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星载X频段1600 W高幅相一致性脉冲行波管放大器

黄微波 杨飞 李晖 陈倩雯 付浩

黄微波, 杨飞, 李晖, 等. 星载X频段1600 W高幅相一致性脉冲行波管放大器[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200100
引用本文: 黄微波, 杨飞, 李晖, 等. 星载X频段1600 W高幅相一致性脉冲行波管放大器[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200100
Huang Weibo, Yang Fei, Li Hui, et al. X-band 1600 W wideband amplitude-phase coherence pulsed TWTA for space application[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200100
Citation: Huang Weibo, Yang Fei, Li Hui, et al. X-band 1600 W wideband amplitude-phase coherence pulsed TWTA for space application[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200100

星载X频段1600 W高幅相一致性脉冲行波管放大器

doi: 10.11884/HPLPB202032.200100
详细信息
    作者简介:

    黄微波(1984—),硕士,高级工程师,主要从事行波管放大器技术、线性化技术研究;hwb124107@sina.com

  • 中图分类号: TN124+.2

X-band 1600 W wideband amplitude-phase coherence pulsed TWTA for space application

  • 摘要: 空间高分辨率合成孔径雷达(SAR)系统对大功率脉冲行波管放大器的带宽、输出脉冲能力、幅相一致性提出了更高的要求,基于宽带功率合成的kW级脉冲行波管放大器技术是空间应用的关键技术问题。研究了大功率脉冲行波管放大器宽带高幅相一致性控制技术和宽带功率合成技术,提出了空间用小型化脉冲双路合成行波管放大器集成结构,在3 GHz宽带内,实现了大于95%的合成效率,多台产品相位一致性≤±10°。
  • 图  1  PTWTA原理框图

    Figure  1.  Schematic of PTWTA

    图  2  不同行波管归一化输入功率/相位随频率的变化

    Figure  2.  Pin and phase coherence of different TWTs vs frequency

    图  3  效率(η)与$r$和关系$\Delta \theta $

    Figure  3.  Efficiency (η) vs $r$ and $\Delta \theta $

    图  4  TWT输出幅度、相位随输入功率变化关系

    图  5  均衡器电路模型

    Figure  5.  Simulation model of equalizer

    图  6  预放增益均衡器曲线随谐振电阻变化曲线

    Figure  6.  SSPA gain vs resistor and frequency

    图  7  预放增益均衡器测试曲线

    Figure  7.  Test curves of equalizer

    图  8  时延和补偿相位随电压变化趋势

    Figure  8.  Delay and phase vs voltage

    图  9  相位补偿原理

    Figure  9.  Phase compensation

    图  10  5台X频段1 600 W PTWTA幅度一致性

    Figure  10.  Amplitude coherence of 5 PTWTAs

    图  11  5台X频段1600 W PTWTA相位一致性测试

    Figure  11.  Phase coherence of 5 PTWTAs

    图  12  真空试验输出功率情况

    Figure  12.  Performance in thermal vacuum test

    表  1  EPC主要性能指标表

    Table  1.   EPC main parameters

    cathode voltage/kVpower density/kWduty cycle/%repeat frequency/kHzweight/kgpower efficiency/%
    91.3221~10≤2.6≥91
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    表  2  TWT的主要性能指标

    Table  2.   TWT main parameters

    output power(peak)/Wcathode voltage/kVduty cycle/%weight/kgpower efficiency/%phase coherence/(°)
    ≥9008.520≤1.545~52-20~20
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    表  3  PTWTA性能指标

    Table  3.   PTWT main characteristics

    operating
    frequency
    operating band
    width/MHz
    peak power
    (single)/ W
    gain flatness/ dBduty cycle/%pulse waveform
    drop/ dB
    power
    efficiency/%
    X-band≥3000≥1770≤1.222≤0.2≥36
    phase
    congruency/(°)
    saturated
    gain/ dB
    repeat
    frequency/ kHz
    EPC related spurious
    modulation/55 dBc
    bus
    voltage/ V
    RF interface
    (input)
    RF interface
    (output)
    ≤±10≥851~1078~105.6SMAWR90
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-29
  • 修回日期:  2020-06-08
  • 网络出版日期:  2020-06-12

