劉建國

（國家新聞出版廣電總局無線電臺管理局，北京 100866）

1 引言

高功放是衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路中不可缺少的設(shè)備。射頻信號通過高功放獲得足夠的上行功率，使載波可以克服長距離傳輸?shù)膿p耗，且在到達衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時能夠具有足夠的載噪比。近年來，出于更好地傳輸衛(wèi)星節(jié)目以及抗干擾的要求，實現(xiàn)不間斷高質(zhì)量的安全播出，各地球站均采用了CPI GEN IV系列3kW速調(diào)管高功放。本文將從高功放的實際應(yīng)用為入手點，深入分析GEN IV速調(diào)管高功放的結(jié)構(gòu)和工作原理，并由此探討對速調(diào)管高功放的日常維護措施。

2 速調(diào)管的工作原理

典型的速調(diào)管功率放大器包括射頻輸入部分（含前置放大）、速調(diào)管放大、射頻輸出等部分。其核心部分是速調(diào)管，由發(fā)射電子束的陰極、耦合及調(diào)速腔體、電子收集極三部分組成。GEN IV速調(diào)管高功放主要特點是采用了多收集極速調(diào)管（MSDC），如圖1所示。

圖1 MSDC速調(diào)管

其工作的基本原理為：

從陰極發(fā)射出的電子受到直流電場的加速，在電子槍入口處形成均勻的電子束。當(dāng)這個電子束通過輸入腔的柵網(wǎng)縫隙時，由于在輸入腔加有頻率為f0的高頻信號，便在縫隙間建立起高頻電場，使得均勻的電子束受到高頻電場的作用，在高頻的信號正半周期通過縫隙的電子被加速，在高頻的信號負半周期通過縫隙的電子被減速，在電場為零時，電子速度不變。這就是所謂的電子束隨高頻電場的速度調(diào)制。

這些經(jīng)過速度調(diào)制的電子，從輸入腔的縫隙出來后，進入無電場的漂移空間，由于電子的速度不同，速度高的電子便逐漸趕上了前面的速度低的電子，于是電子束就變成了有疏有密的電子團，顯然這時的電子流不再是直流，而是含有f0諧波成分的交流。這一過程稱成為電子束的群聚過程，或者說產(chǎn)生了電子密度調(diào)制。

已群聚的電子束通過輸出腔的柵網(wǎng)縫隙時，就會在輸出腔中激勵起高頻感性電流，如果輸出諧振腔的頻率恰好是f0且位于最佳群聚位置，那么就與電子流中的f0調(diào)諧，則在輸出腔的縫隙處建立起f0的高頻電場。當(dāng)然該電場又反過來作用電子束。理論上可以證明，當(dāng)輸出腔處于最佳群聚位置時，且諧振腔調(diào)諧于輸入信號頻率上，便會自動滿足電子束“遇到減速場”情況，即多數(shù)的電子聚集成的群聚塊是在感應(yīng)場的負半周穿過縫隙，因而收到減速，其他少數(shù)的電子雖在正半周穿過縫隙受到加速，但總的說來，電子失去的能量將大于獲得的能量，兩者之差就是轉(zhuǎn)換為高頻場的能量。高頻場獲得了能量，并通過諧振腔與外電路的耦合被傳輸出去，于是就完成了高頻信號的放大。電子束的剩余能量被收集極接收。

從以上分析可以看出，速調(diào)管的工作過程分為速度調(diào)制、電子束群聚和能量轉(zhuǎn)換三個主要過程。同時，為了獲得更高的增益，速調(diào)管往往采取增加高品質(zhì)因數(shù)的中間腔，使電子多次群聚的方法。然而，中間腔的增加并不是無限制的，隨著腔數(shù)的增加，頻帶也就越窄。目前，CPI GEN IV系列速調(diào)管高功放采用的是五腔的速調(diào)管，這樣C波段的頻帶可以達到45MHz，Ku波段的頻帶可以達到80MHz。

