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新颖的设计和制造技术使毫米波TWT焕发活力
录入时间:2023/9/7 11:45:42

注:本文由DeepL翻译并经人工粗审,如有疑问可查阅原文或联系编辑

新颖的设计和制造技术使毫米波TWT焕发活力

Diana Gamzina and Richard Kowalczyk, Elve, Inc., Davis, Calif.

毫米波频谱为通信应用提供了许多令人瞩目的优势。与微波系统相比,毫米波为高数据速率提供了更大块的、竞争较少的、管制较少的带宽。较短的波长允许在给定的天线增益下缩小天线尺寸,以实现紧凑的系统。与光波相比,毫米波在大气中的损失不大,有可能克服恶劣的天气来维持连接。此外,在有足够功率的情况下,接收截面尺寸可以相对较大,能容忍不完美的天线指向精度。

无线通信系统正在发现越来越多的应用,因为与光纤等物理载体相比,其资本支出低、易于部署、对环境的影响小。长期以来,无线发射器在卫星通信中发挥了重要作用,并在地面上被用作点对点中继,在难以部署物理线路的地方提供干线通信。最近,毫米波系统已被迅速用于点对点的地面连接,最高可达W波段,并在卫星通信中用于网关上行链路,最高可达V波段。在这些频率上获得带宽,可以使数据速率与通过光纤获得的数据速率相竞争。1显示了71至76GHz和81至86GHz频段的大范围可用频率块,每个频段提供5GHz的连续带宽。在W波段(92至114GHz)和D波段(130至174.5GHz),甚至更大的带宽也被考虑用于近期的新网络。1 未来的系统将在200至300GHz范围内的G波段上运行。2


图1 毫米波频谱带。

功率放大器(PA)通常是天线之前的射频链中的最后一个部件,对系统性能起着关键作用。利用毫米波进行通信和成像需要在接收器处获得具有适当信噪比的信号。在各种天气条件下,在相当长的距离内运作的实用系统往往需要几十瓦的功率来满足要求。

在毫米波频率上实现这一目标是一个挑战。毫米波系统的优势已被承认了几十年,但由于缺乏毫米波功率放大器,影响了毫米波的部署。局部散热限制了单个MMIC的可实现的功率,因此达到瓦级的输出功率需要功率组合,从而降低了效率。毫米波固态功率组合系统的低效率、低系统级功率密度、高热负荷和设计复杂性是部署毫米波系统的一些挑战。虽然已经探索了几种技术来部署毫米波功率放大器,但如图2所示,3 GaN和GaAs是为高功率水平提供最大潜力的固态解决方案。我们需要新的技术,以紧凑的形式有效地提高功率。


图2 可用的SSPA3 Elve功率放大器已被添加。

行波管(TWT)放大器(TWTA),由行波管及其电源或电子电源调节器组成,是一种成熟的高度可靠的技术4,5,在毫米波频率下以紧凑的形式表现出高功率效率。我们认为,该技术优于固态功率放大器(SSPA),但在高数据率通信系统中的部署往往被忽视了。如图3所示,一个100W的TWTA可以使数据以100mW放大器的10倍速率传输。


图3 使用E波段TWT延长传输距离。

线性放大器概述

许多真空设备被用来产生或放大毫米波功率。线性波束器件,如克莱斯通、TWT和后向波振荡器(BWO)提供了固态器件无法达到的功率。Klystrons是具有谐振电路的窄带放大器,产生高峰值功率。它们被用于雷达和一些通信系统。TWT采用非谐振电路,允许明显更宽的带宽,通常是在比克莱斯通更低的功率水平。BWO的电路是为与后向行波的不稳定互动而设计的,因此这些器件在没有输入信号的情况下产生射频,放大了噪声。

TWT

TWT是通信系统中最常用的真空放大器。Rudolf Kompfner博士被认为是TWT的发明者6,而John R. Pierce博士很快意识到该装置的潜力,使他在贝尔实验室从事的通信成为可能。他开发了许多设计和建造实用设备所需的工程方法。7

TWT利用在真空环境中运行的电子所携带的动能对信号进行放大。操作开始于一个电子枪,它产生的电子束被静电聚焦成一个狭窄的流。大多数TWT采用了一个热离子阴极,其中低功函数材料被加热以向真空中发射电子。热阴极使发射材料蒸发,导致电子发射的有限寿命。电子能量由阴极中的麦克斯韦利分布给出,只有那些能量高于阴极功函数的电子才能进入真空。更高的电子发射要求意味着在给定的阴极材料功函数下,阴极要更热。施加在阳极上的电压加速了电子,而透镜则将它们静电聚焦成一个紧凑的波束。如果阴极表面很大,而聚焦的波束很小,如在高频TWT中,这种聚焦可能会使波束的横截面积减少一百倍,这就要求透镜的精度极高。