星载X频段1600 W高幅相一致性脉冲行波管放大器

doi: 10.11884/HPLPB202032.200100
    作者简介:

    黄微波(1984—),硕士,高级工程师,主要从事行波管放大器技术、线性化技术研究;hwb124107@sina.com

  • 中图分类号: TN124+.2

摘要: 空间高分辨率合成孔径雷达(SAR)系统对大功率脉冲行波管放大器的带宽、输出脉冲能力、幅相一致性提出了更高的要求,基于宽带功率合成的kW级脉冲行波管放大器技术是空间应用的关键技术问题。研究了大功率脉冲行波管放大器宽带高幅相一致性控制技术和宽带功率合成技术,提出了空间用小型化脉冲双路合成行波管放大器集成结构,在3 GHz宽带内,实现了大于95%的合成效率,多台产品相位一致性≤±10°。

English Abstract

黄微波, 杨飞, 李晖, 等. 星载X频段1600 W高幅相一致性脉冲行波管放大器[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200100
引用本文: 黄微波, 杨飞, 李晖, 等. 星载X频段1600 W高幅相一致性脉冲行波管放大器[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200100
Huang Weibo, Yang Fei, Li Hui, et al. X-band 1600 W wideband amplitude-phase coherence pulsed TWTA for space application[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200100
Citation: Huang Weibo, Yang Fei, Li Hui, et al. X-band 1600 W wideband amplitude-phase coherence pulsed TWTA for space application[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200100
  • 技术演化推动空间遥感科学的快速发展,对成像精度和分辨率要求越来越高。星载合成孔径雷达(SAR)系统的分辨率朝着更高的亚m级方向前进,同时在未来的大范围海洋监测、农林监测及地形测绘等应用中需要一次几百km的测绘带宽。而SAR的距离向分辨率和测绘幅宽取决于系统带宽和发射功率[1-2]。这就要求基于反射面体制SAR系统用星载脉冲行波管放大器(PTWTA)[3]载荷具备更高效率以及更大的功率输出。由于单个行波管放大器的输出功率不足以满足空间SAR系统的输出功率要求,在系统中通常采用功率合成的办法来实现需求的功率输出。与此同时,合成各支路的相位和幅度的不一致性会对合路信号的相位产生畸变,造成成像质量下降。因此要求PTWTA具有较高的幅相一致性[4]

    • PTWTA采用微波功率模块(MPM)[5-11]设计,由行波管电源(EPC)[12-13]、行波管(TWT)和预放(SSPA)组成,并集成在一个结构件内,外部为大功率隔离器和合路器,图1为PTWTA的结构框图,两支900 W TWT和SSPA共用一个EPC。EPC的主要功能为接收平台的一次母线,将其转化为TWT和SSPA需要的各种电压,并接收系统的各种遥控指令并进行动作,提供系统需要的各种遥测信息。

      图  1  PTWTA原理框图

      Figure 1.  Schematic of PTWTA

      EPC的主要性能如表1所示,根据系统应用需求,EPC输出重频1~10 kHz,输出功率容量≥1300 W,测试效率≥91%。TWT的主要性能指标如表2所示,小型化TWT使用4个收集极方案传导散热,在整个带宽内输出功率≥900 W,效率45%~52%,预测寿命≥8 y,重量≤1.5 kg。SSPA主要功能是提供系统需要的增益和温度补偿功能,提供满足系统需要的饱和输入功率。SSPA能够提供最大50 dB增益,最大输出功率≥29 dBm,功耗小于5 W。

      表 1  EPC主要性能指标表

      Table 1.  EPC main parameters

      cathode voltage/kVpower density/kWduty cycle/%repeat frequency/kHzweight/kgpower efficiency/%
      91.3221~10≤2.6≥91

