用于空间太阳能电站的大功率正交场微波源分析①

0 引言

1968年，Peter Glaser介绍了空间太阳能电站的概念[1-3]。空间太阳能电站(Solar Power Satellite,SPS)技术的基本流程为：(1)将太阳能电池阵放置在地球同步轨道上，组成太阳能发电站，将太阳能转化成为电能；(2)利用真空电子器件或固态器件，将电能高效率地转换成微波能；(3)利用天线将微波发射出去，穿过大气层射向地面；(4)地面接收系统接收发射来的能束，再通过能量转换装置将其转换成为电能。整个过程经历了太阳能-电能-微波-电能的能量转变过程。

在电能转化为微波能量(DC-RF)过程中，需采用微波功率器件来实现这种转换。就微波功率源来说，有两种选择，即半导体功率器件和真空电子器件[4-6]。真空电子器件属有源器件，它可用在整个微波频段和在所有功率电平上。基本工作原理是以电子为媒介，在高电压加速下，电子注通过包含电磁场的高频电路，电子注与高频场相互作用，产生振荡或放大，从而把高能电子注的动能或势能转化为电磁波的能量。

真空电子器件中，正交场器件体积小、重量轻、电压低、功率大，且效率最高，采用冷阴极具有超长寿命潜力，并具有较高可靠性，是SPS中最常用的微波源[7-10]。本文针对空间太阳能电站应用微波源，介绍了磁控管和正交场放大管的基本工作原理，当前国内外两种器件所达到的效率和功率容量特性。从两种器件工作原理出发，分析了两种器件潜在的效率、寿命及可靠性。根据两种器件的自身特性，面向高功率合成提出了相应技术方案和建议，为系统方案选择提供参考。

1 基本工作原理

当正交场微波管的阴、阳极之间(互作用空间)加上电场E和与电场垂直的磁场B时，阴极发射出来的电子就会在此正交电磁场中作摆线运动。高频场和直流电、磁场对电子的共同作用，产生了自动相位聚焦和电子自动挑选，使电子流形成了电子轮辐。轮辐中的电子由位能高的阴极走向位能低的阳极，位能减小，把位能交给高频场，使高频功率增加到满输出功率。在同步条件下，电子自动挑选的结果是处在切向高频加速场的电子走向阴极，回轰阴极，回轰能量使阴极产生二次电子发射，增强阴极的发射能力。处在切向高频减速场的电子走向阳极，由位能高的阴极走向位能低的阳极，把位能转换为高频能量。因此，正交场微波管是以电子作媒介把直流电源的能量转换为微波能量的一类真空电子器件。

磁控管和正交场放大管(Crossed Field Amplifier，CFA)利用同一方法将直流能量转换成微波能量，其主要差异在于采用不同的微波线路，使磁控管成为自激振荡管，增幅管成为宽频带放大器。磁控管的基本结构如图1所示，它有一个重入式微波线路(阳极)，只有一个射频输出端。CFA的基本结构如图2所示，它分为重入或非重入式(无漂移区，有收集极)微波线路(阳极)，图2为重入式微波线路(有漂移区)，有两个射频端，一个是输入端，另一个是输出端。这两种器件的电子效率是十分接近的，CFA具有较高的固有线路效率，尤其是在较高频率下[11-12]。正交场器件的阴极电流主要来源于阴极的二次电子发射，磁控管一般采用热阴极(直热或间热式)，采用冷阴极时需提供一次电子源，而CFA一般采用纯金属或合金的二次发射冷阴极，依靠激励的高频场电离管内残余气体产生一次电子源。因此，放大管中没有热丝，没有热发射电子，这一特点给器件可靠性和超长寿命提供了可能性。

正交场器件主要依靠二次电子发射工作，所以可采用冷阴极，其作用是提供一次和二次电子，这是有别于O型器件的特别之处。鉴于正交场器件采用二次发射冷阴极的工作原理，在磁控管(需提供一次电子源)和CFA中采用冷阴极方案获得了成功，并被大量采用。从纯金属或合金阴极的发射机理来看，属于体发射而非面发射。因此，冷阴极确实是可以实现超长寿命。

  

图1 磁控管基本结构

 

Fig.1 Structure of magnetron

  

图2 正交场放大管基本结构

 

