劉 沖，李 潔，王 偉

0 引言

行波管是一種微波電子管，其工作原理是靠電子注的連續(xù)調(diào)制速度來(lái)實(shí)現(xiàn)放大功能。在其內(nèi)部，電子注與慢波電路微波場(chǎng)產(chǎn)生相互作用，在幾個(gè)到數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)慢波電路中，電子注持續(xù)不斷的將動(dòng)能傳遞給微波電磁場(chǎng)，從而達(dá)到信號(hào)放大的目的。為了使電子注同微波場(chǎng)產(chǎn)生有效的相互作用，需要具備同步條件，一般情況下，同步條件是指電子的直流運(yùn)動(dòng)速度較沿慢波電路行進(jìn)的微波場(chǎng)的相位傳播速度（相速）略高。

由于行波管具有大功率微波信號(hào)放大功能，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，尤其在雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，是微波功率放大的核心部件。

行波管按照不同劃分方式，應(yīng)用較多的包括脈沖行波管、大功率連續(xù)波行波管、多模行波管、空間行波管等。其中脈沖行波管用于地面固定和機(jī)載火控雷達(dá)、移動(dòng)式雷達(dá)和各類型電子對(duì)抗設(shè)備等；大功率連續(xù)波行波管多用于衛(wèi)星通信地球基站；多模行波管是電子對(duì)抗系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，可工作于脈沖狀態(tài)和連續(xù)波狀態(tài)；印制行波管具有體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，適合于相控陣?yán)走_(dá)等重點(diǎn)領(lǐng)域；空間行波管是空間應(yīng)用的專用管型，具有較高的可靠性、壽命長(zhǎng)和工作效率高，多用于通信衛(wèi)星和電視直播衛(wèi)星[1]。

本文基于核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品科技重大專項(xiàng)，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，提出了可行的行波管熱態(tài)駐波參數(shù)測(cè)試技術(shù)規(guī)范，為行波管熱態(tài)參數(shù)測(cè)試方法研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

針對(duì)熱態(tài)駐波參數(shù)，項(xiàng)目組對(duì)國(guó)內(nèi)目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行了匯總，目前主要依據(jù)文件有三個(gè)：1）美軍標(biāo)為MIL-STD-1311《TEST METHODS FOR ELECTRON TUBES》；2）GJB3311《微波電子管測(cè)試方法》；3）SJ20024《行波管測(cè)試方法》。目前使用較多的為GJB3311A，其規(guī)定較為齊全，該標(biāo)準(zhǔn)比較情況能夠涵蓋SJ20024標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)該熱態(tài)駐波參數(shù)相關(guān)測(cè)試情況不足分析如下：

（1）目前相關(guān)規(guī)范無(wú)熱態(tài)發(fā)射系數(shù)規(guī)定；

（2）熱態(tài)反射系數(shù)行業(yè)測(cè)試中很少涉及，因?yàn)槿绻褂貌划?dāng)會(huì)導(dǎo)致大功率信號(hào)反射回產(chǎn)品輸出口，導(dǎo)致?lián)p壞管子，所以通常情況一般不測(cè)試工作態(tài)的輸出駐波。相關(guān)單位采用的是仍然是矢網(wǎng)測(cè)試，但與傳統(tǒng)的使用方式不同，利用測(cè)試系統(tǒng)將輸出信號(hào)分流，從而實(shí)現(xiàn)輸出口工作態(tài)駐波的測(cè)試時(shí)不會(huì)導(dǎo)致功率反射回輸出口，導(dǎo)致產(chǎn)品損壞，能夠安全測(cè)試輸出口駐波[2]。

2 熱態(tài)駐波參數(shù)定義

所謂冷態(tài)駐波，也稱冷駐波比，是指行波管在斷電關(guān)機(jī)狀態(tài)下信號(hào)包絡(luò)的最大值與最小值之比。該參數(shù)反映了行波管在無(wú)電子柱狀態(tài)下與其它產(chǎn)品的阻抗匹配特性。冷駐波比的測(cè)試方法參見(jiàn)GJB 3311A-2011方法108A.