接下来,电子束携带着静电加速产生的动能,进入磁场,抵消电子的静电排斥力,在电子通过交互电路时保持恒定的横截面。该电路从一个注入电源的射频输入端口开始。射频由一条环绕电子束的传输线承载,这样,来自射频输入功率的电场就与电子束的轴向运动保持一致。交替的电场使一些电子加速,使另一些电子减速,形成电子束。当被调制的电子束随射频波移动时,电子束在电路上感应出电流,使电路波的振幅以牺牲电子动能的方式增长。

电子束和电磁波必须以相似的速度行进才能形成电子束。否则,电子看到的是一个正弦波变化的电场,速度有增有减,但平均来说还是保留其初始能量。与波的速度相近的电子在加速阶段不断加速,在减速阶段不断减速。

放大的射频在电路的末端被耦合出来,废旧的电子束被送到集电极。在大多数TWT中,收集器包含多个电极,每个电极都被压在地面以下,达到不同的电势水平。电子在爬上由这些偏置电极形成的电势山时放弃了动能,使电源能够回收能量,从而大大提高了设备的整体运行效率。这种能量回收是TWT能够达到明显高于固态放大器效率的原因之一。

通过用电磁信号调整电子速度来束缚波束的技术,通常用于真空放大器。速度调制在1930年代首次在克莱斯通中得到证明,速度调制可以在相互作用的电路中产生高增益,因为速度的微小变化会导致下游高和低电流密度的模式。由于所有这些都发生在无碰撞的真空环境中,这种方法允许这些设备扩展到非常高的频率。

最常用的TWT电路是一个螺旋线,或者更确切地说,是一个中心导体被扭曲成螺旋状的同轴传输线。传输线上的准TEM模式遵循螺旋路径,导致轴向速度变慢。电子束穿过螺旋线的中心,电磁波的电场沿着电子束的传播方向作用于电子束。

在具有真空电介质的同轴线上,电磁波以光速传播。在TWT中,螺旋线的间距,即每圈之间的距离,降低了电磁波在波束方向的净速度。4用"色散曲线"显示了这一点,即频率ω=2πf和波长之间的关系。频率在Y轴上,而波长的倒数则在X轴上,称为β。由于波的速度是由频率乘以波长得到的,所以曲线上任何一点的速度都是ω/β。


图4 同轴线和螺旋延迟线的色散曲线。

基于双导体传输线的TWT电路可以是非常宽的,因为它们使用没有截止频率的TEM模式。不幸的是,中心导体必须与外部导体电隔离。这需要陶瓷来支持螺旋线,导致截断电路的电子的非理想热路径和螺旋线中产生的欧姆损耗。对于需要较小带宽的应用,单导体传输线电路是比较好的。这些电路可以是全金属的,改善热功率处理。许多传统的TWT是由耦合腔制成的,它使用一系列用虹膜或槽连接的谐振腔来创造一个绕组射频路径。

折叠波导电路采用了一个波导在自身上多次弯曲,降低了射频沿波束传播的有效速度。8 在电路中打出一个波束隧道孔。从波导的色散曲线开始,射频沿着波导路径的净速度会降低,如图5所示。


图5 波导和折叠式波导的色散图。

周期性结构导致了6中所示的周期性色散曲线。每次波导折回时,电场的方向都会发生逆转。当电子束通过折叠波导结构时,它每隔半个周期就会看到一个额外的180度的相移,如图7所示。


图6 折叠波导的周期性色散曲线。


图7 由电子束看到的折叠式波导场。

图8显示了所产生的色散曲线。可以选择适当的波导横截面和路径值,以实现与波束速度相匹配的相位速度。可以对电路进行优化,使其在整个频段内具有相对恒定的相位速度,从而使宽带放大器的增益在频率上保持平稳。


图8 折叠波导TWT与电子束相互作用的色散曲线。

毫米波TWT

目前有许多使用螺旋电路设计的TWT可以在Ka波段为通信系统产生数百瓦的功率。供应商包括Stellant、CPI、Thales、Photonis、Teledyne和NEC。这些TWT的效率可以超过50%,输出功率密度约为100mW/cm3

