梁衛(wèi)東

內(nèi)蒙古新聞出版廣電局501臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010070

引 言

衛(wèi)星地球站的上變頻器輸出的高頻載波信號功率僅能達到毫瓦級，按照總局關(guān)于地球站實施細則的要求，在不影響其他上行站正常運行的情況下，各站的EIRP值應(yīng)大于等于83dBW，假設(shè)使用12m天線（增益為56.1）時，按照上行波導(dǎo)損耗為3dB，高功放法蘭盤輸出功率按1000W（30.0dBW）計算，上行系統(tǒng)EIRP才能達到83.1dBW，因此高功放最低輸出功率要達到1000W，來產(chǎn)生大功率微波信號向衛(wèi)星發(fā)射，從毫瓦級到1000W，增益至少需要70dB，此時必須使用大功率、高功率放大器才能滿足要求。

衛(wèi)星傳輸鏈路中使用的高功率放大器有以下幾種：行波管高功率放大器，英文簡稱TWTA；速調(diào)管高功率放大器，英文簡稱KHPA；固態(tài)高功率放大器，英文簡稱SSPA，下面將分別介紹。

1 行波管功率放大器

行波管功率放大器（以下簡稱行波管）的電子槍在9KV直流高壓電場的作用下，可以發(fā)出高能量、高速飛行的電子束。電子槍中陰極之后設(shè)置了控制極和陽極，可以使電子束聚焦并加速，在控制級和陽極加了不同的電壓，利用電壓值改變能調(diào)整電子束強度、聚焦程度和發(fā)射速度。

1.1 慢波系統(tǒng)

慢波系統(tǒng)是行波管的基礎(chǔ)，它利用一段雙導(dǎo)體同軸線，內(nèi)導(dǎo)線卷成螺旋線形狀，固定在管子的內(nèi)部；它的外導(dǎo)體是一段金屬管子，構(gòu)成了行波管的殼體。慢波系統(tǒng)的主要功能是降低輸入電磁波沿螺旋線軸向的行進速度。聚焦系統(tǒng)可以解決電子束在行進中的聚焦問題，通過聚焦系統(tǒng)產(chǎn)生的均勻的軸向磁場，使電子束達到聚焦。磁場通常利用永久磁鐵產(chǎn)生，多數(shù)采用一系列極性交錯排列的磁性瓷環(huán)所構(gòu)成的周期性永磁聚焦系統(tǒng)。

行波管的輸入、輸出接口可以是同軸接頭形式或波導(dǎo)形式，輸入大都為同軸接頭形式，輸出為波導(dǎo)形式。同軸線的內(nèi)導(dǎo)體連接到慢波螺旋線上，外面的導(dǎo)體直接與管殼相連接。輸入放大的信號經(jīng)輸入端送入管內(nèi)，經(jīng)放大后的大功率信號由輸出端輸出。行波管的收集極是用來收集殘余電子束的電子。為了防止收集極受電子轟擊而溫度過高，收集極通過大型風(fēng)機進行散熱。

1.2 行波管系統(tǒng)工作原理

當高頻電磁波由輸入同軸線進到行波管后，會與沿螺旋線飛越的電子束相互作用，由此獲得電子束的動能來對電磁波進行放大。為確保最大程度地放大電磁波，就應(yīng)該使它從電子束中獲得盡可能多的能量，也就是要使電磁波與電子束互相作用的時間要長一些，這就需要使電子束的速度與電波沿著螺旋線的傳播速度相近才可以。然而電磁波沿導(dǎo)線傳播的速度是光速，電子在一般電源所能給出的電壓（大約為幾千伏）的作用下，其運動速度要比光速小的多。為此，就設(shè)立了一套慢波系統(tǒng)，使電波沿行波管軸向的行進速度降到和電子運動的速度差不多，以實現(xiàn)電波能量最大程度轉(zhuǎn)化。慢波系統(tǒng)的螺旋線通常為鉬絲制成。電子沿著慢波系統(tǒng)的軸向作直線運動，而電磁波則要沿螺旋線旋轉(zhuǎn)著前進，它旋轉(zhuǎn)一周時，在軸線方向只前進一個螺旋的節(jié)距，此時，慢波系統(tǒng)將電磁波沿軸線的傳播速度降低了許多。適當?shù)剡x擇螺旋線的結(jié)構(gòu)和尺寸，就可以使電波沿軸線傳播的速度接近于電子沿軸線方向的運動速度。這樣，電波和電子束的速度齊頭并進，電波通過不斷地從電子束中獲得能量使自己壯大，確保了信號能得到最大程度放大。行波管放大器最大優(yōu)點是帶寬寬，目前達到1225MHz，而速調(diào)管的單通道帶寬最大僅有80MHz，相差甚遠。行波管輸出功率可以達到2.25KW，增益70～80dB。速調(diào)管最大輸出功率為3.35KW,增益為77dB。如圖1所示。