MSDC速調(diào)管特色在于采用多個收集極來收集電子，通過收集極多種壓降，可以有效降低速調(diào)管的熱量耗散，從而提高了速調(diào)管效率，同時也從某種程度上降低了對速調(diào)管風(fēng)冷系統(tǒng)的要求。因此，為保障該速調(diào)管正常工作，除了提供適當(dāng)?shù)年帢O束高壓和燈絲電壓之外，還應(yīng)為收集極間建立適當(dāng)?shù)碾妷翰睢?/p>

3 GEN IV速調(diào)管高功放的組成及工作原理

GEN IV速調(diào)管高功放從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以分為四個主要的分系統(tǒng)：射頻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及制冷系統(tǒng)。下面我們將分別概述這四個分系統(tǒng)的作用，并對其工作原理進行闡述。

3.1 射頻系統(tǒng)

射頻系統(tǒng)可以說是速調(diào)管高功放的核心部分。射頻小信號通過射頻系統(tǒng)，通過能量的交換被放大為大功率的射頻信號。射頻系統(tǒng)所要承擔(dān)的任務(wù)，正是高功放要完成的最本質(zhì)也是最核心的功能。射頻系統(tǒng)框圖如圖2所示。

按照信號的流程，我們可以把射頻系統(tǒng)分為三個部分：輸入部分（含前置放大器）、速調(diào)管部分、輸出部分。整個射頻系統(tǒng)可提供80dB左右的輸出增益。

⊙ 輸入部分由一個輸入同軸隔離器和一個固態(tài)前置放大器（IPA）以及一個輸出同軸隔離器組

技術(shù)研究成。這一級的典型增益是35dB，同時IPA集成有一個25dB的可調(diào)壓控PIN二極管衰減器。

⊙ 速調(diào)管部分由速調(diào)管放大器構(gòu)成，其典型增益是45dB。

⊙ 輸出部分主要由波導(dǎo)器件組成，包括2個弧光檢測器、1個隔離器、1個諧波濾波器（可選配）和3個耦合器（輸出耦合、輸出功率檢測，發(fā)射功率檢測）。

3.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)為速調(diào)管高功放的正常工作提供動力保障，是各個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。電源系統(tǒng)實現(xiàn)了對普通三相交流電的轉(zhuǎn)變，其中包括通過變壓、整流等處理產(chǎn)生速調(diào)管工作所需的高壓、燈絲電壓、風(fēng)機風(fēng)扇電壓等。因此，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整臺高功放是否能夠正常工作。電源系統(tǒng)框圖如圖3所示。

三相交流電通過電源單元機箱J1端口接入高功放電源單元后，首先進入一個瞬態(tài)抑制器（Transient Suppressor）A8，它可以鉗住交流電瞬間出現(xiàn)的高振幅電壓；然后通過EMI濾波器FL1，它可以減少傳導(dǎo)噪聲；緊接著進入高功放的主斷路開關(guān)CB1（位于電源單元機箱的前面板上）。交流電一路通過輸出接口接到速調(diào)管風(fēng)冷系統(tǒng)供電；一路接到缺相檢測板；A相接到電源板，提供24VDC工作電壓。

接著主交流電會通過步進啟動電路（Step-Start Circuit）A1，它可以非常有效地限制速調(diào)管高功放在啟動時候產(chǎn)生的浪涌電流。步進啟動電路是GEN IV系列速調(diào)管高功放在電源系統(tǒng)中的一個重要改進，它的獨特優(yōu)勢在于：這一電路可以對輸入濾波器A6內(nèi)的電容進行“軟”充電，因此，有效地限制了浪涌電流的產(chǎn)生。起初，提供給A6的交流電要通過開關(guān)K1和電阻R2，R3，因此限制了充電電流。大約一秒鐘之后，濾波器電容容量的80%已被充好，此時主開關(guān)K2閉合，步進啟動電路開關(guān)K1斷開。