Fig.2 Structure of crossed-field amplifier

正交场放大管是工作在微波频率范围内的一种高频信号宽带放大器(图2)，它能够提供相当大的输出功率，且效率很高。通常电子带宽的标称值为10%～15%，在已经获得应用的CFA峰值功率可达数MW，平均功率达数十kW，在一些使用返波电路和工作在低电压的CFA中，效率常常超过70%[13]。

前文所述，正交场器件采用二次电子发射工作，不论是振荡器还是放大器，这为管内采用冷阴极提供了可能，也为实现高可靠性提供了有利条件，且在大量应用中得到证实。但无论如何，真空电子器件中热子和热电子阴极的引入势必会对微波管的可靠性和超长寿命带来不确定的影响。

2 效率

2.1 磁控管

CFA是有极高功率潜力的。图7给出了工作在3 GHz，带宽5%的极高功率(超高功率)连续波CFA的性能特性，其输出功率高达425 kW，效率超过70%。图8给出了一个超高功率脉冲CFA的性能特性，其脉冲输出功率高达34 MW，效率超过60%。目前已报道的CFA功率容量的技术现状与1985年的情况进行了比较，其结果示于图9，在超过10 GHz的频率上，脉冲器件可用的功率电平为MW量级。

教师设置情景设置1：去年冬季，我校励行楼底楼上午第一节课上课前，发现一女生晕倒在洗手间门口。如果你发现了，你最先做的会是什么？阅读教材76页第一段，回答问题。

 

(1)

将式(1)的电子效率相对于B/B0绘图如图3所示，用大的B/B0比值能够获得非常高的电子效率。例如，B/B0=10，式(1)表明，效率为95%。事实证明，表1中所引用的8684型磁控管的电子效率非常接近于95%的理论值。

式中 ηe为电子效率；B为所加磁场；B0为取决于管子的工作频率。

对于空间太阳能电站应用来说，尽量提高磁控管效率是非常重要的，一是磁控管的效率会直接影响DC-RF转换系统总效率，二是高效率能有效减小磁控管的散热压力，有利于提高磁控管的可靠性。上述分析表明，实现磁控管95%的电子效率，使整管效率大于90%是可行的。

资本投入量计算。华南地区四省份均以2011年为基期，用本地区年末资本存量表示资本投入量，并采用永续盘存法估算年末资本存量，资本存量估算的公式是

2.2 正交场放大管

在各类电真空器件中，电子注重入式连续波CFA有许多优点，满足高效率、长寿命以及中等功率或极大功率的要求，这类器件效率远高于现有的其他类型功率放大器件，包括真空电子器件或固态功率器件。所以，在军用武器系统中优先得到了应用[3,14-17]，已经证明的CFA效率大于80%，并有潜在的更高效率[3,18]。CFA高频系统线路DC-RF理论转换效率可达95%，要使实际放大管的线路效率实现或接近理论值，需想方设法减小线路损耗，而线路损耗取绝于集肤深度，集肤深度随波长的二分之一次方变化。因此，在较低频率下容易获得较高线路效率。对于CFA来说，当电子离开阴极并被加速到与阳极上的高频行波同步的速度时，毕竟有一部分位能转换成了电子的动能，这部分电子的动能一部分损失在阳极上，另一部分损耗在阴极回轰上。因此，要提高CFA的总效率需在提高线路效率和降低入射阳极和回轰阴极电子动能两方面入手予以实现，当然也不能忽略输能组件的驻波损耗。

目前，CFA在0.915 GHz频率下DC-RF转换效率已达93%，总效率可达86%，在3 GHz频率附近，400 kW连续波功率条件下，CFA总效率已达到76.7%，若从其工作原理出发，设法最大限度地提高CFA的效率，总效率能够超过90%。

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图3 磁控管效率与B/B0比值的关系[13]

 

Fig.3 Efficiency of magnetron with B/B0 ratio

表1给出了四种不同的高效率正交场器件的工作性能，其中一种是磁控管，另外三种是增幅管。这些器件所测得的总效率达到76.7%～90%。对于第一种管子，由于使用了与振荡频率有关的高磁场实现了高效率，Twisletonwc公司所述管子的电子效率，也就是DC-RF能量转换效率接近94%，考虑到高频线路损耗，管子总效率也可达到86%[19]。

