作為航天產(chǎn)品，系統(tǒng)和用戶對空間行波管提出了非常高的要求，這不僅包括產(chǎn)品性能追求極致，同時(shí)也需要提供客觀、完整、高效和規(guī)范的數(shù)據(jù)包。本文從自動(dòng)測試技術(shù)出發(fā)探討了自動(dòng)測試系統(tǒng)框架，建立了規(guī)范、科學(xué)的測試方法和數(shù)據(jù)管理體系，后續(xù)期望與用戶單位和制管單位一起進(jìn)一步完善，從而形成行業(yè)規(guī)范，進(jìn)而建立標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，本文還研究了基于多目標(biāo)優(yōu)化算法的智能調(diào)試技術(shù)，可進(jìn)一步發(fā)掘產(chǎn)品性能，使器件工作在最佳狀態(tài)。

1. 引言

空間行波管作為衛(wèi)星通訊和星載轉(zhuǎn)發(fā)器的關(guān)鍵部件，是衛(wèi)星系統(tǒng)最核心的系統(tǒng)單機(jī)，負(fù)責(zé)微波信號的放大、轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸?shù)裙δ堋？臻g行波管是性能指標(biāo)要求很高的電真空器件^[1-7]，主要表現(xiàn)在：1）空間行波管體積小重量輕，輸出功率與質(zhì)量比(W/kg)要求高；2）大量用于通迅，線性度要求高；3）工作時(shí)間長，需連續(xù)工作至少15年，且無法更換，穩(wěn)定性要求高；4）衛(wèi)星上能源有限，效率要求高；5）工作環(huán)境溫度跨度大，-180~120℃，真空環(huán)境散熱困難；6）在隨衛(wèi)星發(fā)射過程中會(huì)伴隨強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)，上升加速度高達(dá)5-10G，結(jié)構(gòu)可靠性要求高。

由于空間行波管需要在如此極端復(fù)雜的條件下正常工作，因此用戶單位對產(chǎn)品性能提出了極高的要求，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1）為配合航天科技集團(tuán)提出的“產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性數(shù)據(jù)包管理”理念，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)、試驗(yàn)等實(shí)現(xiàn)過程中，要求形成和產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性相關(guān)的文件與記錄的集合，即客觀、完整的數(shù)據(jù)包；2）隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用系統(tǒng)的不斷升級，對其各性能參數(shù)提出了更高的要求，產(chǎn)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(jìn)行了一些相關(guān)研究，包括：1）自動(dòng)測試技術(shù)，該技術(shù)擬建立準(zhǔn)確、規(guī)范、科學(xué)的全電參數(shù)測試方法和測試數(shù)據(jù)存儲體系，期望與用戶單位和制管單位一起探討行業(yè)規(guī)范，進(jìn)而形成標(biāo)準(zhǔn)；2）智能調(diào)試技術(shù)，該技術(shù)以空間行波管各極工作電壓為決策變量，根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)值，基于復(fù)雜參量多目標(biāo)優(yōu)化算法相應(yīng)地調(diào)整空間行波管的工作條件，迭代循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)智能搜索空間行波管在整個(gè)工作頻帶內(nèi)的最佳工作點(diǎn)，可進(jìn)一步發(fā)掘產(chǎn)品性能，使器件工作在最佳狀態(tài)。

以上研究可以在空間行波管研制生產(chǎn)過程中將研制人員從重復(fù)、繁瑣的工作中解放出來，從而更多地關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計(jì)。同時(shí)，可極大的提高生產(chǎn)效率，避免了人為誤差，確保了產(chǎn)品數(shù)據(jù)包的客觀性、完整性、高效性和規(guī)范性。

2. 空間行波管自動(dòng)測試技術(shù)

在空間行波管的研制過程中，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，需要在加工階段、裝配階段、調(diào)試階段、老練階段、環(huán)境試驗(yàn)階段及驗(yàn)收階段等多次對空間行波管部分或全部性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測試。空間行波管全電參數(shù)測試內(nèi)容包括20多種電性能指標(biāo)，包括輸入輸出特性參量、諧波雜波參量、三階互調(diào)比參量、AM/PM參量、群時(shí)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(shè)備和連接裝置，測試時(shí)間長，測試要求高，測試數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)記錄繁瑣。