然后由輸入濾波器A6對三相交流電進行整流和濾波處理。它包括兩個電感L1，L2，接著是4個電容C1～C4，這些安裝在一個PCB板上。電阻R1～R4確保了直流電壓在電容器上的分配（輸入為380～480VAC），同樣，在Standby狀態(tài)下或者高功放關(guān)機時它們可以為電容器放電。

從A6輸出的未經(jīng)調(diào)節(jié)的直流電被送入電源處理器（Power Processor）A3，A3將直流電轉(zhuǎn)變成逆變?yōu)閲?yán)格控制的180VAC，50kHz的方波信號，送入使電壓升高的高壓變壓/整流器A4中。

A4可以將180VAC的方波的電壓升高到一個非常高的水平，典型值為9kVAC，然后對其進行整流。A4輸出的是電子束電壓，燈絲電壓和收集極電壓。

A4輸出的電壓峰峰值大約為20V，在經(jīng)過高壓濾波器（HV Filter）A5采樣和濾波之后，峰峰值減小到大約1V，被直接送入射頻單元為速調(diào)管提供高壓。A5包含高壓濾波器、反饋/監(jiān)測、燈絲電源等組件，電子束和燈絲電壓的采樣從高壓濾波器反饋至電源處理器A2。

電子束電壓、電子束電流、體電流、燈絲電壓和燈絲電流被嵌入式的控制系統(tǒng)－電源處理控制器A2所監(jiān)控。A2的功能包括：控制電子束電壓，控制燈絲電壓，控制步進啟動電路開關(guān)，監(jiān)測電源單元中的各種參數(shù)，檢測電源單元中的錯誤狀態(tài)，與前面板控制器和射頻控制器進行通信。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由5塊控制板組成，它們之間由CAN總線實現(xiàn)相互間的通信。其中位于射頻機箱內(nèi)的是外部接口控制器、射頻控制器、以太網(wǎng)接口控制器，前面板控制器位于射頻機箱前門；電源處理器控制器位于電源單元內(nèi)。如圖4所示。

外部接口控制器（EIC）為高功放與外部設(shè)備之間提供了接口。它的主要作用是：監(jiān)測風(fēng)機風(fēng)量；進風(fēng)口與出風(fēng)口的溫度；監(jiān)測和控制最多至10個波導(dǎo)倒換開關(guān)；監(jiān)測和控制非同步串口；接受數(shù)字量輸入（供用戶用于高功放控制）；提供數(shù)字量輸出（供用戶用于監(jiān)視）。

射頻控制器（RFC）的主要作用是：監(jiān)測和控制波導(dǎo)弧光探測器；監(jiān)測射頻輸出功率的平均值和峰值；監(jiān)測反射功率、機箱溫度和循環(huán)O/T開關(guān)；控制衰減器和與射頻功率水平相關(guān)的功能；控制前置放大器（IPA），當(dāng)射頻部分出現(xiàn)相關(guān)的錯誤時，射頻控制器會立即關(guān)閉前置放大器；監(jiān)測和控制數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)（DFTS）、線性器、上變頻器等選件。

前面板控制器（FPC）為用戶的計算機下載軟件、上載系統(tǒng)配置、保存測量日志提供了接口。其主要作用是：監(jiān)測和控制全系統(tǒng)的操作；監(jiān)測用戶從面板鍵盤輸入的內(nèi)容；控制640×480彩色LCD顯示器；儲存用戶設(shè)置。

電源處理控制器（PPC）的主要作用是：監(jiān)測電源單元的模擬和數(shù)字輸入；控制電子束的開啟和關(guān)閉；控制電子束和燈絲電壓。如果高功放電源單元出現(xiàn)相關(guān)錯誤，PPC將立即關(guān)掉高壓。

以太網(wǎng)接口控制器（EIH）的主要功能是：為外部以太網(wǎng)端口和內(nèi)部CAN總線之間提供接口；提供以太網(wǎng)遠控高功放的方式；提供通過以太網(wǎng)控制高功放固件閃存程序；提供快照文件（Snapshot）的以太網(wǎng)輸出。

