康傲 劉會(huì)

【摘要】衛(wèi)星新聞直播車系統(tǒng)即SNG（Satellite News Gathering），是以衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為傳輸平臺(tái)，在新聞現(xiàn)場(chǎng)所采集到的視頻及音頻信號(hào)，通過(guò)衛(wèi)星車系統(tǒng)處理，然后發(fā)射到同步通信衛(wèi)星，再轉(zhuǎn)送回電視臺(tái)。高功率放大器（HPA High-power Amplifier簡(jiǎn)稱高功放）是衛(wèi)星上行系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其功能是將上變頻器變頻放大后的信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后通過(guò)波導(dǎo)連接天線發(fā)射給衛(wèi)星。

【關(guān)鍵詞】飽和功率? 增益? 頻帶? 1dB壓縮點(diǎn)? SSPA? TWTA? KPA

中圖分類號(hào)：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1673-0348（2020）017-113-04

Abstract： SNG（Satellite News Gathering） is a satellite communication system as a transmission platform. The video and audio signals collected at the news scene are processed by the satellite car system， then transmitted to synchronous communication satellites and then transmitted back to TV stations. HPA High-power Amplifier （HPA High-Power Amplifier for short） is the core equipment in satellite uplink system. Its function is to amplify the power of the signal amplified by the upconverter， and then transmit it to the satellite through waveguide connecting antenna.

Key words： saturated power gain band 1dB compression point SSPA TWTA KPA

由于衛(wèi)星信號(hào)覆蓋范圍廣、通信容量大、信道條件好、受自然和環(huán)境的因素影響較小，使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以及時(shí)、準(zhǔn)確、有效地傳輸信息。在當(dāng)前這個(gè)全媒體時(shí)代，直播衛(wèi)星的超級(jí)強(qiáng)大的內(nèi)容分發(fā)平臺(tái)對(duì)新聞傳播的時(shí)效性與及時(shí)性有著強(qiáng)有力的保障。因此，設(shè)計(jì)合適的衛(wèi)星直播車系統(tǒng)進(jìn)行新聞直播是電視媒體在全媒體時(shí)代競(jìng)爭(zhēng)的一大手段。微弱的電視信號(hào)要安全可靠的傳送到35786千米高的同步衛(wèi)星上，這就需要用到功率放大器，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高功放設(shè)備必須具備性能穩(wěn)定、輸出功率大，易維護(hù)等特點(diǎn)。接下來(lái)我跟大家分享一下在衛(wèi)星新聞直播車功放的選擇方面的一些看法。

1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

以一個(gè)3+1+2（另外支持1路無(wú)線和2路外來(lái)信號(hào)接入）訊道的衛(wèi)星直播車系統(tǒng)為例，天線直徑DT=1.5m，設(shè)計(jì)容量為最多6路輸入一路輸出，傳輸鏈路使用Ku波段（衛(wèi)星直播車有的也采用C波段的衛(wèi)星車，相比之下Ku頻段的衛(wèi)星天線接收效率更高，尺寸可以做到更小，可以有效的降低成本，在此不再贅述），壓縮編碼采用H.264標(biāo)準(zhǔn)。

高清視頻信號(hào)取16Mb/s（一般為8～16Mb/s）、2路立體聲0.512 Mb/s、低速數(shù)據(jù)0.064 Mb/s、數(shù)據(jù)開(kāi)銷5%。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以知道上行帶寬Bn=9MHz。為了使上行鏈路可用度不小于99.98%，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，高功放法蘭口功率需要約330W，考慮波導(dǎo)損耗，那么高功放功率采用400W較合適。高功放的功率確定以后就要選擇合適的功率放大器。

2. 功率放大器的選擇

2.1 功率放大器的種類

高功率放大器主要有兩種：一種是固態(tài)晶體管放大器，即SSPA（Solid State Power Amplifier）;另一種是電子管放大器，電子管放大器包括TWTA （Travelling Wave Tube Amplifier） 行波管功率放大器和KPA （Klystron Power Amplifier） 速調(diào)管功率放大器。

