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[专题专项] 国产行波管发展应用跟踪贴

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liulong038 发表于 2018-4-7 17:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

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行波管(:Traveling-wave tube amplifier,简称TWTA)

①概念:行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。

②原理:在行波管中,电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用,在长达6~40个波长的慢波电路中电子注连续不断地把动能交给微波信号场,从而使信号得到放大。行波管让电子穿过一个长慢波结构。由于作用时间长,增益很高,同时没有谐振腔,工作带宽大大增加。行波管(TWT)的功用在于将微波讯号放大。待放大的微波信号经输入能量耦合器进入慢波电路、并沿慢波电路行进。电子与行进的微波场进行能量交换、使微波信号得到放大。行波管是当今广泛应用于雷达、电子对抗、通信等领域作为微波功率放大的核心器件。特别是耦合腔慢波电路行波管因其具有高峰值功率、高平均功率输出能力和高效率、大占空比等特点。

③应用:火控雷达、警戒雷达、通信卫星、导航卫星、电子对抗、电视直播等。


④工作频段:L~Ka波段。

⑤国内主要研制单位:中国电科12所、中国空间技术研究院西安分院(原5院504所)、中科院电子所、南京三乐公司(原国营772厂)。

 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 17:09 | 显示全部楼层
“实践十六号”卫星用国产X波段、Ka波段空间行波管放大器在轨顺利开机工作
“实践十六号”卫星任务是实现空间探测和技术试验。该卫星装备XKa波段两个国产行波管放大器均由中国科学院电子学研究所自主研制。“实践十六号”卫星国产X波段、Ka波段行波管开机成功是继电子所研制的X波段空间行波管(放大器)在“实践十二号”、“海洋二号”和“快舟一号”“遥感18号”等卫星上成功应用后又一次成功装星使用。
http://www.ie.ac.cn/xwzx/tpxw/201311/t20131105_3968001.html

 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 17:21 | 显示全部楼层
2010年6月,两套X波段45W行波管放大器成功应用于实践12号卫星数传和载荷分系统(截止到日前,数传用国产行放作为主份已在轨正常运行超过5年,远超过了3年的寿命要求),这是时隔20年后,我国自行研制的空间行波管放大器再次上星,具有重大的里程碑意义。此产品填补了我国在该领域的空白,推动了我国空间行波管放大器研究技术的发展,同时也打破了美国的禁运和法国的垄断,标志着国产化空间行波管及放大器进入了新的发展阶段,产生了显著的经济和社会效益,大大促进了我国卫星事业的发展。该产品也因此获得了国家科技进步二等奖,省部级科学技术进步奖一等奖。

2013年10月,Ka波段55W空间行波管放大器随整星发射并作为中继终端发射机主份开机工作,这是国产大功率、长寿命毫米波空间行波管放大器首飞,标志着电子所已占领了国产空间行波管放大器研制的制高点。2015年,L波段、C波段空间行波管放大器随新一代北斗导航卫星发射升空,在轨开机工作正常,成功实现了国产空间行波管放大器在卫星导航领域的首次应用,坚实地走出了装备关键器件国产化的一大步。在试验星工程中,电子所研制产品占导航主频段用行波管的85%,进一步确立了电子所在空间行波管研制领域的领军地位。

至此,电子所经过星上验证的产品覆盖了从L到Ka的全频段。
http://www.cas.cn/zt/hyzt/2016ndgzhy/xjjtxjgr/201601/t20160114_4517998.shtml
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 17:22 | 显示全部楼层
2013年北斗三号工程伊始,经各部门研究决定,在北斗三号卫星上使用国产化行波管放大器。该设备之前一直是引进国外技术,因此要严格把控首次实现国产化的产品指标。负责研制行波管放大器的单位攻坚克难,终于研制出6台设备。可是,谢军在认真检查这6台产品之后却作出了一个令人意想不到的决定:质量未达标,全部重做。


