國家新聞出版廣電總局北京地球站 張金虎

一、引言

在衛(wèi)星傳輸中，衛(wèi)星上行地球站的任務(wù)是負(fù)責(zé)將前端送來的業(yè)務(wù)信號(hào)發(fā)送到衛(wèi)星上，供用戶接收。在這一系統(tǒng)中，上行地球站和接收用戶之間是一個(gè)點(diǎn)對面的關(guān)系，如果這個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)問題，整個(gè)面都將失去信號(hào)。高功率放大器是上行系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它主要是將調(diào)制變頻后的信號(hào)進(jìn)行功率放大，通過天線發(fā)射到衛(wèi)星上。

在衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)中使用的高功率放大器主要有速調(diào)管高功率放大器(KHPA）、行波管高功率放大器(TWTA）和固態(tài)高功率放大器（SSPA)三種。它們各有特點(diǎn)：行波管高功放和固態(tài)高功放帶寬寬（500MHz，行波管功放寬展頻段可以做成800MHz帶寬），適合多載波業(yè)務(wù)；速調(diào)管高功放帶寬窄（C波段60MHz，Ku波段的可以做成80MHz），功率大、抗干擾強(qiáng)。目前，C波段速調(diào)管高功放的功率可以做到3.35kW，Ku波段可以做到2.45kW；行波管功放C波段可以做到3kW；固態(tài)功放功率更小，C波段最大能做到1kW。

隨著我國衛(wèi)星廣播電視的發(fā)展，高清電視的逐漸普及，衛(wèi)星廣播電視必將迎來又一發(fā)展時(shí)代。上行業(yè)務(wù)的不斷增加，各衛(wèi)星上行地球站就要對上行系統(tǒng)進(jìn)行增加，也就意味著需要資金的投入，選擇一套上行系統(tǒng)，既能滿足上行業(yè)務(wù)需要，還可以預(yù)留將來業(yè)務(wù)發(fā)展空間，同時(shí)還要考慮衛(wèi)星通信的開放環(huán)境容易受到干擾的因素，尤其是經(jīng)濟(jì)因素，也就是說要選擇一套上行功率大、頻帶寬的上行系統(tǒng)，既能滿足多載波業(yè)務(wù)上行，又能滿足受到干擾時(shí)的大功率需要，而且投入盡量小。

綜合各方面因素考慮，采用超線性的行波管功放，利用相位合成技術(shù)對功放之間進(jìn)行功率合成，可以在滿足上行技術(shù)指標(biāo)的前提下，既可上行多載波業(yè)務(wù)，又具備應(yīng)急情況下的功率儲(chǔ)備。

二、系統(tǒng)組成及各部分作用

這種大功率的上行系統(tǒng)主要由超線性的行波管功放及其配套的切換系統(tǒng)、移相器、功分器及合成器組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

經(jīng)過調(diào)制、變頻后的射頻信號(hào)（可以是多路信號(hào)合成），通過功分器分配給各個(gè)功放，各功放對信號(hào)進(jìn)行放大后輸出，通過合成器對功率進(jìn)行合成，并通過天線發(fā)到衛(wèi)星上。系統(tǒng)中的移相器對輸入功放的信號(hào)相位進(jìn)行調(diào)整，保證各功放輸出信號(hào)相位相同，切換系統(tǒng)是完成高功放設(shè)備切換功能。

三、行波管工作原理

在大功率合成上行系統(tǒng)中，行波管高功放是個(gè)核心環(huán)節(jié)，下面對行波管的工作原理進(jìn)行一下簡單的介紹。行波管高功放的基本工作原理是射頻信號(hào)經(jīng)過初級放大，電平調(diào)整后，進(jìn)入行波管放大器進(jìn)行最后一級放大后輸出。行波管高功放的特點(diǎn)是頻帶寬、輸出功率大、線性好。

圖2 TWT行波管結(jié)構(gòu)圖

在行波管功放中，行波管（TWT)是功放的核心部件，它是通過電子束和射頻信號(hào)進(jìn)行能量交換實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)放大的。行波管的結(jié)構(gòu)主要有：電子槍、慢波系統(tǒng)、收集極、輸入輸出裝置、聚焦系統(tǒng)等。如圖2所示。行波管的電子束與射頻信號(hào)的能量變換只有在電子速度與射頻信號(hào)傳播速度接近的條件下才能實(shí)現(xiàn)。為使高頻信號(hào)能有效地從電子束中獲得能量而得到放大，就必須減慢行波管中電磁波的速度，完成這一功能的系統(tǒng)叫慢波系統(tǒng)，所謂慢波系統(tǒng)就是金屬絲繞的螺旋線結(jié)構(gòu)。

