李新勝，劉海旭，韓來輝，侯滿宏，文朝舉

（中國電子科技集團公司第27研究所，鄭州 450047）

0 引 言

隨著深空探測技術的不斷進步和發(fā)展，以及對未來探測距離不斷延伸的需求，對地面測控系統(tǒng)提出了越來越苛刻的要求。同時對未來相關的技術需求也越來越多。我國經(jīng)過近10年來的發(fā)展，對空間目標探測的距離已由常規(guī)航天器的探測距離向月球探測和深空探測等更遠距離的方向發(fā)展。

高功放作為地面測控系統(tǒng)的重要組成部分，是天地鏈路的核心設備，也是地面測控領域的幾項關鍵技術之一。為持續(xù)滿足未來不斷增長的深空探測距離，美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和歐洲空間局（European Space Agency，ESA）為主導的國際航天團體，都通過采用增大地面高功放發(fā)射功率和天線口徑來彌補深空探測遠距離傳輸而導致的信號衰減[1-2]，以增大地面發(fā)射功率最為簡單、直接、經(jīng)濟和有效。

1 國內外現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

NASA已經(jīng)在加利福尼亞戈爾德斯頓、澳大利亞堪培拉和西班牙馬德里建立了深空站（Deep Space Station，DSS），它們在X頻段的發(fā)射機情況為：①X頻段20 kW發(fā)射機，頻段為（7 145～7 235）MHz，瞬時帶寬為45 MHz；②X頻段100 kW速調管發(fā)射機位于DSS14、DSS41、DSS42、DSS51、DSS61；③另外還有X頻段1 MW連續(xù)波雷達，采用4支型號為VKX-7864A的250 kW速調管放大器合成，中心頻率為8.51 GHz，–1 dB帶寬為20 MHz，效率為50%。

ESA于2002年10月建成并投入使用的澳大利亞34 m深空站，X頻段發(fā)射機包含2 kW和20 kW的2類，應用于航天器不同的測控弧段。

俄羅斯深空網(wǎng)地面站配置了工作頻率5～5.025 GHz，最大輸出功率為50 kW的發(fā)射機。經(jīng)現(xiàn)代化改造，新建的測控站采用了X頻段，最大輸出功率達到40 kW。

1.2 國內現(xiàn)狀

2012年我國自行研制的X頻段10 kW速調管發(fā)射機已經(jīng)投入使用[4]，開啟了我國深空探測任務的大門。為適應未來深空探測需求，我國開展了更高功率量級的發(fā)射機研究。

2 總體方案

鑒于深空高功放輸出功率達到數(shù)十千瓦，采用固態(tài)方案已經(jīng)不現(xiàn)實。本文基于X頻段連續(xù)波速調管進行設計。

功放整機系統(tǒng)組成主要包括：驅動與檢測組件、速調管及磁場等外設、高壓電源及其外設、濾波器組件、控制與保護電路、液體冷卻子系統(tǒng)，以及各種大功率微波器件等，其原理如圖 1所示。

圖1 總體方案原理圖Fig.1 Total scherme principle diagram

射頻小信號輸入首先送至圖 1中的驅動與檢測組件，經(jīng)過該組件的小信號功率放大后，驅動速調管進行功率放大。然后信號經(jīng)過弧光保護器、耦合器、濾波器組件等實現(xiàn)功率輸出。

驅動與檢測組件主要實現(xiàn)小信號的穩(wěn)定放大、系統(tǒng)功率穩(wěn)定與功率控制等功能。各類電源主要為速調管提供所需的各類電力。液冷子系統(tǒng)完成各類微波器件的散熱功能。弧光檢測主要用來完成對高功放輸出系統(tǒng)鏈路提供波導打火（拉?。r的光信號的采集、處理和發(fā)送任務，它連同控制與保護電路、驅動與檢測組件和高壓電源一起實現(xiàn)弧光保護功能。濾波器組件部分主要實現(xiàn)高功率信號條件下的濾波任務。所濾信號包括高功率條件下的2次、3次、4次諧波和接收頻帶噪聲信號等。雙定向耦合器用來提取正向和反向功率信號，以完成功率控制與現(xiàn)實、駐波保護等功能。

由于輸出連續(xù)波功率太大，對輸出波導通道還應填充一定壓力的氮氣（N2），以增強波導器件的功率容量。

為防止高功率微波信號的泄漏，所有輸出波導器件的法蘭盤接口均采用扼流槽形式；為防止速調管底部高壓電源產(chǎn)生的X射線對人體造成傷害，在速調管外部設計了一層鉛筒，同時在速調管安裝機柜的內面周圍、頂面和底面，也分別安裝了一層較厚的鉛板。