2.1.1 固態(tài)晶體管放大器（SSPA）

固態(tài)晶體管放大器是利用一系列組合場(chǎng)效應(yīng)管（FET）來(lái)放大信號(hào)，這些FET由砷化鎵或氮化鎵制成，它們的8個(gè)電子的共價(jià)鍵會(huì)產(chǎn)生大的帶隙和高電子遷移率，使高功放的輸出有更大的功率。固態(tài)功放具有體積小、線性好、壽命長(zhǎng)、省電和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此其除了運(yùn)用在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器外，還在衛(wèi)星通信地球站上行鏈路中用作前置放大以推動(dòng)數(shù)百瓦的電子管放大器。

如圖1所示，SSPA放大器為內(nèi)匹配模塊結(jié)構(gòu)，可以有效減少功放體積又便于級(jí)聯(lián)。

模塊化SSPA利用同相合成原理，可以使高功放最大輸出功率大大提升，在Ku波段最大輸出功率可達(dá)1KW以上，C波段輸出可達(dá)3KW以上。模塊化的SSPA在其中一個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，總輸出功率也只下降幾個(gè)dB，并不至于引起信號(hào)中斷，因此可靠性大大增強(qiáng)。

2.1.2 行波管放大器（TWTA）

如圖2所示，行波管主要由電子槍、磁聚焦系統(tǒng)、慢波結(jié)構(gòu)、輸入輸出裝置、收集極（還包括集中衰減器、能量耦合器、聚焦系統(tǒng)）等部分組成。常用的慢波系統(tǒng)是一螺旋線和梳形結(jié)構(gòu)等，適宜于作為中、小功率的放大器。電磁波行進(jìn)方向與電子流方向相反的行波管則稱為返波管，可用作一種頻帶很寬的微波振蕩器。

行波管放大器是通過(guò)電磁場(chǎng)與電子注發(fā)生能量交換，靠連續(xù)調(diào)制電子注的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)放大功能的的微波真空器件。

在行波管中，電子注與慢波電路中的微波場(chǎng)發(fā)生相互作用。微波場(chǎng)沿著慢波電路向前行進(jìn)，輸入的微波信號(hào)在慢波電路建立起微弱的電磁場(chǎng)。電子注進(jìn)入慢波電路相互作用區(qū)域后，首先受到微波場(chǎng)的速度調(diào)制，電子在繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)逐漸形成密度調(diào)制。大部分電子群聚于減速場(chǎng)中，而且電子在減速場(chǎng)滯留時(shí)間比較長(zhǎng)。因此，電子注動(dòng)能有一部分轉(zhuǎn)化為微波場(chǎng)的能量，從而使微波信號(hào)得到放大?，F(xiàn)在的TWTA具有多級(jí)集電極，從而可以產(chǎn)生高效且體積更小的放大器。? 由于行波管沒(méi)有采用速調(diào)管的獨(dú)立諧振腔結(jié)構(gòu)，因此具有頻帶寬的特點(diǎn)，使用TWTA的高功放通道工作帶寬寬——一般為750MHz，可擴(kuò)展至1250MHz;行波管放大器另一特點(diǎn)是效率高——一般可以達(dá)到25%左右，AR的行波管高功率放大器采用多級(jí)降壓收集極回收部分電子注能量，效率可達(dá)45%;此外，行波管放大器能夠輸出的功率更大（Ku波段可以達(dá)2KW以上，C波段可以達(dá)3KW以上）。

2.1.3 速調(diào)管功率放大器（KPA）

速調(diào)管分為直射速調(diào)管和反射速調(diào)管兩類，通常將直射速調(diào)管簡(jiǎn)稱為速調(diào)管。如圖3所示，直射速調(diào)管在結(jié)構(gòu)上包括以下幾部分：電子槍、諧振腔、調(diào)諧系統(tǒng)、各腔之間的漂移管、能量耦合器、收集極和聚焦系統(tǒng)。具有兩個(gè)諧振腔的速調(diào)管稱為雙腔速調(diào)管;具有兩個(gè)以上諧振腔者稱為多腔速調(diào)管。