3.4 制冷系統(tǒng)

GEN IV系列速調(diào)管高功放的制冷全部都是采用強制風(fēng)冷的方式。所有的風(fēng)機和風(fēng)扇都是安裝在射頻和電源單元機箱中的。每一臺高功放系一共有三個制冷系統(tǒng)：一個位于電源單元中，兩個位于射頻單元中。

（1）電源單元制冷：電源單元的散熱依靠的是位于其后面板上的直流風(fēng)機實現(xiàn)的。這個風(fēng)機從電源單元的前面板吸入空氣。在正常的操作情況下，風(fēng)機是不需要管道的，并且風(fēng)機與機柜后板之間要有15cm的余量。在某些惡劣的工作條件下，需要高功放長時間處在接近飽和輸出，這時原有的空調(diào)制冷能力無法承受如此大的功率產(chǎn)生的熱量，此時電源單元就需要外加風(fēng)道。如果要長時間在這種條件下工作，電源單元前面板的濾網(wǎng)要及時清理。

（2）射頻單元制冷：在射頻單元中利用一個大的、內(nèi)置的交流風(fēng)機對速調(diào)管收集級進行冷卻，在風(fēng)機進風(fēng)口一定要有空氣濾網(wǎng)，長時間的使用后要進行清潔除塵。在射頻機箱內(nèi)也有一個直流風(fēng)扇安裝在后面板上，從前面板吸入空氣，并用于冷卻固態(tài)前置放大器IPA，輸出元件和速調(diào)管管體。在機箱內(nèi)還有兩個更小的直流風(fēng)扇用于對速調(diào)管管體進行冷卻。

4 GEN IV速調(diào)管高功放的維護

為了保證GEN IV速調(diào)管高功放可以長時間的穩(wěn)定運行，并保持較高的工作效率，定期維護是高功放使用過程中的必不可少的環(huán)節(jié)。這種定期維護包括的主要內(nèi)容有：檢查、清理、測試和校準(zhǔn)。維護的周期根據(jù)維護的內(nèi)容的不同以及所維護的部件的不同而有所差異，一般的周期為一個月至六個月。良好的維護習(xí)慣對降低高功放的故障率，延長高功放及速調(diào)管壽命有著極其重要的意義。

4.1 預(yù)防性維護

結(jié)合廠家的建議和長期實際使用經(jīng)驗，我們對GEN IV速調(diào)管高功放的日常預(yù)防性的維護內(nèi)容和周期做了總結(jié)，如表1所示。

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4.1.1 檢查表頭告警及故障日志

值班員每天認真進行巡機檢查是十分必要的，有助于第一時間發(fā)現(xiàn)和處理異態(tài)。

4.1.2 目測檢查

每間隔一個月，用戶應(yīng)該對高功放進行物理上的檢查，即所謂的目測。如果高功放的工作環(huán)境比較惡劣，那么檢查的間隔周期應(yīng)該縮短。測量日志是反映高功放工作狀態(tài)的重要依據(jù)。同時，反射功率的增加、不能解釋的錯誤的發(fā)生都是高功放工作狀況劣化的重要體現(xiàn)，而造成這些問題的原因很可能在目測檢查中發(fā)現(xiàn)。在進行目測檢查的時候，必須保證主電源是關(guān)閉的，并按照如下步驟進行檢查。

⊙ 在主電源關(guān)閉的條件下，檢查所有連接插頭是否連接完好并沒有損壞，更換所有損壞的連接插頭。

⊙ 檢查線纜是否有褪色、破損或者絕緣不良的情況，對不良的線纜進行更換。

⊙ 檢查所有的連接器是否被腐蝕、開裂、粘有污垢，予以清潔更換。

⊙ 查看器件是否有粘上水分或污漬的跡象（水分或污漬可以造成短路、打火、腐蝕或過熱的狀況），用不起毛的布、小的真空吸塵器、低風(fēng)壓的吹風(fēng)機等對污漬進行清潔。