2.1 速調管

速調管是深空探測發(fā)射機的核心。它是一種大功率微波電真空器件，主要由電子槍、高頻互作用段、高功率輸出窗、收集極、鈦泵等組成。

速調管通過合理的光學系統(tǒng)設計、減少工作時在高頻作用段的熱損耗、提高輸出功率；同時通過對諧振腔的熱穩(wěn)定設計，以及可耐受高功率容量的氧化鈹材料對輸出窗的設計，保證了速調管工作的穩(wěn)定性和安全性。管體采用高速液冷方式散熱，確保輸出段漂移頭的冷卻；輸出窗也采用液冷方式，收集極采用雙層高速水冷。速調管實物如圖 2所示。在整個工作帶寬內，速調管連續(xù)波輸出能力達80 kW，工作波束電壓為36～40 kV。速調管的圓柱體外形最大半徑和高度約為260 mm和930 mm，底部磁場最大半徑和高度約為380 mm和180 mm。

圖2 X頻段50 kW連續(xù)波速調管Fig.2 CW klystron for X-band 50 kW

2.2 冷卻設備

冷卻設備也是高功放的重要組成部分，它關系到功放的安全性、可靠性和壽命。文獻[5]給出了NASA深空站的強大冷卻能力。該設備滿足在室外溫度為+60 ℃時，制冷量達到450 kW以上的能力，實物如3所示。

設備組成主要包括：制冷散熱單元、壓縮機組、循環(huán)供液單元和監(jiān)控及保護等。采用了壁板式廂體結構，外形尺寸為（長 × 寬 × 高）：10 000 mm × 2 438 mm ×2 438 mm。為保證設備在低溫狀態(tài)下工作，冷卻液采用了乙二醇混合溶液。

2.3 電源設備

高功率穩(wěn)壓電源采用了開關電源體制，文獻[6～8]描述了相應開關電源的設計與應用。速調管電源主要包括：主高壓電源、鈦泵電源、懸浮高壓燈絲電源和磁場電源，結構組成如圖 4所示。

圖3 X頻段50 kW高功放液冷設備Fig.3 Liquid cooling equipment for X-band 50 kW HPA

圖4 速調管電源系統(tǒng)原理框圖Fig.4 Klystron power system principle block diagram

主高壓電源又包含高壓直流模塊（單元）、系統(tǒng)控制模塊和高壓濾波模塊等。其工作原理是通過高壓直流模塊的串聯(lián)來實現(xiàn)電壓的逐步提高，其輸出能力達到43 kV/10 A，效率約90%。

為滿足苛刻的低紋波輸出特性要求，直流模塊采用高效諧振拓撲結構和串聯(lián)諧振軟開關計技術，不僅降低了電能變換的損耗，而且有效提高了功率密度；同時，系統(tǒng)控制模塊采用錯相互補充電控制策略，實現(xiàn)各高壓直流模塊間紋波錯相互補，削峰填谷，有效降低了整個電源系統(tǒng)的輸出紋波；此外，在電源內部直流裝置的輸出及總電源的輸出端，均設計了高壓濾波器，以減小電源紋波。通過一系列的濾波、控制處理，高壓電源的紋波系數(shù)達到了0.3‰以下。

該設備散熱量較大，因此采用了液冷方式。其（單臺）寬度、深度和高度分別為850 mm × 1 200 mm ×2 000 mm，這相比于NASA的電動機–發(fā)電機（M-G）體制電源體積要小很多。400 kW高壓電源和各輔助電源如圖 5所示。

圖5 X頻段50 kW高功放電源設備Fig.5 Switch power equipment for X-band 50 kW HPA

該電源的各項指標和性能相對于目前我國現(xiàn)有的10 kW深空站和NASA深空站X頻段100 kW發(fā)射機高壓電源指標的比較如表1所示。

表1 電源設備測試指標Table 1 The test index of power equipment

2.4 濾波器組件

濾波器組件主要有吸收式諧波濾波器、高功率分路器/合成器、各類反射式諧波與收阻濾波器等組成，原理如圖 6所示。

圖6 濾波器組件組合原理圖Fig.6 The assembling diagram of filter modules

在X頻段（波導型號為WR137）連續(xù)波條件下，波導的功率容量最高約為700 kW，實際可用的功率為最高功率容量的0.2～0.33倍；而濾波器由于還要較大程度地改變波導壁的結構，且考慮其駐波影響，則功率容量會急劇降低。因此要實現(xiàn)各次諧波、各高次模和接收頻帶內信號苛刻的濾波要求，在高達80 kW連續(xù)波功率條件下，必須對濾波器的實現(xiàn)形式和使用方式采取特殊設計。