所謂熱態(tài)的含義一般為產(chǎn)品真實(shí)工作狀態(tài)，比如在飽和輸出狀態(tài)或者線性區(qū)工作狀態(tài)，高功率一般為超過(guò)儀器損壞的電平功率，行業(yè)中一般超過(guò)30 dBm的功率均可以定義為高功率。本文相關(guān)研究以前，未見(jiàn)達(dá)成一致意見(jiàn)的熱態(tài)駐波參數(shù)定義。

鑒于大功率行波管應(yīng)用的特殊性和廣泛性，由于熱態(tài)駐波參數(shù)量值對(duì)于其應(yīng)用產(chǎn)品影響巨大，本文對(duì)國(guó)內(nèi)大功率行波管研制、使用單位進(jìn)行了綜合調(diào)研，最終形成了一致性較高的熱態(tài)參數(shù)定義。所謂冷態(tài)駐波，也稱冷駐波比，是指行波管在加電工作狀態(tài)下信號(hào)包絡(luò)的最大值與最小值之比。該參數(shù)反映了行波管在有電子柱時(shí)與其它產(chǎn)品的阻抗匹配特性。

3 測(cè)試所用主要設(shè)備

測(cè)試儀器見(jiàn)表1.

表1 儀器清單

測(cè)試儀器要求如下：

（1）測(cè)試儀器設(shè)備應(yīng)經(jīng)計(jì)量部門檢定合格，并在有效期內(nèi)；

（2）具有自檢功能、需要標(biāo)校的儀器，使用前應(yīng)進(jìn)行自檢與校準(zhǔn)。對(duì)穩(wěn)定度有要求的儀器，測(cè)試時(shí)應(yīng)預(yù)熱至規(guī)定時(shí)間后再進(jìn)行測(cè)試；

（3）測(cè)試設(shè)備量程應(yīng)滿足所測(cè)項(xiàng)目指標(biāo)要求，并且精度要高于要求值至少一個(gè)量級(jí)

4 測(cè)試方法

如圖1所示，在實(shí)際使用端口2測(cè)試被測(cè)放大器輸出熱駐波比時(shí)，先外設(shè)一個(gè)信號(hào)源作為被測(cè)放大器的激勵(lì)，使放大器工作在輸出熱駐波比規(guī)定的測(cè)試狀態(tài)下，此時(shí)產(chǎn)品有高功率輸出。為了保護(hù)產(chǎn)品輸出端口之后的儀器，應(yīng)斷開(kāi)端口2內(nèi)部耦合器的連接，外接滿足功率安全范圍的定向耦合器，網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部信號(hào)源產(chǎn)生輸出熱駐波比測(cè)量信號(hào)，測(cè)量信號(hào)通過(guò)端口2后，經(jīng)過(guò)定向耦合器1耦合端耦合入射信號(hào)進(jìn)入R2外差接收機(jī)，獲得測(cè)量信號(hào)入射信號(hào)的幅度和相位，測(cè)量信號(hào)到被測(cè)件輸出口產(chǎn)生反射后，由定向耦合器2耦合端耦合反射信號(hào)進(jìn)入B外差接收機(jī)，獲得測(cè)量信號(hào)反射信號(hào)的幅度和相位，如果定向耦合器的耦合端輸出功率過(guò)大，還可增加衰減器進(jìn)一步降低功率電平，同時(shí)，在測(cè)試輸出端口2增加隔離器，保護(hù)放大器輸出功率反向進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵(lì)源端口，同時(shí)保證激勵(lì)信號(hào)通過(guò)定向耦合器入射到被測(cè)放大器的輸出端口，如果激勵(lì)源的輸出功率不滿足網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)工作范圍內(nèi)，可以在輸出口前通過(guò)跳線增加預(yù)放提供激勵(lì)信號(hào)。此時(shí)，定向耦合器的正向輸入口應(yīng)為校準(zhǔn)面/測(cè)試面。那么通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀比較測(cè)量信號(hào)的入射信號(hào)和反射信號(hào)，獲得產(chǎn)品輸出端面工作狀態(tài)下的電壓駐波比。