看来这个国产行波管拖了北斗三号的进度。

http://www.sasac.gov.cn/n2588025/n2641611/n4518442/c8272300/content.html
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 17:23 | 显示全部楼层
  2018年1月12日,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式成功发射北斗三号全球组网卫星第二组卫星,也是我国发射的2627颗北斗导航卫星,是继2017年11月5日北斗三号全球组网卫星第一组双星升空后的又一次成功发射。由电子为上海微小卫星工程中心配套研制的三型六L波段空间行波管放大器此次随整星发射与第一组卫星中我所为航天五院配套研制的4只L波段空间行波管胜利会师
  L波段空间行波管放大器是导航信号的末级功率放大器,是导航卫星的核心部件。此次发射使电子所为上海微小卫星工程中心配套行波管放大器在轨数量达到15套,已在轨产品最长工作时间已近三年,性能达到国外同类产品技术水平,运行稳定2018年上海微小卫星工程中心还将发射6颗北斗三号组网卫星,电子所将有18套L波段空间行波管放大器陆续发射升空。 1月11日,中科院党组副书记刘伟平到基地进行发射前动员并看望全体参试科技人员。电子所党委书记孙殿义参加现场动员会并慰问电子所参研人员。
   电子所将“十九大”精神为指引,以建设科技强国、航天强国为己任,深入实施“率先行动”计划,再接再厉,严慎细实,保质量,保进度,为北斗全球系统的如期建成出更大贡献!
http://www.ie.cas.cn/ttxw2016/201801/t20180112_4932556.html

目前来看,国产的行波管优先在北斗工程上应用,并在北斗产品上全面替代进口产品。(ps:这句话是层主自己推测的)
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 17:25 | 显示全部楼层
2015年3月30日21时52分,由中国科学院上海微小卫星工程中心研制的首颗新一代北斗导航卫星,在西昌卫星发射中心发射升空,作为卫星核心部件之一的行波管放大器,之前一直依赖进口。此次成功发射的新一代北斗导航卫星共使用6台行波管放大器,全部由电子所自主研发,不仅进一步奠定了电子所在行业内的领先地位,而且掀开了国产化自主可控的新篇章。 电子所自主研制的L—Ka频段放大器均已成功在轨运行,实现了2015年全频段放大器在轨应用的既定目标,并为实现2020年之前全面替代进口迈出了坚实的一步。


在新一代北斗导航试验卫星中,电子所共交付28套空间行波管及放大器,占总数量的90%。后续的组网星中,会有更多的由电子所研发的空间行波管放大器在轨应用,并全面替代进口
http://www.ie.ac.cn/xwzx/tpxw/201504/t20150409_4333545.html


 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 17:27 | 显示全部楼层
  遥感卫星十八号数传分系统主份产品采用电子所自主研制的国产X波段行波管,工作正常。电子所研制的X波段空间行波管已成功用于“实践十二号”、“海洋二号”、“快舟一号”、“实践十六号”等一系列卫星,可靠稳定、主要性能指标接近或者超过进口同类型产品,基本替代了进口产品。

 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 17:45 | 显示全部楼层
  2017年8月25日中国空间技术研究院西安分院(504所)中国科学院电子学研究所在怀柔园区签署了战略合作协议。双方结合“十三五”的发展形势和各自的发展规划,本着“优势互补、互惠互利、共同发展”的原则,共同推动双方在航天有效载荷领域的发展。

  签约仪式前,中国空间技术研究院院长张洪太一行
参观了空间行波管研发中心,了解空间行波管的制管工艺,在现场听取了近年来行波管发展的总体情况介绍。随后,张洪太一行参观了电子所星载SAR联调大厅。

  参观结束后,中国空间技术研究院西安分院院长李军和电子所所长吴一戎签署了“中国空间技术研究院西安分院与中科院电子所战略合作协议”。在随后的座谈会上,张洪太听取了电子所的发展历程,各领域近年来取得的研发成果介绍,希望通过这次战略合作协议,深化双方在国内空间载荷领域的合作关系,利用各自技术优势,实现优势互补,形成发展合力。吴一戎表示,以这次签订战略合作协议为契机,双方建立星载SAR研发合作机制,推动我国星载SAR技术持续快速发展,同时加快国产化空间行波管的上星应用,共同为我国空间载荷领域做出更大的贡献。


http://www.cas.cn/zkyzs/2017/08/116/yxdt/201708/t20170829_4612580.shtml
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 17:56 | 显示全部楼层
    2015年5月29航天五院西安分院史平彦院长一行来到中科院电子所怀柔园区,调研电子所空间行波管研制发展情况。一行到访的有西安分院王伟院长助理、冯靖皓副部长和朱正贤所长,电子所吴一戎所长、孙殿义书记、张毅处长、王刚主任等陪同参观。
  史平彦院长首先来到空间行波管研发中心,了解空间行波管数十年的发展历程,参观了产品设计、零件加工、焊接装配、调试测试、包装及试验等全部研制流程。随后在调研会上,吴一戎所长对史平彦院长的到来表示热烈欢迎,同时对西安分院多年来在空间行波管方面给予的支持表示感谢。史院长在听取了王刚主任所作的关于空间行波管研制进展的汇报后,详细询问了空间行波管的制造工艺、长寿命和高可靠性等方面的问题,与会人员给予详细解答,双方就空间行波管数据共享、配套能力和未来需求等方面进行了深入讨论并达成一致意见
  史平彦院长希望西安分院与电子所加大合作力度,广泛开展高频段空间行波管的研发。吴一戎所长表示怀柔园区的建设表明了电子所在空间行波管研发力度的决心,电子所将一如继往地做好空间行波管国产化配套工作。
  此次史平彦院长一行到访,夯实了电子所与西安分院的战略合作基础,推动我所在空间行波管领域的快速发展
http://www.ie.ac.cn/xwzx/zhxw/201506/t20150609_4370862.html