      表 2  TWT的主要性能指标

      Table 2.  TWT main parameters

      output power(peak)/Wcathode voltage/kVduty cycle/%weight/kgpower efficiency/%phase coherence/(°)
      ≥9008.520≤1.545~52-20~20
    • 图2(a)为同频段不同TWT间饱和输入激励随频率的变化曲线,图2(b)为归一化相位随频率的变化曲线。由于工作带宽为3 GHz,X频段脉冲TWT在频段内行波管增益波动大,饱和输入功率起伏近3 dB。不同TWT之间的归一化输入功率、相位也存在较大的波动,图2(a)中TWT1与TWT6在频率高端的饱和输入功率波动超过2 dB、图2(b)中不同TWT的归一化相位最大差值超过100°。

      图  2  不同行波管归一化输入功率/相位随频率的变化

      Figure 2.  Pin and phase coherence of different TWTs vs frequency

      对于功率合成技术,幅度一致性、相位一致性是影响功率合成效率的两个关键因素。幅度相位一致性对合成效率的影响如式(1)所示,其中$r$$\Delta \theta $分别表示幅度一致性和相位一致性;合成效率数值如图3所示,$r$$\Delta \theta $越小合成效率越高,反之合成效率越低。因而在多路功率合成时,需要对各个支路的幅度和相位一致性进行控制、补偿,使各通道间具备高幅相一致性,以满足高效率输出的要求。

      图  3  效率(η)与$r$和关系$\Delta \theta $

      Figure 3.  Efficiency (η) vs $r$ and $\Delta \theta $

      $$\eta = \frac{{{P_{{\rm{out}}}}}}{{{P_1} + {P_2}}} = \frac{{1 + r + 2\sqrt r \cos (\Delta \theta )}}{{2(1 + r)}}$$ (1)
    • PTWTA的幅度一致性受PTWTA饱和输入功率一致性和饱和输出功率一致性两个方面制约,其中饱和输出功率一致性主要受脉冲TWT决定。由于SAR系统采用的是多路功率合成的形式,同一个输入,经多个支路,当不同支路的饱和输入功率一致性相差较多时,相同输入功率会造成饱和输出功率一致性性能恶化。如图4(a)所示:当输入功率不一致性达到2 dB时,会导致不同TWT合成支路之间产生近1 dB的幅度差。同时,由于脉冲TWT工作饱和区,非线性失真较强,其相位随输入功率变化非常剧烈,X频段脉冲行波管其频率高端的AM/PM转换系数≥10(°)/dB,输入功率的误差会引入较大的相位误差,所图4(b)所示:当输入功率相差2 dB时,不同TWT间频率高端引入的相位误差超过20°,在频率低端也会带来10°的相位误差。由图3可知,当幅度相差1 dB、相位相差20°时,多路的合成效率将下降3%~5%。

      图  4  TWT输出幅度、相位随输入功率变化关系

      因此针对饱和输入功率的差异性,各个支路间采用均衡器进行饱和输入功率均衡匹配,通过调整4个谐振电阻的阻值以及谐振枝节的长度,在特定频率范围形成谐振和增益斜率变化,从而改变预放输入功率增益曲线,保证每个支路等激励输入的同时,每个频点接近饱和输入功率点,误差值≤±0.3 dB,使TWT在频带内接近饱和输出。

      图5给出了4级微带均衡器的基本结构及等效电路模型。均衡器由终端开路的微带支节通过加载谐振电阻和主传输线耦合而成。开路支节可等效为一个基本的RLC串联谐振电路。其中,L为谐振电路的等效电感,C为谐振电路的等效电容,R为谐振电路上的等效电阻。通过调节LC可以调节电路的谐振频率,可调节均衡电路的相对带宽;调节R可以调整谐振电路的Q值,实现需要均衡的幅值和斜率。均衡器测试曲线如图6图7所示,测试结构表明采用均衡器调整后,预放输出特性与TWT的饱和输入功率要求基本一致。