圖1 測(cè)試原理框圖

信號(hào)源設(shè)置激勵(lì)信號(hào)需要在放大器工作頻段內(nèi)，信號(hào)類型為單載波頻率[4]。網(wǎng)絡(luò)儀的測(cè)量信號(hào)也需要在放大器的工作頻段內(nèi)，信號(hào)類型為掃頻信號(hào)。為了確保激勵(lì)信號(hào)頻率和測(cè)量信號(hào)頻率間隔足夠大，頻率間隔應(yīng)當(dāng)至少等于IF中頻的三到五倍，如果網(wǎng)絡(luò)儀允許，推薦使用高選擇性的IF濾波器類型，否則還需增加頻率間隔。建議應(yīng)將放大器工作頻帶分為左右兩個(gè)帶寬，當(dāng)信號(hào)源設(shè)置激勵(lì)信號(hào)在左帶寬中心點(diǎn)時(shí)，矢網(wǎng)掃描右?guī)掃M(jìn)行測(cè)試，當(dāng)信號(hào)源設(shè)置激勵(lì)信號(hào)在右?guī)捴行狞c(diǎn)時(shí)，矢網(wǎng)掃描左帶寬進(jìn)行測(cè)試。

5 矢網(wǎng)跳線說(shuō)明

如圖2所示，以典型矢網(wǎng)為例，①為反射接收機(jī)A跳線，②為輸出信號(hào)跳線，③為入射接收機(jī)R1跳線，搭建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)圖2的原理框圖，斷開(kāi)矢網(wǎng)跳線后，將各測(cè)試附件接入系統(tǒng)。由于不同型號(hào)矢網(wǎng)的跳線不同，搭建系統(tǒng)后應(yīng)先對(duì)跳線的連接狀態(tài)進(jìn)行復(fù)核[3]。

圖2 跳線圖

6 測(cè)試步驟

（1）被測(cè)件開(kāi)機(jī)后，預(yù)熱0.5 h后按圖2連接測(cè)試系統(tǒng)和被測(cè)件；

（2）按要求設(shè)置信號(hào)源輸入被測(cè)件單載波測(cè)試信號(hào)，單載波信號(hào)分別設(shè)置于被測(cè)件左右兩個(gè)邊帶工作點(diǎn)；

（3）設(shè)置矢網(wǎng)輸出掃頻信號(hào)，測(cè)試狀態(tài)為S22，SWR；

（4）設(shè)置信號(hào)源無(wú)輸出信號(hào)時(shí)，測(cè)試無(wú)信號(hào)狀態(tài)下的輸出熱駐波，并存儲(chǔ)測(cè)試曲線和測(cè)試數(shù)據(jù)。

（5）設(shè)置信號(hào)源在小信號(hào)輸出信號(hào)時(shí)，應(yīng)將放大器工作頻帶分為左右兩個(gè)帶寬，當(dāng)信號(hào)源設(shè)置激勵(lì)信號(hào)在左帶寬中心點(diǎn)時(shí)，矢網(wǎng)掃描右?guī)掃M(jìn)行測(cè)試，當(dāng)信號(hào)源設(shè)置激勵(lì)信號(hào)在右?guī)捴行狞c(diǎn)時(shí)，矢網(wǎng)掃描左帶寬進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試獲得左右?guī)挼臒狁v波曲線，讀取帶內(nèi)最大值；

（6）重復(fù)步驟5測(cè)試設(shè)置信號(hào)源在飽和功率輸出時(shí)的被測(cè)件輸出熱駐波。

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)測(cè)試方法，搭建測(cè)試系統(tǒng)，在校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，選擇某進(jìn)口型號(hào)Ku頻段150 W行波管放大器進(jìn)行測(cè)試并比對(duì)，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示，與數(shù)據(jù)包結(jié)果一致性較好，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表2，能夠滿足測(cè)試要求。

圖3 熱態(tài)駐波實(shí)際測(cè)試結(jié)果

表2 輸出冷熱駐波比對(duì)結(jié)果

8 結(jié)論

本文依據(jù)實(shí)際需要，在試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，完成行波管熱態(tài)駐波參數(shù)測(cè)試技術(shù)規(guī)范草稿編制，具有較強(qiáng)的實(shí)用和參考價(jià)值。

[1]張愛(ài)平.行波管放大器輸出熱駐波比測(cè)試方法[J].空間電子技術(shù)，2015，12（6）：27-34.

[2]李卓成.國(guó)外空間行波管放大器現(xiàn)狀與發(fā)展[J].空間電子技術(shù)，2012，9（4）：28-34.

[3]Michael Hiebel.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理[M].北京：R&S公司，2007：301-302.

[4]張 睿，周 峰，郭隆慶，無(wú)線通信儀表與測(cè)試應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2012：317-318.