作為航天產品，系統和用戶對空間行波管提出了非常高的要求，這不僅包括產品性能追求極致，同時也需要提供客觀、完整、高效和規范的數據包。本文從自動測試技術出發探討了自動測試系統框架，建立了規范、科學的測試方法和數據管理體系，后續期望與用戶單位和制管單位一起進一步完善，從而形成行業規范，進而建立標準。同時，本文還研究了基于多目標優化算法的智能調試技術，可進一步發掘產品性能，使器件工作在最佳狀態。

1. 引言

空間行波管作為衛星通訊和星載轉發器的關鍵部件，是衛星系統最核心的系統單機，負責微波信號的放大、轉發、傳輸等功能。空間行波管是性能指標要求很高的電真空器件^[1-7]，主要表現在：1）空間行波管體積小重量輕，輸出功率與質量比(W/kg)要求高；2）大量用于通迅，線性度要求高；3）工作時間長，需連續工作至少15年，且無法更換，穩定性要求高；4）衛星上能源有限，效率要求高；5）工作環境溫度跨度大，-180~120℃，真空環境散熱困難；6）在隨衛星發射過程中會伴隨強烈的沖擊和振動，上升加速度高達5-10G，結構可靠性要求高。

由于空間行波管需要在如此極端復雜的條件下正常工作，因此用戶單位對產品性能提出了極高的要求，主要體現在以下兩個方面：1）為配合航天科技集團提出的“產品質量與可靠性數據包管理”理念，在產品設計研發、生產、試驗等實現過程中，要求形成和產品質量與可靠性相關的文件與記錄的集合，即客觀、完整的數據包；2）隨著應用范圍的不斷擴大，應用系統的不斷升級，對其各性能參數提出了更高的要求，產品性能追求極致，如長壽命、高可靠、高效率、高線性度等。

我們針對上述兩方面的需求，進行了一些相關研究，包括：1）自動測試技術，該技術擬建立準確、規范、科學的全電參數測試方法和測試數據存儲體系，期望與用戶單位和制管單位一起探討行業規范，進而形成標準；2）智能調試技術，該技術以空間行波管各極工作電壓為決策變量，根據實際測試結果計算目標函數的適應值，基于復雜參量多目標優化算法相應地調整空間行波管的工作條件，迭代循環，以實現智能搜索空間行波管在整個工作頻帶內的最佳工作點，可進一步發掘產品性能，使器件工作在最佳狀態。

以上研究可以在空間行波管研制生產過程中將研制人員從重復、繁瑣的工作中解放出來，從而更多地關注產品設計。同時，可極大的提高生產效率，避免了人為誤差，確保了產品數據包的客觀性、完整性、高效性和規范性。

2. 空間行波管自動測試技術

在空間行波管的研制過程中，為了確保產品質量，需要在加工階段、裝配階段、調試階段、老練階段、環境試驗階段及驗收階段等多次對空間行波管部分或全部性能參數進行詳細測試。空間行波管全電參數測試內容包括20多種電性能指標，包括輸入輸出特性參量、諧波雜波參量、三階互調比參量、AM/PM參量、群時延參量、噪聲參量等。對這些參量的測量需要使用多種儀器設備和連接裝置，測試時間長，測試要求高，測試數據量大，數據記錄繁瑣。

然而，目前對空間行波管性能參數的測試多采用手動方式或部分參數采用獨立的自動測試程序完成，這會帶來以下幾個問題：1）測試過程人為因素影響較大，數據記錄零散，數據整理繁瑣，無法確保測試數據的客觀性；2）測試數據只記錄了結果數據，缺乏過程數據，這可能導致一些現象無法及時觀測到，無法確保測試數據的完整性；3）進行全面測試需要配合使用多種測試設備，測試人員要求高，測試系統的構建時間較長，測試完成時間長達幾個小時甚至更長時間，無法實現測試的高效性；4）現有的自動測試程序在一定程度上能夠提升效率和避免誤操作，但是其主要針對特定對象的特定參量測量，沒有形成完整的系統，通用性不強，無統一標準，無法確保測試數據保存的規范性。