对于尺寸或重量要求较高的应用,通常使用迷你TWT。这些器件具有较短的电路和较低的增益,与较高功率的固态驱动器相当。较低的电压允许一个非常紧凑的高压电源与TWT封装在一起。在Ka波段,最高可达100W,功率密度为数百mW/cm3。在E波段上,商业可用的选择较少,如图9所示。


图9 E波段放大器的比较。

ELVE TWTA

真空电子器件,如TWT,的制造通常是一个精细的过程;它需要极高精度的加工和装配。随着频率的增加,公差变得更加精确。每个毫米波电路都是单独构建和组装的,可能需要几个月的时间才能完成。电路的制造技术包括微加工(铣削或放电加工)以及围绕LIGA模塑光阻、蚀刻硅或3D打印聚合物结构的电镀。9,10,11,12 这些工艺不容易以最小的工艺调整来适应单个电路的设计变化。迄今为止使用的工艺在生产速度上有很大的限制。

Elve已经开发了适合批量制造毫米波TWT的设计和制造技术。该TWT采用了纳米复合钪钨发射器,其功函数明显低于传统TWT发射器材料。这些特殊的材料使得在相同温度下,发射的电子电流密度更高。因此,可以采用较小的发射器,使器件对波束聚焦结构中的微小尺寸误差具有鲁棒性,同时保持较长的使用寿命。

Elve TWT使用的是一种"片状"波束,其电子束垂直于行进方向的截面是椭圆形的,而不是圆形的。椭圆形降低了空间电荷密度和波束中的功率密度,减少了限制波束的磁场要求。保持一个相对于波长较小的椭圆尺寸可以实现良好的电路效率,即电子束动能转换为射频能量的比率。平面片状波束的配置很适合现代制造技术。

Elve开发了一种增材制造技术来制造电路。利用这种方法,不同频率的电路可以很容易地用同一工艺制造出来。其他与电子束相互作用的设备,如克利斯通或陀螺仪,也可以用这种方法制造。该电路技术对Elve快速迭代TWT设计的能力至关重要。在生产中,它使电路和TWT能够快速和稳定地批量生产。10显示了Elve TWT的紧凑平面结构。


图10 Elve E波段TWT。

传统的微波TWT已经在空间应用中证明了几十年的可靠运行。Elve正在设计和测试放大器,以满足同样严格的标准。阴极是TWT中最敏感的部分,因此每批粉末的样品都要进行测试,以验证工作功能和发射电流。Elve正在对完整的装置进行环境测试,包括阴极加热器循环、操作开/关循环、振动测试和在极端温度下操作,以确定和解决任何潜在的可靠性问题。

一个完整的基于TWT的放大器包含一个电子功率调节器(EPC),如图11所示,它为TWT产生工作电压。一个紧凑的TWT需要几千伏的负阴极电压,通常在-3至-20千伏之间。阴极电压必须严格调节,并具有极低的纹波,以实现TWT的理想射频性能。阴极加热器,在阴极电位下浮动,需要几瓦的功率。多级压低的收集器以阴极电位和地之间的电压为偏压,以实现对废电子束能量的有效回收。除了生成TWT电极电压外,EPC还提供控制逻辑和用户界面,以实现系统集成。


图11 EPC为TWT加热器、阴极和集电极供电。


图12所示的Elve Vermillion E波段放大器覆盖了81至86GHz。该放大器的小信号增益为20dB,其他参数见表1。传输曲线见图13,模拟线性性能见图14


图12 Elve E-波段PA包括TWT和EPC。


图13 模拟的射频传输特性。


图14 模拟的线性特性。

图15显示了多音输入波形下的行为。当由每个载波30dBm的输入功率驱动,产生超过100W的总输出功率,在两个载波频率之间分配,三阶互调失真约为16dB。


图15 频带中心的双音互调失真。

Stellant13,14和Northrop15报告了令人印象深刻的毫米波和太赫兹TWT结果,证明了通往毫米波真空功率器件的技术路径。产量一直很低,但Elve在过去的18个月里一直在开发大批量的TWT制造工艺。Elve的工艺正在不断发展,早期的原型放大器提供了反馈,以改进后续装置。原型的增益性能见图16,温度性能见图17


图16 早期Elve原型TWT的模拟和测量数据。


图17 TWT温度性能。

结论

TWT一直是通信、雷达和成像应用中的主力军。它们有机会回到聚光灯下,在毫米波频率下展示前所未有的性能。几十年来证明的可靠性、高功率和高效率是TWT的一些优势。Elve专注于大批量制造,确保获得TWT的优势,实现下一代的连接。

参考文献

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