3 寿命

3.1 磁控管

通常热电子阴极和供给这种热阴极热量的热子寿命是有限的，它通常决定着管子的寿命。因此，这类超长寿命器件，不宜采用热电子阴极，也不宜采用热子。在正交场器件中，可使用不受寿命限制的纯金属或合金二次发射冷阴极材料，纯金属或合金阴极确实有如此长的寿命，且发射和寿命对真空度要求也相对低一些。

磁控管是一种正交场自激振荡器件(图1)，不具有相位相干性，在采用功率合成的射频链路中，需作为反映放大器使用(增益通常10～15 dB)，即需采用注入锁定方式。因磁控管效率高、功率适中、价格便宜，所以在DC-RF能量转换过程中，要求功率器件结构简单，转换效率高，磁控管无疑是最佳选择。

三是大力发展民生水利，着力提高水利公共服务能力。完成17处大型灌区和9处中型灌区年度节水改造任务，实施好6个规模化节水灌溉增效示范项目建设，建设节水灌溉面积510万亩（34万hm2）、“旱能浇、涝能排”高标准农田385万亩（25.67万hm2）。解决360万人饮水安全问题，推进沿黄地区饮水安全平原水库建设，建立县级水质检测中心和供水服务“116”热线。

冷阴极材料已在脉冲磁控管中成功获得应用，通过采用辅助热阴极或场致发射冷阴极材料获得一次电子源后即可通过冷阴极材料的二次发射性能实现磁控管稳定工作，寿命已达20 000 h以上，尚没有冷阴极材料应用于连续波磁控管的例子。

 

表1 正交场器件转换效率[10]

 

Table 1 Conversion efficiency of crossed-field devices

  

器件型号器件类型总效率/%放大管或振荡管频率/GHz脉冲或连续波平均或连续波功率/kW备注8684磁控管86振荡管0.915连续波30贮存管QK1224增幅管76.7放大管3连续波300特殊管QK622增幅管80放大管3脉冲15贮存管QK1220增幅管90放大管0.485脉冲—研究模型

3.2 正交场放大管

在激励功率足够的情况下，CFA使用冷阴极，可实现高频激励启动二次电子发射，控制放大管的工作。这是区别于其他微波管的非常特殊的性能。通常管内装有纯金属或合金的二次发射冷阴极，可获得超长的寿命，且在单位成本低的情况下,可进行批量生产[18]。

4.3.4 病虫害防治。按照NY/T393绿色食品农药使用准则，采用人工、物理、生物措施综合防控病虫害，减少化学农药使用量和使用次数，充分保护利用天敌。严禁使用高毒、高残留农药，推广使用低毒、低残留农药或生物农药[5]。

采用纯金属或合金二次发射冷阴极，可有效降低阴极工作温度，从而可保障放大管超长寿命要求。美国EAG公司采用XPS仪器(X-ray Photoelectron Spectroscopy)分析了有研亿金提供的Pt-3.5Ba合金表面状况。刻蚀深度250 nm，合金表面主要检测到氧、钡、铂，其中钡是以氧化钡(BaOx)的形式存在，铂是以单质金属形式存在，如图4所示。可见，金属表面到250 nm刻蚀处，氧和钡的数据均比较稳定，说明合金表面存在着钡薄膜(验证了俄罗斯研究人员的分析结论)，钡薄膜与氧反应后，形成氧化钡，氧化钡具有良好的发射性能。从表面到250 nm深度，钡保持了良好的稳定性，说明钡的扩散能力很强，为合金表面形成理想的覆盖薄膜奠定了基础。说明在适当的工作温度下，Pt-Ba和Pd-Ba合金具有较长的使用寿命。

CFA通常对冷阴极材料参数的要求可摡括为：最大二次发射系数σmax高；第一交叉电压V1低；发射均匀性好；耐电子离子轰击。常用的纯金属冷阴极材料包括铂、铍等，常用的合金冷阴极材料包括钯钡、铂钡、铜铝镁等，二次发射系数介于2～5之间，在S波段CFA中，可满足平均电流密度1 A/cm2长寿命要求，这已通过实验验证。

  

图4 Pt-3.5Ba合金表面XPS分析结果

 

Fig.4 XPS analysis results of Pt-3.5Ba alloy surface

4 功率容量

4.1 磁控管

连续波磁控管主要用于微波加热、微波干燥、微波杀菌、微波烧结等民用领域，且随着应用范围的不断扩大和深入，在国民经济中发挥了重要作用。图5给出了当前各频段连续波磁控管功率量级。在0.915 GHz最大连续波功率达100 kW，在2.45 GHz最大连续波功率达30 kW，而5.8 GHz最大连续波功率为1 kW。

