Ka频段空间行波管高频系统必须达到的性能水平。

　　(1)线性性能

　　在实际应用中，通信系统对行波管的线性指标要求囊括许多参数，如增益平坦度、三阶交调、相移、群时延、增益压缩等等，其中最关键也是最具代表性的参数是相移，一般来说，要求行波管的相移≤50°(-20dB)。

　　(2)系统复杂度

　　对空间通信系统而言，可靠性至关重要，降低系统的复杂度对系统的可靠性有重要意义。从这一方面来考虑，空间行波管必须具有足够的增益，从而减少放大链的级数、减少元器件数量、最终降低系统复杂度。本文中系统要求行波管增益≥50dB。

　　(3)效率

　　为充分利用有限能源，空间行波管必须尽可能提高效率。提高空间行波管的效率不外从提高互作用效率、收集极效率两方面着手，本文只讨论其中之一—提高互作用效率；采取的手段主要为提高慢波线的耦合阻抗和螺距渐变设计。

　　(4)长寿命

　　卫星必须具有足够长的寿命，才能使成本降低到社会可承受的范围内。国外主流空间行波管产品的寿命普遍达到15年以上。提高行波管的寿命一般从以下几个方面着手：

　　①降低阴极的工作温度；②降低阴极发射面的电流负荷；③降低膜层退化的速度；④提高和维持管内真空度等。

　　在阴极发射面面积不变的前提下，降低阴极发射面的电流负荷就意味着降低阴极发射的总电流。反映在高频参数上，在设定工作电压上限的前提下，降低阴极总电流就需要尽可能地提高注波互作用效率。

　　一般来说，空间应用中要求行波管效率≥50%才有实际应用的意义。从Ka波段空间行波管的研制经验来看，要使行波管的总效率≥50%，其高频系统的注波互作用效率需要达到20%左右。

　　综上所述，工程应用实际对本文Ka频段行波管的要求可概括为：相移≤50°(-20dB)，增益≥50dB，并具有尽可能高的注波互作用效率(20%)。

1、行波管高频线性参数设计

　　1.1、高频设计

　　本文介绍的Ka频段空间行波管为螺旋线型。该行波管在高频设计过程中主要采取了以下几种措施：

　　(1)选取较小的γa，提高耦合阻抗；

　　(2)采用异形介质夹持杆(如金刚石夹持杆)，以提高耦合阻抗、降低介质损耗；

　　(3)对螺旋线进行表面处理，降低高频损耗；

　　(4)采用动态相速渐变(DVT)技术，提高注波互作用效率，同时保证非线性性能。

　　DVT技术是一种螺旋线螺距渐变设计方法，即：在高频系统中，螺旋线的螺距首先变大，然后在合适位置逐渐变小，通过这种所谓的螺旋线螺距的双渐变，造成螺旋线轴线上的电磁波相速相对于电子注运动速度的变化，以控制电磁波与电子注相互作用的过程，从而既提高了注波互作用效率，同时也改善了高频线性特性。

2、结论

　　以上仿真和实测数据表明：螺旋线型行波管采用DVT技术，使用图1中的B型螺旋线螺距渐变方案时，行波管的主要高频性能指标可达到如下水平———互作用效率20%、相移50°、增益50dB、总效率≥53%，能够满足空间应用环境中对Ka频段空间行波管的要求。