為適應不同濾波要求和達到相應的濾波能力，文獻[9～11]給出了不同濾波器的設計原理。根據(jù)各類濾波器功率容量大小和具體情況，本文首先把可承受高功率（≥ 100 kW）的吸收式諧波濾波器放置在組件的最前面，同時吸收后級各類濾波器的反射信號，然后再進行高功率分路，連接不同形式的反射式濾波器，以減輕這類濾波器的功率容量壓力，最后再把濾波后的信號進行功率合成。采用這種分散濾波的方式，可以大大提高濾波組件的功率容量，且所有濾波器均采用鍍金的表面工藝處理方式。

吸收式諧波濾波器由于可承受較高的功率受到關注和研究，徐健[12]、張運波[13]也研究了類似問題。其結構組成主要由主波導、副波導、耦合及吸收機構組成，其所需信號經(jīng)過主波導正常傳輸輸出，要濾除的各次諧波和高次模，則通過副波導、耦合及吸收機構進行大幅度的衰減吸收，從而達到濾波的目的；后級各類濾波器均為反射式濾波器，其承受功率能力較小。

根據(jù)實際測試結果：整個濾波器組件對工作頻段的2次、3次和4次諧波的信號抑制能力最高分別達到了約90 dB、100 dB和70 dB，對接收頻段信號的抑制能力達到110 dB。通帶損耗為0.8～1 dB。相對于目前我國現(xiàn)有的10 kW深空站和NASA深空站X頻段100 kW發(fā)射機的濾波能力，指標比較如表 2所示。

表2 濾波器組件測試指標Table 2 The test index of Filter modules

由表 2知：現(xiàn)設備濾波器組件的各項指標都較既有的國內10 kW發(fā)射機濾波器組件有較大進步；相對于NASA的100 kW發(fā)射機濾波器組件，也達到或接近其指標。由于損耗的存在，該組件散熱量很大，因此采用了液冷散熱。100 kW吸收式諧波濾波器實物如圖 7所示。

圖7 100 kW吸收式諧波濾波器結構圖Fig.7 The structure diagram of 100 kW absorbing filter

2.5 弧光保護器

弧光保護器是為避免輸出端波導鏈路打火（拉?。┒鹚僬{管（輸出窗）損壞而專門設計的一種保護裝置。錢錳等也給出了類似的設計方法[14-16]，它主要包含2部分：波導采光器和信號處理器。

圖8中弧光保護器左側部分為采光彎波導，用以提取波導內的弧光。通過光纖把光信號傳送至信號處理器，然后由光電轉換電路把光信號轉換成電信號，再把該電信號與預設的基準（開啟保護的電平）電壓進行比較。當?shù)陀陬A設電平時為正常，當超出預設電平時，比較器開啟觸發(fā)電路，由信號處理器對外發(fā)出保護信號，最后由執(zhí)行機構斷掉射頻功率和高壓電源。

圖8 弧光保護器實物圖Fig.8 The object diagram arc protection

根據(jù)測試結果得到，從波導采光器采集到光信號到信號處理器發(fā)出執(zhí)行保護命令，總計處理時間不大于3 μs，能夠滿足要求。

2.6 波導扼流槽

為防止波導法蘭盤在加工和安裝過程中出現(xiàn)的誤差，進而造成接觸不良、產(chǎn)生反射波、電磁能量泄露、對其他設備造成干擾，尤其是對人體造成傷害，高功率擊穿打火現(xiàn)象，黃志洵等[17]也提出了一些措施，通常會采用扼流槽和導電彈性法蘭墊片。

本文采用了扼流槽方案，安裝方便，損耗小、駐波系數(shù)好。

根據(jù)相關文獻[18]介紹的工作原理可知，兩個法蘭盤連接面處會形成短路面，這樣可以防止內部的電磁波向外輻射，從而達到“扼流”的目的，實現(xiàn)防泄漏功能。扼流槽在100 kW時的仿真結果如圖 9所示，在100 kW連續(xù)波功率傳輸時，波導內部最大場強為5.83 ×105V/m，約為空氣擊穿強度的20%，可以正常安全傳輸。