2.1 空間行波管自動測試系統框架

空間行波管自動化測試系統主要包括測量平臺、測試服務器和數據服務器，如圖1所示。其中，測量平臺由被測對象、可編程測量設備、開關矩陣和其他輔助器件組成，構成測試系統的硬件環境；測試服務器運行自動測試軟件，實現自動測試功能，同時在測試過程中自動記錄測試系統數據、過程數據和結果數據，構成測試系統的軟件環境；數據服務器基于數據庫，對多個測試服務器產生的所有測試數據進行統一的結構化存儲，便于整體的數據管理和數據分析，構成測試系統的后臺支撐。基于該系統，可在30分鐘內完成空間行波管全電參數測試，同時完成數據整理及測試報告生成工作。

圖1、空間行波管自動測試系統框架

2.2 基于一體式測量平臺的測試規范

本文探討了一種空間行波管全電參數一體式測量平臺，如圖2所示。在該平臺下用戶只需要連接上被測空間行波管，平臺會根據標準的測量方法自動選擇開關通道，并自動完成參數測量，可以避免在測試不同參數時，由于設備切換引入的系統誤差，同時能夠實現系統整體校準。不同參數的測試通道如表1所示，所采用的測試方法基于GJB 3311A-2011《微波電子管測試方法》^[8]，并對部分參數測試方法進行了適當改進^[9]。

圖2、空間行波管全電參數一體式測量平臺

表1、空間行波管全參數的測試通道

2.3 測試數據存儲與管理體系

測試系統數據存儲框架主要包括本地存儲（ATS文件生成）、數據服務器、用戶報表自動生成三個部分，如圖3所示。當測試服務器完成測試后，測試得到的所有數據信息（包括設置參數、過程數據及結果數據等）將被自動記錄，并以ATS文件的格式結構化存儲在本地文件夾中，方便用戶調用已測數據；此時用戶可以根據需要，直接生成自定義的用戶報表；同時，根據用戶需要，本地ATS文件可傳輸至數據服務器中，數據庫將測試信息及存儲格式、數據類型等一并存儲，便于后期整體的數據管理及數據分析，由此形成測試系統的后臺支撐。

圖3、空間行波管自動測試系統數據存儲架構

3. 空間行波管智能調試技術

空間行波管調試的目的，就是要在多個可變參量（各極電壓）配合的條件下，得到多個目標參量（性能指標）的最佳效果。由于各可變參量之間相互關聯，且對多個目標參量的影響相互耦合，甚至相互沖突，且不可預知，因此目前只能根據設計師的工程經驗進行較為粗略的調整，以盡量滿足衛星系統提出的要求。本文研究了利用多目標優化算法來優化空間行波管電參量，在全體可行解上進行多方向的全局搜索，獲得全局最優解，使空間行波管的主要性能在整體上都達到最佳。

3.1 智能調試系統原理

空間行波管智能調試系統由電源控制模塊、數據獲取模塊和優化模塊構成。其系統框架如圖4所示。該系統的核心是多目標優化算法，能夠將空間行波管所有輸入電壓作為決策變量，將螺旋線電流或者任何需要優化的電參量作為約束條件或目標函數，利用優化算法去逼近全局最優解，實現空間行波管的綜合性能優化。

圖4、空間行波管智能調試系統框架

3.2 多目標優化算法

我們采用的多目標算法是第二代非支配遺傳算法(The second generation of Non-dominated Sorting Genetic Algorithm，簡稱NSGA-II)^[11]，該算法是一種基于Pareto 最優概念的多目標遺傳算法，它采用一種非支配分類的方法，使用適應度函數來代替多個目標函數，使其能夠解決任意數量目標的優化問題。NSGA與傳統的遺傳算法的最大區別在于：NSGA算法在進行選擇、交叉、變異等操作之前，對種群中個體之間的支配關系進行了分層，通過這種方法，能夠選擇較優的個體。其具體優化步驟如下：啟動算法產生第一代種子（種子基因個數由決策變量的個數決定），電壓控制系統獲取種子，驅動高壓程控電源，行波管開始正常工作；然后自動測試系統獲取約束條件和目標函數測試值，將其反饋給算法；然后算法根據目標函數值對種子進行非支配排序和進化操作（選擇、交叉、變異），產生更優的種子；然后電壓控制系統再獲取優化后的種子，重復上面的步驟，直至獲得全局最優解。