图6给出了已发布的磁控管的功率特性，其峰值功率远超过1 MW，在实验室其峰值功率已达GW量级。由于电子注功率必须耗散在高频结构上，其平均功率和连续波功率还是受到限制的，但其平均功率接近MW量级是可能的。

图5和图6分别给出了磁控管单管所能达到的功率容量量级，获得更大功率仍需采用功率合成方式。磁控管属振荡器件，其脉冲间没有相位相干性，因此需采用注入锁定技术进行磁控管的功率合成以获得更大功率。锁定技术应用磁控管的原理是用输入和输出之间的相差去重调磁控管，使它工作在注入频率上，同时仍然保持一个给定的相位关系。锁定技术能使不同磁控管之间有足够精确的相位匹配，以保证它们可用于高功率波束阵列，于是可用相控阵列磁控管并联获得很高的有效辐射功率。国内已有人开展利用2.45 GHz大功率连续波磁控管进行注入锁定功率合成工作，其技术可行性已得到初步验证，为磁控管在多波束阵列和空间功率合成应用打下基础[18]。也有科研人员对C波段(5.8 GHz)4路连续波磁控管功率合成进行了实验研究，功率合成效率达到94.74%，总输出功率大于2 kW[20]。

  

图5 各频段连续波磁控管功率

 

Fig.5 Power level of the continuous wave magnetron

  

图6 磁控管的功率容量[7]

 

Fig.6 Power capacity of the magnetron [7]

磁控管的注入锁定表明,磁控管输出信号完全从属于输入信号。对于实际应用，这种磁控管在整个脉冲内复制输入信号的频率和相位，但所获得的有限增益和带宽限制了该技术的应用。另外，一种叫做注入启动(Injection Priming)的技术，区别于注入锁定的是它使用很小的输入信号。采用比磁控管输出功率低30～40 dB的输入信号注入启动，已获得有用的性能。已有报道，在有些情况下，采用低于磁控管输出功率60 dB的启动信号获得了有效控制[13]。这项技术将更有利于采用磁控管功率源的射频链路有效合成。

4.2 正交场放大管

磁控管和CFA工作原理基本相同，且采用相同的能量转换系统，均有实现高效率的潜力。磁控管的DC-RF的转换效率通常超过50%，可达到90%以上。现有产品中，在厘米波段，磁控管的效率可以达到70%～80%。目前，0.915 GHz/100 kW连续波磁控管的典型效率为88%，2.45 GHz/30 kW工业加热磁控管的典型效率为72%。

从磁控管的工作原理，可推导出DC-RF转换效率表达式：

  

图7 超高功率连续波CFA性能

 

Fig.7 Performance of the high power continuous wave CFA

  

图8 超高功率脉冲CFA性能

 

Fig.8 Performance of the high power pulse CFA

  

图9 CFA技术现状

 

Fig.9 Technology status of CFAs

图9给出了CFA单管的功率容量边界，但CFA优良的相位特性，使其能应用于采用器件阵列和要求调相的系统，如图10所示。图10中，还给出了其他方面的应用，如要求透明特性的应用场合(脉间直通)，以及采用多管并联以提升其功率容量的各种场合[21]。在相控阵天线阵中，要求器件轻巧、紧凑、长寿命、可靠且有很好的相位特性、高效率、大的增益带宽乘积、能同时启动[13]。除了增益不高外，CFA能满足上述所有要求。但采用由行波管和一个或多个CFA组成的放大链便能克服增益不高这一缺点。雷声公司已设计出由一个行波管和两个CFA放大器组成的放大器链，该放大链工作于X波段，增益为70 dB，效率为50%，峰值功率达到500 kW。在该放大链中，行波管提供了所需的增益，而CFA在中间级和末级形成高效率放大器链，并保证在低的阳极电压下产生高的峰值功率和平均功率。

  

(a)脉间直通的级联方式

  

(b)为提升功率容量的末级并联方式

  

(c)带相移器联合馈送方式

 

图10 CFA应用结构示意图

 