      图  5  均衡器电路模型

      Figure 5.  Simulation model of equalizer

      图  6  预放增益均衡器曲线随谐振电阻变化曲线

      Figure 6.  SSPA gain vs resistor and frequency

      图  7  预放增益均衡器测试曲线

      Figure 7.  Test curves of equalizer

    • 在相位一致性控制方面,本文提出了一种新型的相位补偿电路单元,通过电调的方式改变器件的时延特性,实现时延的连续变化,保证功率合成各端口的相位一致性。该器件置于每一个支路的前级驱动预放中,实现各支路相位快速调节。时延和相位变化的对应关系如式(2)和式(3)所示,在特定频带内配平相位补偿的大小$\Delta \phi $Vcc决定,该电路单元的性能如图8所示。

      图  8  时延和补偿相位随电压变化趋势

      Figure 8.  Delay and phase vs voltage

      $$ \Delta \tau = \tau \left( {\Delta {V_{{\rm{cc}}}}} \right) = - \frac{{\partial \phi \left( \omega \right)}}{{\partial \omega }} $$ (2)
      $$ \Delta \phi = \int_{{f_{\rm{d}}}}^{{f_{\rm{u}}}} {\tau \left( {\Delta {V_{{\rm{cc}}}}} \right){\rm{d}}\omega } $$ (3)

      该电路单元的时延、宽带相位补偿变化性能如图8所示,时延和相位补偿能够通过Vcc而连续变化,当电压在0~8 V之间变化时,在3 GHz带宽内,能够得到0~130°的相位补偿值。相位补偿范围随电压趋势变化,相位补偿精度可以通过调整该电路单元的电压来实现。当各端口相位差确定时,通过图8的变化趋势即可以得到相应的电压Vcc,相位配平试验步骤如图9所示。当完成相位补偿步骤后,再采用6位360°的数字移相器对这些端口的相位进行平移,至归一化相位零点。

      图  9  相位补偿原理

      Figure 9.  Phase compensation

    • 表3给出了X频段1600 W PTWTA的主要性能指标,各项性能满足星载SAR应用要求。图10图11给出了5台产品幅度一致性和相位一致性的测试结果(所有数据均以通道T1为基准进行归一化处理),图12给出了输出功率随温度、频率变化的结果。测试结果表明:在3 GHz带宽内,幅度相位具有较好的一致性,其中幅度一致性≤±0.3 dB,相位一致性≤±10°。由图3可知,当幅度一致性≤±0.3 dB,相位一致性≤±10°时,PTWTA的合成效率≥95%。通过测试,在整个频带内,产品峰值输出功率≥1770 W,在真空环境中温度稳定性好,输出功率变化≤0.2 dB。

      表 3  PTWTA性能指标

      Table 3.  PTWT main characteristics

      operating
      frequency
      operating band
      width/MHz
      peak power
      (single)/ W
      gain flatness/ dBduty cycle/%pulse waveform
      drop/ dB
      power
      efficiency/%
      X-band≥3000≥1770≤1.222≤0.2≥36
      phase
      congruency/(°)
      saturated
      gain/ dB
      repeat
      frequency/ kHz
      EPC related spurious
      modulation/55 dBc
      bus
      voltage/ V
      RF interface
      (input)
      RF interface
      (output)
      ≤±10≥851~1078~105.6SMAWR90

      图  10  5台X频段1 600 W PTWTA幅度一致性

      Figure 10.  Amplitude coherence of 5 PTWTAs

      图  11  5台X频段1600 W PTWTA相位一致性测试

      Figure 11.  Phase coherence of 5 PTWTAs

      图  12  真空试验输出功率情况

      Figure 12.  Performance in thermal vacuum test

    • 本文针对空间SAR系统的应用,提出了一种高幅相一致性的X频段1600 W脉冲行波管放大器,详细介绍了用于幅相一致性控制的设计原理、参数计算。设计的输入功率均衡电路和相位一致性补偿电路,提高了功率合成的效率和多台套产品的幅相一致性。测试表明:幅相一致性控制和补偿方法电路简单,工作稳定,具有很强的通用性。本文提出的相位补偿电路可扩展至C至K频段,并已经应用于其它频段基于功率合成的功率源的研制,为大功率脉冲行波管放大器的宽带功率合成、幅相一致性控制实用化应用奠定了基础。

参考文献 (13)

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