然而，目前對空間行波管性能參數(shù)的測試多采用手動(dòng)方式或部分參數(shù)采用獨(dú)立的自動(dòng)測試程序完成，這會(huì)帶來以下幾個(gè)問題：1）測試過程人為因素影響較大，數(shù)據(jù)記錄零散，數(shù)據(jù)整理繁瑣，無法確保測試數(shù)據(jù)的客觀性；2）測試數(shù)據(jù)只記錄了結(jié)果數(shù)據(jù)，缺乏過程數(shù)據(jù)，這可能導(dǎo)致一些現(xiàn)象無法及時(shí)觀測到，無法確保測試數(shù)據(jù)的完整性；3）進(jìn)行全面測試需要配合使用多種測試設(shè)備，測試人員要求高，測試系統(tǒng)的構(gòu)建時(shí)間較長，測試完成時(shí)間長達(dá)幾個(gè)小時(shí)甚至更長時(shí)間，無法實(shí)現(xiàn)測試的高效性；4）現(xiàn)有的自動(dòng)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(tǒng)，通用性不強(qiáng)，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無法確保測試數(shù)據(jù)保存的規(guī)范性。

2.1 空間行波管自動(dòng)測試系統(tǒng)框架

空間行波管自動(dòng)化測試系統(tǒng)主要包括測量平臺、測試服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，如圖1所示。其中，測量平臺由被測對象、可編程測量設(shè)備、開關(guān)矩陣和其他輔助器件組成，構(gòu)成測試系統(tǒng)的硬件環(huán)境；測試服務(wù)器運(yùn)行自動(dòng)測試軟件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試功能，同時(shí)在測試過程中自動(dòng)記錄測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，構(gòu)成測試系統(tǒng)的軟件環(huán)境；數(shù)據(jù)服務(wù)器基于數(shù)據(jù)庫，對多個(gè)測試服務(wù)器產(chǎn)生的所有測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化存儲，便于整體的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析，構(gòu)成測試系統(tǒng)的后臺支撐。基于該系統(tǒng)，可在30分鐘內(nèi)完成空間行波管全電參數(shù)測試，同時(shí)完成數(shù)據(jù)整理及測試報(bào)告生成工作。

圖1、空間行波管自動(dòng)測試系統(tǒng)框架

2.2 基于一體式測量平臺的測試規(guī)范

本文探討了一種空間行波管全電參數(shù)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(huì)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的測量方法自動(dòng)選擇開關(guān)通道，并自動(dòng)完成參數(shù)測量，可以避免在測試不同參數(shù)時(shí)，由于設(shè)備切換引入的系統(tǒng)誤差，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)整體校準(zhǔn)。不同參數(shù)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(shù)測試方法進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)^[9]。

圖2、空間行波管全電參數(shù)一體式測量平臺

表1、空間行波管全參數(shù)的測試通道

2.3 測試數(shù)據(jù)存儲與管理體系

測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲框架主要包括本地存儲（ATS文件生成）、數(shù)據(jù)服務(wù)器、用戶報(bào)表自動(dòng)生成三個(gè)部分，如圖3所示。當(dāng)測試服務(wù)器完成測試后，測試得到的所有數(shù)據(jù)信息（包括設(shè)置參數(shù)、過程數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)等）將被自動(dòng)記錄，并以ATS文件的格式結(jié)構(gòu)化存儲在本地文件夾中，方便用戶調(diào)用已測數(shù)據(jù)；此時(shí)用戶可以根據(jù)需要，直接生成自定義的用戶報(bào)表；同時(shí)，根據(jù)用戶需要，本地ATS文件可傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器中，數(shù)據(jù)庫將測試信息及存儲格式、數(shù)據(jù)類型等一并存儲，便于后期整體的數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)分析，由此形成測試系統(tǒng)的后臺支撐。

圖3、空間行波管自動(dòng)測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)

3. 空間行波管智能調(diào)試技術(shù)

空間行波管調(diào)試的目的，就是要在多個(gè)可變參量（各極電壓）配合的條件下，得到多個(gè)目標(biāo)參量（性能指標(biāo)）的最佳效果。由于各可變參量之間相互關(guān)聯(lián)，且對多個(gè)目標(biāo)參量的影響相互耦合，甚至相互沖突，且不可預(yù)知，因此目前只能根據(jù)設(shè)計(jì)師的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行較為粗略的調(diào)整，以盡量滿足衛(wèi)星系統(tǒng)提出的要求。本文研究了利用多目標(biāo)優(yōu)化算法來優(yōu)化空間行波管電參量，在全體可行解上進(jìn)行多方向的全局搜索，獲得全局最優(yōu)解，使空間行波管的主要性能在整體上都達(dá)到最佳。