Fig.10 Structure diagram of CFAs application

从空间太阳能电站应用角度来说，应采用放大器件而非自激振荡器件，其主要原因是从单一器件中获得全部功率供给整个天线的所有发射单元是不切实际的，可靠的方法是使用大量发射管，每个管子向相控阵发射天线某一部分供给能量。因此，所采用的微波源必须是放大器而非振荡器，并由一个中心频率源控制，把控制能量馈入到各放大器输入端，即各单元的输入由中心源辐射的微波功率馈给。在单一射频链路中，高峰值功率会带来波导系统击穿问题，大平均功率会带来波导系统发热问题。因此，在单一射频链路中采用中等功率量级是较适宜的。在相控阵体制中，要求各管子的输出频率必须是一致的，输出相位可相互进行调节，且不随时间而变化。这些要求表明，不仅需要一只放大管，而且是一只相位很稳定的放大管，这就意味着通过管子的总相移与激励功率电平、温度效应等因素无关。CFA具有高的相位稳定度和低的相位调制灵敏度，并在大量管子一起使用，以产生相干辐射功率的许多应用场合中被采用[22-24]。

5 可靠性

蔡元培先生在他的论著中特别提出，作为老师在对学生进行教育的过程中要充分的保留学生自身的个性，不能够因为教学而压抑了他们的天性[12]；同时教育学家乌申斯基也认为无论是学校的教学制度，还是各种规章，真正与学生进行互动最多的仍然是老师，而老师对于学生的影响力则是其他一切因素都无法比拟的[13]。正是因为老师具有这么强的影响力，老师自身对于教师职业要有相应的态度，在教授知识的过程中，要关心学生，同时也要尊重学生，这样才能够确保教学活动顺利开展,永远保持那份对于教育的激情，充分发挥教师自身的人格魅力[14-15]。

脉冲磁控管中通过引入一次电子源，使得冷阴极工作得以实现，尤其是在毫米波和短毫米波频段。这种一次电子源只起到启动管子的作用，一旦磁控管振荡形成便不再需要这种一次电子来维持磁控管本身的振荡，而是依靠冷阴极的二次电子倍增效应维持磁控管的持续工作。在乌克兰报导的短毫米波脉冲磁控管中，采用冷阴极的磁控管有效寿命已达数万小时，证明了在磁控管中采用冷阴极的可行性，且保持了较长寿命。

在CFA中，其工作原理决定了电子以很低的速度被收集在慢波结构上，慢波结构设计用来收集这些低动能电子。所以，在电路上不存在电子注截获问题。另外，在正交场器件中，电子总是按E×B方向且沿着一条按一定方式弯曲的路径运动。所以，正交场器件的机械变形，并不会如同在速调管和行波管内那样，引起不希望有的电子注截获。因此，CFA的固有可靠性要比O型器件高得多。采用冷阴极的CFA，因省去了热子，使阴极结构被简化，对机械过载的稳定性提高，阴极材料蒸散在慢波系统和能量输出装置上的速度降低。因此，可靠性大大提高。

6 结论

(1)从空间太阳能电站应用角度，阐述了在DC-RF转换环节两种大功率正交场器件的效率、功率容量、可靠性等特点。

(2)针对超高效率和超长寿命要求，从器件工作原理出发，阐述了两种器件实现高效率的可能性和潜在特征。分析表明，采用冷阴极的磁控管和CFA具有潜在超长寿命特性，是空间太阳能电站优选微波源。

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(3)从功率合成的角度，提出了采用CFA进行射频链路合成所采取的技术方案，为系统方案选择和设计提供参考。

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人类的语言发音中有大量的共性现象，比如[w]音在英汉语中发音部位和动作的相似，这决不是单纯的偶然巧合。“由惊到缓”这一心态转换的高频出现，是促进“well”虚化的原因之一。既然能用攥紧拳头来缓和紧张，也就没有理由去否认舌头、口腔的特定动作组合也能达到影响人心态的特定效果。语言的外因(认知、语用和文化)和语言的内因(语音、语法和语义)[17]之间矛盾的对立性使语言发生演变，但二者的统一性又成就了其被虚化后的规约意义。了解这一点有助于译者解放思想，抛开其词典意义的束缚，从而在译文中更好地体现well的语篇功能和人际功能。

(4)从寿命、效率和功率合成角度来看，采用CFA更为适宜，较易实现超大功率，并保证了射频系统的高效率，但射频合成链路的复杂程度和成本会较高。

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