3.3 目前進展

目前我們結合NSGA-II和MTSS中的EOS，對空間行波管電子光學系統進行多目標快速優化設計^[12]。首先，以電子光學系統中多個宏觀電參量作為優化目標函數，啟動優化設計工具，得到最優化解集，然后分析解集中所有個體微觀的電子軌跡分布，從而選出最終的結果。收集極的優化目標為最大的收集極效率和最小的回流率，電子槍的優化目標為一定范圍的發射電流和注腰半徑、最大的射程；最終的設計方案通過分析最優化解集中所有個體的收集極內表面能量密度分布或電子槍電子注層流性來確定。

4. 總結

本文從航天產品的高質量、高標準的要求出發，以測試過程中產生的測試數據客觀性、完整性、規范性和高效性為目標，研究了空間行波管自動測試技術，研制了空間行波管自動測試系統，探討了標準化的自動測試方法、測試數據管理體系，希望以此完善相關內容的規范，進而推動相關標準的形成。同時，為了解決空間行波管在研制過程中多種電參量相互關聯、相互耦合而導致的多目標最優解問題，本文研究了智能調試技術，研制了基于自動測試系統和多目標優化算法的空間行波管智能調試系統，極大的提高了生產效率，也為進一步拓展產品性能提供了重要的方法。目前所有工作均取得了階段性進展，部分成果已得到應用，取得了較好的效果。

本文作者為電子科技大學電子科學與工程學院微波電真空器件國家級重點實驗室的黃桃教授、宮大鵬博士、劉佳博士、李盛楠碩士、趙笠錚碩士、張杰碩士、楊中海教授、李斌教授。

參考文獻：

[1] 歐陽勤, “空間行波管”, 真空電子技術, 真空電子技術, 2003年2期, 29-32.
[2] 李卓成, “國外空間行波管放大器現狀與發展”, 空間電子技術, 2012年4期, 28-34.
[3] 范培云, 馮西賢, “空間行波管應用進展及前景”, 中國電子學會真空電子學分會第十九屆學術年會, 2013.
[4] 劉沛, 蔡娜, “空間行波管技術指標體系研究”, 航天標準化, 2014年4期, 6-10.
[5] R. N. Simons, E. G. Wintucky, J. D. Wilson, and D. A. Force, “Ultra-High Power and  Efficiency  Space Traveling-Wave Tube Amplifier Power  Combiner With Reduced Size and Mass for NASA  Missions,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 57, no. 3, pp. 582-588, March 2009.
[6] M. Aloisio, E. Casini, and A. Ginesi, “Evolution of Space Traveling-Wave Tube Amplifier Requirements and Specifications for Modern Communication  Satellites,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 54, no. 7, pp. 1587-1596, July 2007.
[7] J. D. Wilson, E. G. Wintucky, K. R. Vaden, D. A. Force, I. L. Krainsky, R. N. Simons, N. R. Robbins, W. L. Menninger, D. R. Dibb, and D. E. Lewis, “Advances in Space Traveling-Wave  Tubes  for  NASA  Missions,” Proceedings of the IEEE, vol. 95, no. 10, pp. 1958-1967, October 2007.
[8] GJB 3311A-2011, “微波電子管測試方法”, 2011.
[9]李盛楠, 黃桃, 宮大鵬, 劉佳, 趙笠錚, 張杰, 李斌, “空間行波管電參數標準化自動測試方法研究”, 中國電子學會真空電子分會第二十一屆學術年會，甘肅平涼，2018年8月.
[10]趙笠錚, 李谷斌, 黃桃, 宮大鵬, 李盛楠, 劉佳, 張杰, 李斌, “空間行波管自動測試系統測試數據存儲規范及管理研究”, 中國電子學會真空電子分會第二十一屆學術年會，甘肅平涼，2018年8月.
[11]K. Deb, K. Pratap, S. Agarwal and T. Meyarivan, “A Fast and Elitist Multiobjective Genetic Algrothm: NSGA-II, ”  IEEE Transactions on  Evolutionary  Computation, vol. 6,  no. 2, pp. 182-197, April 2002.
[12] T. Huang, Q. F. Cao, J. Liu, D. P. Gong, S. F. Li, B. Li, “A Multistage Depressed Collectors Design Tool for Traveling Wave Tubes Based on Non-dominated  Sorting Genetic Algorithm  II,”   IEEE International Vacuum Electronics Conference, Monterey, USA, pp.175 - 176, April 2018.