3.1 智能調(diào)試系統(tǒng)原理

空間行波管智能調(diào)試系統(tǒng)由電源控制模塊、數(shù)據(jù)獲取模塊和優(yōu)化模塊構(gòu)成。其系統(tǒng)框架如圖4所示。該系統(tǒng)的核心是多目標(biāo)優(yōu)化算法，能夠?qū)⒖臻g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(yōu)化的電參量作為約束條件或目標(biāo)函數(shù)，利用優(yōu)化算法去逼近全局最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)空間行波管的綜合性能優(yōu)化。

圖4、空間行波管智能調(diào)試系統(tǒng)框架

3.2 多目標(biāo)優(yōu)化算法

我們采用的多目標(biāo)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(yōu)概念的多目標(biāo)遺傳算法，它采用一種非支配分類的方法，使用適應(yīng)度函數(shù)來代替多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，使其能夠解決任意數(shù)量目標(biāo)的優(yōu)化問題。NSGA與傳統(tǒng)的遺傳算法的最大區(qū)別在于：NSGA算法在進(jìn)行選擇、交叉、變異等操作之前，對種群中個(gè)體之間的支配關(guān)系進(jìn)行了分層，通過這種方法，能夠選擇較優(yōu)的個(gè)體。其具體優(yōu)化步驟如下：啟動(dòng)算法產(chǎn)生第一代種子（種子基因個(gè)數(shù)由決策變量的個(gè)數(shù)決定），電壓控制系統(tǒng)獲取種子，驅(qū)動(dòng)高壓程控電源，行波管開始正常工作；然后自動(dòng)測試系統(tǒng)獲取約束條件和目標(biāo)函數(shù)測試值，將其反饋給算法；然后算法根據(jù)目標(biāo)函數(shù)值對種子進(jìn)行非支配排序和進(jìn)化操作（選擇、交叉、變異），產(chǎn)生更優(yōu)的種子；然后電壓控制系統(tǒng)再獲取優(yōu)化后的種子，重復(fù)上面的步驟，直至獲得全局最優(yōu)解。

3.3 目前進(jìn)展

目前我們結(jié)合NSGA-II和MTSS中的EOS，對空間行波管電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)^[12]。首先，以電子光學(xué)系統(tǒng)中多個(gè)宏觀電參量作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，啟動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，得到最優(yōu)化解集，然后分析解集中所有個(gè)體微觀的電子軌跡分布，從而選出最終的結(jié)果。收集極的優(yōu)化目標(biāo)為最大的收集極效率和最小的回流率，電子槍的優(yōu)化目標(biāo)為一定范圍的發(fā)射電流和注腰半徑、最大的射程；最終的設(shè)計(jì)方案通過分析最優(yōu)化解集中所有個(gè)體的收集極內(nèi)表面能量密度分布或電子槍電子注層流性來確定。

4. 總結(jié)

本文從航天產(chǎn)品的高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的要求出發(fā)，以測試過程中產(chǎn)生的測試數(shù)據(jù)客觀性、完整性、規(guī)范性和高效性為目標(biāo)，研究了空間行波管自動(dòng)測試技術(shù)，研制了空間行波管自動(dòng)測試系統(tǒng)，探討了標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)測試方法、測試數(shù)據(jù)管理體系，希望以此完善相關(guān)內(nèi)容的規(guī)范，進(jìn)而推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的形成。同時(shí)，為了解決空間行波管在研制過程中多種電參量相互關(guān)聯(lián)、相互耦合而導(dǎo)致的多目標(biāo)最優(yōu)解問題，本文研究了智能調(diào)試技術(shù)，研制了基于自動(dòng)測試系統(tǒng)和多目標(biāo)優(yōu)化算法的空間行波管智能調(diào)試系統(tǒng)，極大的提高了生產(chǎn)效率，也為進(jìn)一步拓展產(chǎn)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(jìn)展，部分成果已得到應(yīng)用，取得了較好的效果。

本文作者為電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院微波電真空器件國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)：

[1] 歐陽勤, “空間行波管”, 真空電子技術(shù), 真空電子技術(shù), 2003年2期, 29-32.
[2] 李卓成, “國外空間行波管放大器現(xiàn)狀與發(fā)展”, 空間電子技術(shù), 2012年4期, 28-34.
[3] 范培云, 馮西賢, “空間行波管應(yīng)用進(jìn)展及前景”, 中國電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)第十九屆學(xué)術(shù)年會(huì), 2013.
[4] 劉沛, 蔡娜, “空間行波管技術(shù)指標(biāo)體系研究”, 航天標(biāo)準(zhǔn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)測試方法研究”, 中國電子學(xué)會(huì)真空電子分會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)，甘肅平?jīng)觯?018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(dòng)測試系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)存儲規(guī)范及管理研究”, 中國電子學(xué)會(huì)真空電子分會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)，甘肅平?jīng)觯?018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.