ssizz 发表于 2018-4-7 17:58 | 显示全部楼层
普通卫星与地面通信用的行波管是不是和通信卫星有效载荷用的完全不同?
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 17:59 | 显示全部楼层
西安分院在原子钟、行波管放大器、固态放大器、微波开关、大功率隔离器等5大类19项国产化部件方面积极推进研制。北斗三号卫星有效载荷和星间链路的研制过程中,西安分院以“全国大联合”的开阔视野,形成了由20多家科研院所和高校组成的研制队伍,最终实现了有效载荷部件100%国产化,增加了陕西“智造”的含金量。
http://www.fuping.gov.cn/Home/Article/detail/id/21355.html
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 18:00 | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2018-4-7 17:58
普通卫星与地面通信用的行波管是不是和通信卫星有效载荷用的完全不同?

我在这一块不是很懂,但是我觉得开这个专题的帖子有必要,所以搜集资料,整理出来,供大家讨论。
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 18:08 | 显示全部楼层

关键元器件受制于人,曾长期制约中国航天的发展,必须把系统建设与发展的主动权掌握在自己手中。2009年起,航天科技五院就联合国内多家单位,开展了行波管放大器等关键元器件国产化的技术攻关。

行波管放大器是通信卫星的关键元器件,曾长期依赖国外进口。2014年,我国正在进行北斗三号试验卫星研制时,外方突然通知,由于政府原因停止供货。由于当时我国行波管放大器技术攻关已经取得了突破,北斗团队果断决定用国货替代,避免卫星研制停摆。外方得知以后,急忙表示可以供货,并把价格降低了一半。这让北斗团队坚定了走国产化道路的决心。

推动国产化,必然要冒质量、进度等风险。为此北斗团队不惜花超过一般卫星3倍多的时间,对国产部件反复进行验证、测试、迭代。他们还研制了国产元器件使用应用验证系统,建立了一套科学有效的仿真验证方法和手段,形成了一整套比国外更加严格的标准方法。

经过十多年艰苦努力,长期依靠进口的行波管放大器组件、微波开关、大功率电源控制器、动量轮组件、星敏感器等关键产品,已实现主、备份全部国产化,北斗三号卫星部件国产化率达到100%。

http://www.bh.gov.cn/kw/contents/274/176275.html


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 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 18:14 | 显示全部楼层
       2017年5月18日航天研发中心副主任张寅生率高分专项天基领域专家组到中科院电子所怀柔园区调研空间行波管及放大器的研制情况,来所调研的专家包括五院彭守诚总师,西安分院李立副院长,中电科14所林幼权总师、38所葛家龙总师等近20位相关领域的专家。我所邓云凯副所长,航天项目办张毅主任和王刚主任等陪同调研。
  上午专家组来到空间行波管研发中心生产线,王刚主任介绍了我所空间行波管近十年来迅猛发展的历程,并展示了三室全谱系的行波管(放大器)产品实物,详细介绍产品研制的各个环节。专家们不禁感叹,目前国内的工艺设备水平已经超过国外,生产环境相比前些年已经是质的飞跃。随后在调研会上,专家们在听取了王刚主任作的Ku脉冲空间行波管放大器研制进展汇报后,详细询问了Ku脉冲空间行波管的关键技术指标、产品的工艺实现以及可靠性等方面的问题,与会人员给予详细解答,并对比目前国内外大功率脉冲空间行波管放大器研制情况进行了深入讨论。  
  专家组组长彭守诚研究员总结表示,这次调研收获很大。他指出,电子所近年来在国家重大课题的支撑以及任务需求的拉动下实现快速发展的良好势头,同时也着眼未来主动超前布局,做好了深厚的技术储备,积累了丰富的工程经验,希望电子所能够不辱使命,抓住良好机遇,在大功率脉冲空间行波管放大器的研制上取得进一步突破。同时,专家组也会持续关注电子所的发展,一如既往支持国产空间行波管的应用。
  邓云凯副所长在讲话中首先代表电子所对机关领导和专家组深入我所调研和提出新的更高需求,牵引我所微波电真空器件的发展表示感谢。他指出,专家们站在专业领域的角度和高度对国产空间行波管的发展提出相关的建议,具有重要的指导意义。我所也一直在努力研制新的产品以适应更高的应用需求,并在工艺工程控制和产品可靠性上持续改进,为后续国家重大型号任务的研制做出自己的贡献。(项目办 李筱迅)
http://www.ie.ac.cn/kydt2016/201705/t20170523_4795897.html