設(shè)電子速度為Ve，行波管中電磁波的相速為Vp。行波管中的電子束是由電子槍產(chǎn)生的，在電子槍中的電子通過加熱陰極而被發(fā)射出來，經(jīng)過陽極聚焦形成高動(dòng)能電子束進(jìn)入螺旋線，為保證電子束穿過螺旋線時(shí)保持一條平行束，盡量減少打在螺旋線上的電子數(shù)量，在螺旋線的區(qū)域加上聚焦裝置，這種聚焦裝置常采用周期性永磁聚焦裝置，用來保證電子束的“聚束”效果。在螺旋線的入端由于電場的作用，以勻速飛入螺旋線的電子受到減速場作用，電子速度逐漸下降，經(jīng)過一段時(shí)間后，當(dāng)螺旋線輸入端電場變?yōu)榧铀賵鰰r(shí)，飛入螺旋的電子受到加速場作用下，電子速度上升。因此，后續(xù)受到加速電子趕上前面受到減速的電子，形成電子團(tuán)，即產(chǎn)生群聚，這一過程叫“電子群聚”。當(dāng)Ve大于Vp時(shí)，即電子比螺旋線中行波跑得快，因此進(jìn)入螺旋線的電子將很快脫離加速場而進(jìn)入減速場，電子群聚將出現(xiàn)在減速場中；當(dāng)Ve等于Vp時(shí)，穿過螺旋線的電子束和由輸入裝置進(jìn)入螺旋線中傳輸?shù)纳漕l信號(hào)相互作用，從而完成能量轉(zhuǎn)換，將電子束的能量傳遞給射頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大作用，經(jīng)放大后的射頻信號(hào)通過輸出裝置送到下一級，而穿過螺旋線的電子束則進(jìn)入了內(nèi)部呈空心狀的收集極，在這里，剩余的能量轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散掉。

四、系統(tǒng)工作原理

功率合成的實(shí)質(zhì)是多個(gè)矢量相加，使得總輸出低于多路輸出之和，是實(shí)現(xiàn)高功率的廉價(jià)而實(shí)際的方法。這套大功率合成系統(tǒng)充分考慮了多載波業(yè)務(wù)上行時(shí)的系統(tǒng)性能指標(biāo)和系統(tǒng)的功率儲(chǔ)備。系統(tǒng)中采用的行波管是經(jīng)過處理的2.25kW的行波管放在1kW功放上使用，上行業(yè)務(wù)時(shí)無需考慮功率回退，而且有較好的線性特性，系統(tǒng)主要原理如下：

變頻放大后的射頻信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)四口射頻功分器將信號(hào)分配給三個(gè)高功放輸入，功分器輸出的信號(hào)為等幅同相的射頻信號(hào)，其中高功放A的輸入信號(hào)為合成器輸出信號(hào)直接接入，高功放B的輸入信號(hào)經(jīng)過移相器1進(jìn)行相位調(diào)整，在高功放同軸切換開關(guān)SW1和SW2上串接了移相器2和移相器3，這主要是考慮在高功放A或高功放B故障時(shí)切換至備用功放C，兩個(gè)功放輸出相位相同，正常工作時(shí)，高功放A和高功放B通過合成器合成輸出，高功放C輸出至假負(fù)載，當(dāng)高功放A或高功放B故障時(shí)，高功放C通過切換開關(guān)切換輸出至合成器，故障功放切至假負(fù)載。切換前后的工作狀態(tài)如圖3所示。要想達(dá)到合成輸出功率最大，必須調(diào)整各個(gè)功放的衰減使合成的兩個(gè)高功放輸出的信號(hào)幅度相等，從而使合成的兩個(gè)信號(hào)等幅、同相，經(jīng)過合成后總的輸出功率為兩個(gè)單機(jī)功率之和的80%左右，大大提高了上行功率。

圖3 系統(tǒng)切換前后工作情況

系統(tǒng)安裝調(diào)試時(shí)的工作重點(diǎn)在于對系統(tǒng)的調(diào)整，主要是對高功放設(shè)備的輸出信號(hào)的相位和幅度進(jìn)行調(diào)整，使進(jìn)入合成器的信號(hào)盡量為等幅、同相的信號(hào)，以達(dá)到合成輸出功率最大，二者缺一不可。目前高功放和成系統(tǒng)去除合成器本身的影響和管子的個(gè)體差異，合成效率可以達(dá)到80%，甚至更高。

五、系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

這套大功率合成上行系統(tǒng)，能夠滿足目前我國衛(wèi)星廣播電視的上行需要，也將成為國內(nèi)上行站主流配置，系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

⊙系統(tǒng)頻帶寬、線性好。系統(tǒng)采用了寬頻帶的1kW超線性行波管（TWT）功放，頻帶帶寬可到800MHz（擴(kuò)展頻段），功放的行波管采用了2.25kW的行波管，上行業(yè)務(wù)時(shí)，無需考慮功率回退。

⊙抗干擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)采用了多臺(tái)1kW高功放合成，輸出功率至少可達(dá)1800W左右（2臺(tái)合成時(shí)），具有較強(qiáng)的抗干擾功能。

⊙適合多載波業(yè)務(wù)上行。系統(tǒng)采用了行波管功放，帶寬較寬能上行多個(gè)載波業(yè)務(wù)，特別適合目前國內(nèi)各省的高標(biāo)清業(yè)務(wù)同時(shí)上星播出需要。

⊙系統(tǒng)保護(hù)性強(qiáng)。系統(tǒng)采用了合成系統(tǒng)上行，當(dāng)某一功放出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響業(yè)務(wù)上行，且故障設(shè)備會(huì)自動(dòng)倒換至備用系統(tǒng)播出，系統(tǒng)保護(hù)性強(qiáng)。

⊙系統(tǒng)可寬展性好。系統(tǒng)采用了功率合成技術(shù)，同理可以采用多臺(tái)功放進(jìn)行合成，以達(dá)到更高功率上行。

六、結(jié)束語

系統(tǒng)投入運(yùn)行三年多，運(yùn)行穩(wěn)定，有效地保證了衛(wèi)星廣播電視業(yè)務(wù)的正常上行，這種合成上行方式簡單易行，且適合于多載波上行，這種合成方式也可以移植到Ku波段上，也將成為我國衛(wèi)星廣播電視上行站的一種主流配置。