圖1 行波管原理結(jié)構(gòu)

行波管既可以在衛(wèi)星上行站放大信號使用，亦可在衛(wèi)星上使用，衛(wèi)星上行站的行波管要求寬頻帶，大功率，而星載行波管要求寬頻帶、高可靠、長壽命、高效率、小功率，C波段最大功率為84W，Ku波段最大功率為210W，大部分功率為150W。

對轉(zhuǎn)發(fā)器用行波管來說，主要的特性參數(shù)是增益、效率和調(diào)幅——調(diào)相變換特性以及輸出功率。輸出功率和輸入功率的比值為行波管的增益，一般用分貝表征。30dB就可以放大一千倍，50dB可以放大十萬倍。行波管的增益主要決定于螺旋線的長度、螺旋線電壓和行波電場的強度。

行波管的效率是指輸出的高頻信號功率與輸入的直流總功率之比，常以百分數(shù)表示。即假設(shè)行波管輸出的高頻信號功率為12W，而直流輸入總功率≥20W，那么這個行波管的效率即為60%。效率越高所消耗的直流電源功率越小，發(fā)射機就可以做得小一些。當前衛(wèi)星的行波管效率可達73%左右，這就是說，高能電子束把直流電源獲得的能量僅有73%轉(zhuǎn)化為高頻信號，而其余的27%左右以熱能形式消耗掉了。

行波管的調(diào)幅——調(diào)相變換系數(shù)，是指輸入高頻信號幅度的變化量與所引起的輸出信號的相位的變化量之比?？梢赃@樣來理解行波管的調(diào)幅——調(diào)相變換效應(yīng)：如果輸入到行波管的高頻信號幅度有一個變化量，這就意味著進入行波管的高頻電磁場的強度發(fā)生了變化，從而影響了電子束中電子群聚的狀態(tài)。具體地說，使電子的運動速度受到了調(diào)制，而這種具有速度調(diào)制的電子束又反過來影響高頻輸出信號的相位，而且相位的變化是不均勻的，結(jié)果使輸出信號產(chǎn)生相位非線性失真。

行波管的輸出功率是指飽和輸出功率或最大線性輸出功率，以瓦或分貝瓦表示。行波管的輸出功率就是空間轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率，當轉(zhuǎn)發(fā)器輸出以有效輻射功率表示時，就等于行波管輸出功率（分貝瓦）加上衛(wèi)星天線增益（分貝）。

2 速調(diào)管功率放大器

速調(diào)管腔體出廠時預(yù)制了不同的頻率通道（一般為24通道，覆蓋整個C波段500MHz衛(wèi)星上行頻率），調(diào)整輸入腔使其諧振于信號輸入的頻率，通過柵網(wǎng)處后會激發(fā)起來高頻電場，時間上先后進來的電子群受到電場的作用會加速或者減速（正半軸加速，負半軸減速），此時在交變電場是零的時候電子群速度不變，完成了在輸入腔的速度調(diào)制。

進入漂移空間后，因為電子的速度不一樣，有快有慢，速度快的就會趕上速度慢的電子，會使電子疏密不同，產(chǎn)生了群聚，輸入腔出來的均勻電子束，在此產(chǎn)生了疏密不同的電子團，這一過程中會使直流變成了交流分量。這一系列的群聚現(xiàn)象稱之為就行了密度調(diào)制。