圖9 扼流槽在100 kW時的仿真圖Fig.9 The 100 kW emulation diagram of choke groove

根據(jù)設備實測的微波輻射（泄漏）指標結果可知，該方案防泄漏能力得到驗證。

2.7 監(jiān)控與保護

高功放的監(jiān)控與保護措施十分重要，文獻[19]也介紹了一些連鎖控制措施。該監(jiān)控內容包括冷卻子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、速調管（弧光保護）和整機保護等。原理框圖如圖 10所示。

圖10 整機監(jiān)控原理框圖Fig.10 The principle block diagram of whole machine monitor

控制與保護電路主要完成整機的監(jiān)控，通過各接口完成功放的各項監(jiān)視和控制功能。各組成子系統(tǒng)部分的獨立監(jiān)控系統(tǒng)向其提供必要的信息?？刂婆c保護電路也可以對各獨立監(jiān)控系統(tǒng)進行開關機和關鍵參數(shù)的顯示、控制和設置。

各獨立監(jiān)控系統(tǒng)都可以獨立工作，完成各自本身的控保、操作和其他功能，同時關鍵參數(shù)上報給整機監(jiān)控，也可通過整機監(jiān)控對其分別獨立操作。為保證各設備開關機邏輯順序的正確性，整機監(jiān)控設計存在一定的互鎖邏輯，以防止誤操作。

弧光保護的2個重要環(huán)節(jié)是弧光保護器本身和執(zhí)行機構。執(zhí)行機構部分又分為關高壓（電源部分）和斷射頻（驅動部分）兩類。為保證設備的安全性，弧光保護器的實際處理時間約為3 μs，關高壓的執(zhí)行時間不大于7 μs，斷射頻的執(zhí)行時間約300 ns，因此弧光保護的最長時間不大于10 μs。只要弧光保護器發(fā)出執(zhí)行保護信號，它將上報給整機監(jiān)控狀態(tài)信息。為增強傳輸波導的功率容量，在整個波導腔中充有一定壓力（的氮氣）。

3 主要性能指標

整機設備分為室內設備和室外設備兩類。室內設備為3臺高度均為2 000 mm的機柜和濾波器組件等。機柜總寬度和深度分別為2 460 mm × 1 200 mm；高功率濾波器組件位于高功放機柜后面，并向后延伸約2 400 mm。室外設備為液冷機組。表 3中給出了設備的主要測試指標。

表3 設備測試指標Table 3 The test index of equipment

4 主要進步點和創(chuàng)新點

1）總體方案采用速調管技術，突破了該頻段速調管高功率容量和高功率輸出窗等技術難題[20]，解決了連續(xù)波功率速調管高功放的一系列關鍵技術，實現(xiàn)了我國在深空測控領域X頻段速調管50 kW連續(xù)波功率穩(wěn)定輸出的能力。

2）采用高功率吸收式濾波器、分路器與各類反射式濾波器相結合的濾波方式，突破了高功率容量、高抑制度和低損耗的濾波難題，實現(xiàn)了在高功率連續(xù)波條件下對發(fā)射頻帶的2、3及4次諧波和在接收頻帶的大幅度信號抑制。

3）采用合理的電源拓撲結構、軟開關模塊化設計思路、多種技術措施相結合的濾波方式，解決了一系列技術難題，完成了高效高功率、高可靠性、低電源紋波和小體積的高壓電源，探索了一種可滿足要求的高標準高壓電源體制。

4）采用各類控保和聯(lián)鎖措施，解決了各類輔助電源和高壓電源、液冷系統(tǒng)、速調管和波導濾波組件的高速（小于10 us）保護問題、實現(xiàn)了快速、準確、有效和可靠的控保能力。

5 結束語

針對我國未來深空探測任務的需求，開展的X頻段50 kW高功放采用多種先進技術，模塊化設計思路和分路濾波等措施，成功研制了實物樣機，經(jīng)測試表明：所測指標達到或接近國際先進水平，文獻[21～22]也描述了一些指標，并經(jīng)過長時間滿功率考機，驗證了設計的可行性、安全性、可靠性和穩(wěn)定性，可滿足未來需求，將為我國深空探測技術的進一步發(fā)展奠定堅實基礎，并為我國研究更高功率的發(fā)射機設備，進而進行太陽系內行星際雷達探測提供寶貴的經(jīng)驗和技術支持。

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