速調(diào)管是利用周期性調(diào)制電子注速度來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩或放大的一種微波電子管，其原理是先在輸入腔中對(duì)電子注進(jìn)行速度調(diào)制，經(jīng)漂移后轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏日{(diào)制，然后群聚的電子塊與輸出腔隙縫的微波場(chǎng)交換能量，電子將動(dòng)能交給微波場(chǎng)，完成振蕩或放大。使用KPA的高功放有增益高（可達(dá)80dB）的優(yōu)點(diǎn);但缺點(diǎn)是功耗大、通道帶寬較窄。通常五腔速調(diào)管增益為45dB左右，C波段每通道帶寬約為45MHz，輸出功率可達(dá)3.3KW以上;Ku波段每通道帶寬約為80 MHz，輸出功率可達(dá)2.5KW以上。

新型速調(diào)管高功放采用多收集極速調(diào)管（MSDC），可以根據(jù)輸出功率的大小自動(dòng)調(diào)整管子束電壓和燈絲電壓，降低耗散功率，提高管子的使用壽命。

2.2 微波功率放大器的常用指標(biāo)及含義

2.2.1 工作頻帶

指微波功率放大器在所有指標(biāo)都滿足的情況下的一個(gè)不間斷的頻率范圍。在實(shí)際工程應(yīng)用中我們常用RBW（相對(duì)帶寬）來(lái)表示功率放大器的實(shí)際工作頻段，其表示方法可用百分?jǐn)?shù)表示法和倍數(shù)表示法，兩者間可以相互轉(zhuǎn)換。

百分?jǐn)?shù)表示法：

其中（fH-fL）指絕對(duì)帶寬，用BW表示，f0指中心頻率，RBW為相對(duì)帶寬。

倍數(shù)表示法：

其中fH為高頻端的截止頻率，fL指低頻端截止頻率。

2.2.2 飽和輸出功率

飽和輸出功率又叫高功放的最大輸出功率，是指高功率放大器輸出功率與輸入功率的傳遞特性曲線上，輸入功率增加而輸出功率不再增加時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出功率。如圖4的A點(diǎn)。

2.2.3 增益

在微波功率放大器中，根據(jù)源阻抗與負(fù)載阻抗關(guān)系，我們經(jīng)常需要用到實(shí)際增益G、可用功增益GA和轉(zhuǎn)換增益GT，我們平常說(shuō)的放大器增益指在負(fù)載端消耗功率與輸入端功率之比，即實(shí)際功率增益，用G來(lái)表示。公式如下：

2.2.4 1dB壓縮點(diǎn)

我們知道放大器有一個(gè)線性動(dòng)態(tài)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加，在這個(gè)區(qū)域我們稱之為線性區(qū)域。隨著輸入功率的增大，放大器進(jìn)入非線性區(qū)域，其輸出功率不再隨輸入功率呈線性變化，即輸出功率會(huì)低于信號(hào)線性計(jì)算之增益，通常我們把增益下降到比線性增益低1dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點(diǎn)。如圖4所示之B點(diǎn)。

2.2.5 額定輸出功率

通常固態(tài)高功放額定輸出功率標(biāo)定的是位于1dB壓縮點(diǎn)的輸出功率，而行波管、速調(diào)管高功放的額定輸出功率標(biāo)定的是飽和輸出功率。

2.2.6 效率

功放的效率是用來(lái)衡量功率放大器將直流提供的電源功率轉(zhuǎn)化為輸出功率的能力，是功放的幾大重要設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。常用的表示方法有功率附加效率和功率漏極效率兩種。

當(dāng)然，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也要考慮功放其它一些指標(biāo)，如輸入輸出駐波比、回波損耗反射系數(shù)、交調(diào)失真等參數(shù)的影響。