在輸出腔會激起高頻電子流，輸出腔也是諧振于信號輸入頻率，在柵網(wǎng)間再次建立起高頻電場。此電場和過來的電子互相作用，在負半軸的多數(shù)電子構(gòu)成的電子團正好碰到減速電場，此時電子動能會降低，它的能量被轉(zhuǎn)化到微波場，在加速電場的正半軸電子數(shù)比較少，只有從中吸收到了較少的微波能量，最后使微波場放大而被輸出，完成信號放大，這一過程實現(xiàn)了能量交換。輸入信號進入輸入腔完成速度調(diào)制，在漂移空間完成密度調(diào)制，最后在輸出腔完成能量交換。未有效轉(zhuǎn)換的電子，在收集極設(shè)置了多極收集裝置，分別收集不同能級的電子。收集過程會產(chǎn)生大量的熱量，須使用風(fēng)機將集聚的熱量帶走，同時要求使用大型空調(diào)降低環(huán)境溫度。如圖2所示。

圖2 速調(diào)管原理結(jié)構(gòu)

在實際運用中，行波管和速調(diào)管的工作狀態(tài)有單載波輸入和多載波輸入兩種情形。當在單載波信號輸入時，管子的工作點可以選在輸入和輸出特性的飽和區(qū)域。這樣可以得到最大的輸出功率和效率。

不管是行波管還是速調(diào)管輸出信號幅度與輸入信號幅度并不是始終保持著線性關(guān)系。輸入的高頻信號較小時，輸出的載波功率隨輸入的載波功率成比例地增長，此時行波管的增益基本上是恒定不變的。或者說此時被管子放大的信號基本上不產(chǎn)生失真。若輸入信號繼續(xù)增大，輸出信號功率達到飽和，甚至還會開始下降。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因很多，其中最主要的是因為隨著輸入信號功率的增大，電子束與行波之間的相互作用條件發(fā)生了劇烈的變化。

3 固態(tài)功率放大器

固態(tài)高功放采用微波半導(dǎo)體器件，如基于砷化鎵和氮化鎵功率場效應(yīng)晶體管，輸出微波功率達幾百瓦，采用功率合成技術(shù)可以達到數(shù)千瓦，它采用低電壓供電，不像行波管和速調(diào)管功放需要額外產(chǎn)生直流高壓供電子管使用，能耗降低很可觀，具有寬帶性能，可覆蓋相應(yīng)的通信衛(wèi)星頻段，不用人工調(diào)諧管子，簡化使用和維護。

501臺使用的PowerMAX固態(tài)功放采用冗余設(shè)計理念，當系統(tǒng)中某一個功放模塊故障不會影響安全播出，當一個或者多個功放模塊失效時，系統(tǒng)會自動的調(diào)整增益水平。采用波導(dǎo)合成技術(shù)，在工作頻段下可實現(xiàn)最優(yōu)的功率合成效率。

由于系統(tǒng)功率合成采用無源的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)而沒有使用任何開關(guān)，因此射頻輸出功率將不會出現(xiàn)中斷情況的發(fā)生。該系統(tǒng)是自身冗余的系統(tǒng)，其輸出功率即便在一個功放模塊機箱故障時仍然可以保持在所需要的輸出功率水平，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也因此被稱作為n+1冗余系統(tǒng)。

系統(tǒng)可以配置任意數(shù)量的功放模塊機箱，但為了獲得最大的功率合成效率普遍使用二進制組合，諸如4、8、16模塊。另外，在現(xiàn)場將系統(tǒng)從4模塊升級到8或者16模塊也是非常簡單，用戶并不需要在購買初期就將整個系統(tǒng)配置為最大的功率輸出，用戶可以隨著需求的增加，逐步對系統(tǒng)升級實現(xiàn)所需要的輸出功率容量，因此使得投資成本最小化。

結(jié)束語

這三類放大器在501臺均使用過，固態(tài)功放最顯著的特點是維護量小，維護簡單，設(shè)備運行成本低。但是需要大功率輸出時須配置更多功放模塊，通過功率合成技術(shù)來實現(xiàn)大功率輸出。速調(diào)管放大器維護量大，運行成本高，需定期更換管子，但是功率大、增益高，在當前衛(wèi)星抗干擾中仍然無法替代。行波管放大器在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中廣泛使用，帶寬寬、增益高是最主要的優(yōu)點。但在衛(wèi)星上行站目前用的較少。

以上對目衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)使用的三類高功率放大器，從工作原理出發(fā)，進行了系統(tǒng)的總結(jié)，闡述它們之間的差異，希望為同行提供參考和借鑒作用。