hyperion 发表于 2018-4-7 18:16 | 显示全部楼层
通信卫星会不会也在学习雷达,将往AESA方向转变?
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 18:18 | 显示全部楼层
航天科技集团五院西安分院“北斗团队”承担研制了导航分系统、天线分系统、星间链路子系统等全部有效载荷
http://o.xiancity.cn/system/2017/11/06/030505618.shtml
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 18:29 | 显示全部楼层
行波管的典型应用包括:
防空反导系统:“爱国者3”的相控阵雷达(AN/MPQ-53升级到AN/MPQ-65),增加了行波管功率,平均功率达到20kW,具备高机动性,探测距离170km,导弹末引头采用Ka频段1kW行波管实现精确末制导。
电子战系统:“咆哮者”电子战飞机,采用行波管组成的干扰系统,服役8个月便击败F22隐身飞机;俄罗斯Su24 “希比内”电子战系统,在2014年瘫痪了宙斯盾舰;美军通用SLQ-32舰载电子战多波束系统(每套系统140支行波管),大量装备与驱逐舰、护卫舰和航母,可同时干扰80部雷达。
空间应用:从L-V波段的90%以上卫星功率放大器,最大效率达到72%,寿命15年,是现代信息化战争通信、导航、侦察系统的关键件。由于空间行波管显著的高效率、高可靠、大功率、抗辐照特性,该类管型会长期应用在卫星下行通信等领域。
大功率卫星上行通信:200W-2000W的C-Q波段卫星上行系统,几乎全部采用超线性化行波管,是卫星上行通信的核心器件,具备大功率、高效率、高可靠等优点,连续工作寿命3-7年。
无人机:“全球鹰”和“捕食者”无人机的通信系统,采用行波管微波功率模块(MPM)提供全天候高速卫星通信。Ku频段的无人机合成孔径雷达(SAR)广泛采用行波管作为高峰值功率(>1kW)、高效率、宽频带、小型化功率源。
地基远程预警与情报系统:美国的“丹麦眼镜蛇”雷达(AN/FPS-108)有96个子阵组成,稀疏阵,每个子阵160个辐射单元,总峰值功率达到15.4MW,平均功率920kW,L波段带宽200MHz,探测距离3200km。前苏联类似系统为“鸡笼”“狗舍”大型地基警戒雷达,可探测距离3000km以上。
机载火控雷达:“二代、三代和四代战斗机”采用集中发射机和无源相控阵的火控雷达是传统机载火控的主力,具备成本低、重量轻等特点,现役飞机全球达到上万架。如Su35的无源相控阵雷达,平均功率5kW,正面探测距离达到400km,具备良好的作战性能。
http://rf.eefocus.com/article/id-332044

 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 18:32 | 显示全部楼层
小功率行波管寿命普遍大于1万小时,中小功率水平达到10万小时,支撑了武器全寿命周期。从平均首次故障时间(MTTF)统计,可以看出:电子战系统的MTTF时间从1970年的1千小时提升至4万小时。
空间行波管的MTTF达到千万小时量级,表现出极高的可靠性。

http://rf.eefocus.com/article/id-332044
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 18:34 | 显示全部楼层
著名的国际太空咨询机构Euroconsult在其最近逝的《卫星通信与广播市场观察》(第16版)中指出,“2018年,Ka波段需求将占卫星容量总需求的14%,主要采用Ku和C波段的军事卫星通信也将被推向Ka波段。”在通信卫星中采用Ka波段,可以获得较宽的工作频带,增加通信容量,同时还可以实现较窄的波束,从而获得高的EIRP值,减小地面终端天线尺寸。而且,相对于已经十分拥挤的C、Ku波段,Ka波段的干扰较小,便于卫星的轨道位置和频率关系的协调。而元器件以及工艺水平的提高,也对Ka波段的发展起到了一定的加速作用。
https://www.lw5u.com/zz/weixingyuwangluo/news/itemid-807929.html
 楼主| liulong038 发表于 2018-4-7 18:37 | 显示全部楼层
重点介绍ka波段空间行波管:

1.Ka波段概述
Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分,Ka波段的频率范围为26.5-4 0GHz。Ka代表着K的正上方( K-above),换句话说,该波段直接高于K波段。Ka波段也被称作30/20 GHz波段,通常用于卫星通信。Ka波段最重要的一个特点就是频带较宽,C频段的一般可用带宽为500MHz一800MHz;Ku频段的可用带宽为500MHz~1000MHz;而Ka频段的可用带宽可达到3500MHz。因此,Ka波段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视( HDTV)、卫星新闻采集( SNG)、VSAT业务、直接到户(DTH)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。Ka波段的缺点是雨衰较大,对器件和工艺的要求较高。在Ka波段频率下,用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益,而是受制于抑制其它系统干扰的能力。
表1为无线波段的划分
1.1早期试验研究情况
1974年,美国NASA就曾在Fairchild(仙童公司)研制的ATS-6(应用技术卫星-6)上进行过20、30GHz连续波和多个单音的传播试验,开辟了Ka波段卫星传播和通信试验的先河。1976年,美国用一枚火箭同时发射了LES 8、9(林肯试验卫星8、9),它不仅与地球站进行了Ka波段的传播试验,而且还建立了卫星间Ka波段试验链路。
日本在开发卫星通信的初期,就将目标定在了Ka波段。1977年4月,日本发射了与美国合作研制的ETS-II(工程试验卫星II),并于1977年12月发射了自己的实验通信卫星CS-1(通信卫星-1),该卫星载荷有6台Ka波段转发器。接着,日本子1983年2月和8月分别发射了CS-2( 2A、2B)商用卫星。其中2A位于同步轨道1300 E,属于工作星,2B作为备份星位于135。E。CS-2不但是日本的第一颗商用通信卫星,也是世界上第—颗搭载Ka波段转发器的实用通信卫星,载有6台Ka波段转发器,2台C波段转发器,采用二次变频体制,中频频率1.8GHz。后来,日本于1988年发射了CS-3A、3B两颗卫星,Ka波段转发器增加到15台,采用单波束天线。其Ka波段转发器的主要特点是:采用了与CS-2不同的一次变频体制,直接进行上下行频率转换。
欧空局于1990年7月发射了Ka波段的奥林巴斯( OLYMPUS)通信卫星。意大利也较早地开发利用Ka波段卫星ITALSAT(意大利卫星),该星为意大利第一颗国内通信卫星,于1991年发射,载有三类有效载荷,其中两类用于Ka波段点对点通信,包括多波束系统和全球波束系统,多波束系统有6台Ka波段转发器,具有0.9Gbit/s的数据传输能力。
1.2 Ka波段卫星的起伏发展阶段 20世纪末,随着全球信息高速公路的发展,众多的Ka波段计划纷纷出台。1997年美国联邦通信委员会( FCC)对13家公司发放了Ka波段卫星通信系统许可证。例如,洛克希德·马丁公司的Astrolink系统,计划用5颗地球静止轨道卫星提供高数据速率通信业务,具有星间链路;Teledesic系统则计划在1375公里的12个圆轨道面上布署288颗卫星;另外就是劳拉公司的Cyberstar系统,由3颗卫星组成;HCI的Galaxy/Spaceway,由20颗星组成;GE美国公司的GE Star系统,由9颗卫星组成;晨星公司的Morning Star系统,由4颗卫星组成;而著名的移动卫星“铱”系统的星间链路也采用了Ka波段技术。此外,欧空局、日本、德国、加拿大、韩国等也都推出了自己的Ka波段计划,如法国的Skybrige;韩国为2000年奥林匹克运动会和2002年世界杯电视转播而计划发射的Koreasat-3(韩星-3)等。
与此同时,数据中继卫星也开始大量应用Ka波段。因为太空中不存在雨衰,因此Ka波段是太空传输的最佳选择之一。美国计划从2000年开始使用的第二代跟踪与数据中继卫星,增加Ka波段星间链路和馈电链路,其最大反向数据率可达650Mbit/s。欧空局的计划分为两个部分,—个是“高级中继和技术试验卫星( ARTEMIS)”,另—个是数据中继卫星( DRS),在星间链路和馈电链路上都使用了Ka波段传输技术。日本发射了两颗名为数据中继测试卫星( DRTS),其中在星间链路和馈电链路中使用了Ka波段转发器技术,最大反向数据率可达300Mbit/s。
然而,因为本世纪初光缆对卫星通信产业所产生的巨大冲击,使得Ka波段卫星的发展遇到前所未有的挫折。许多Ka波段项目被无限期地延长。


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