3. 三種高功放優(yōu)缺點(diǎn)比較

通過(guò)下表我們可以很直觀的看出這幾種高功放的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比其相關(guān)指標(biāo)與性能特點(diǎn)，再結(jié)合單位的需求與經(jīng)濟(jì)等各方面實(shí)際情況，我們就可以對(duì)衛(wèi)星新聞直播車系統(tǒng)的高功放做出合適的選擇。

高功放種類 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)

1 固態(tài)晶體管放大器（SSPA） 體積小、重量輕、可靠性高、線性好 散熱不佳、抗擊穿弱、更耗電

2 行波管放大器

（TWTA） 寬頻帶、高增益、高效率、輸出功率大、散熱強(qiáng)、性價(jià)比高 多載波功率回退大（4-6DB）、相位噪聲、故障時(shí)間短、可靠性穩(wěn)定性一般、省電

3 速調(diào)管功率放大器（KPA） 增益高（多腔）、效率高、線性好、高功率、穩(wěn)定性好 體積大、功耗大、通道帶寬較窄

從目前看，在衛(wèi)星廣播電視的上行站中，固態(tài)功放放大器、行波管放大器、速調(diào)管大放器這三種高功放均有運(yùn)用;同步衛(wèi)星上則為行波管放大器和固態(tài)功放放大器。

一方面，經(jīng)過(guò)計(jì)算和反復(fù)論證得出所需之高功放的實(shí)際輸出功率要大于400W;另一方面，根據(jù)整套直播車系統(tǒng)（包括車體、系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備）預(yù)算，我們使用Ku波段的1.5m天線，因此需要用到的高功放要有高增益、高效率的特點(diǎn)，同時(shí)限于車體大小，放大器則需要做到更小且散熱要強(qiáng)。再結(jié)合今后使用場(chǎng)合（包括地理位置、工作環(huán)境）、后期使用的技術(shù)維護(hù)等各方面考慮，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇了400W行波管高功率放大器。

4. 結(jié)束語(yǔ)

真空管和固態(tài)電子器件之間的爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了幾十年，速調(diào)管功放曾被斷言最多只有幾年的市場(chǎng)，但是直到今天，速調(diào)管功放和行波管功放依然有著穩(wěn)健的市場(chǎng)。行波管技術(shù)更是因?yàn)槠浞€(wěn)定性被持續(xù)多年用于工業(yè)、地面和太空通信中。當(dāng)然固態(tài)技術(shù)這些年的發(fā)展也非常快，低功率（200W以下）幾乎是固態(tài)的天下。對(duì)于這幾種高功放的爭(zhēng)論點(diǎn)其實(shí)就是對(duì)它們性能的比較（功率、效率及帶寬大小等性能的選擇）。作為廣播電視行業(yè)，對(duì)高功率放大器選擇除了考慮高功放本身的性能，還要考慮自身的實(shí)際情況，例如，工作環(huán)境的惡劣程度、應(yīng)用帶寬及功率大小的需求、預(yù)算的多少、操作和維護(hù)的要求及經(jīng)濟(jì)支撐能力等。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭開(kāi)周. 行波管物理及理論問(wèn)題[M].電子工業(yè)出版社，2011.6

[2]孫學(xué)康，張政.微波與衛(wèi)星通信.人民郵電出版社[M]，2003.6

[3]龍忠琪.模擬集成電路教程.科學(xué)出版社[M]，2004.1.

[4]丁耀根，等.大功率速調(diào)管的設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用. 國(guó)防工業(yè)出版社，2010.12

[5]A.S.Gilmour，Jr.Klystrons Traveling Wave Tubes，Magnetrons，Crossed-Field Amplifiers，andGyrotrons[M].丁耀根，張兆傳等.國(guó)防工業(yè)出版社，2012.12.

[6]Franco Sechi Marina Bujatti.Solid-State Microwave High-Power Amplifiers[M].董士偉，董亞洲，黃普明，等.國(guó)防工業(yè)出版社，2015.1.