⊙ 檢查所有的波導(dǎo)是否有變色、開裂、連接器松動和密封不嚴(yán)的情況，如有必要應(yīng)對波導(dǎo)進行更換和維修。

4.1.3 檢查和清洗空氣濾網(wǎng)

速調(diào)管收集極散熱風(fēng)機的進風(fēng)口空氣濾網(wǎng)、電源單元前面板的空氣濾網(wǎng)和射頻單元前面板的空氣濾網(wǎng)應(yīng)該每個月做一次清潔。一般可用大功率吸塵器除去濾網(wǎng)上的灰塵，如果需要的話，可用熱水和溫和的洗滌劑清洗，徹底風(fēng)干才能裝上。

4.1.4 外部清潔

速調(diào)管高功放的外部面板需要每三個月進行一次清潔，環(huán)境較臟的情況下需要增加清潔頻率。用干凈的布和溫和的、無腐蝕成分的洗滌劑清潔即可。

4.1.5 LED、顯示面板顏色測試

每一個月就要對速調(diào)管高功放進行一次LED測試，以確保所有顯示都能正常工作。對于用戶而言，周期性的“顏色測試”是必要的，這可以保證TFTLCD顯示屏功能正常。

4.1.6 波導(dǎo)弧光測試

這個測試通常狀況下會在POST過程中自動進行。如果速調(diào)管高功放并不是每天都使用的話，波導(dǎo)弧光測試應(yīng)該每個月進行一次。LED測試、顯示面板顏色測試和波導(dǎo)弧光測試都可以在高功放面板菜單中找到，通過相應(yīng)的操作即可完成所要求的測試內(nèi)容。

4.1.7 運行功能測試

主要功能檢驗包括以下內(nèi)容：輸出功率設(shè)定、增益設(shè)定; 電源特性檢查（高壓電壓、束電流、體電流、燈絲電壓、燈絲電流）；射頻抑制功能、自動電平控制功能、功率跟隨功能、遠程本地控制切換；保護性報警、故障功能檢查（電弧保護、反射功率過大保護、管子冷卻設(shè)施故障保護）、保護性故障條件設(shè)定及功能檢查；主要電性能指標(biāo)測試：飽和點功率、1dB壓縮點、噪聲特性、 增益線性、交調(diào)特性、幅頻特性等。

4.2 速調(diào)管散熱系統(tǒng)維護

速調(diào)管是整個高功放的核心部件，它的正常工作與否直接關(guān)系到信號放大的功率、效率、電力消耗情況等等。同時，速調(diào)管，尤其是速調(diào)管的收集級工作時會產(chǎn)生比較大的熱量，都是采用強制風(fēng)冷的方式對其進行冷卻。

盡管現(xiàn)在各個地球站對高功放的進風(fēng)系統(tǒng)做了很大的改進，高功放本身的進風(fēng)口處也有相應(yīng)的空氣濾網(wǎng)，但是做到絕對的無塵幾乎是不可能的。在為速調(diào)管收集極進行強制風(fēng)冷的同時，少量灰塵也在此時被帶入其中，而且很容易被帶有靜電的收集極所吸引。日積月累，收集極上、速調(diào)管風(fēng)機上等地方都會堆積大量的灰塵。這些灰塵會影響散熱效果，引起低風(fēng)量告警，收集極上的灰塵甚至?xí)砀邏捍蚧鸬碾[患，這對高功放的使用是極其不利的。

根據(jù)在實際使用過程中總結(jié)的經(jīng)驗，收集極清潔應(yīng)該每六個月執(zhí)行一次，如果高功放機房的進風(fēng)系統(tǒng)濾塵不佳，或者當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙較大，這種清潔應(yīng)該更加頻繁的進行。

4.3 高功放使用中的注意事項

⊙ 保持風(fēng)機正常工作及出風(fēng)口的暢通。

⊙ 機房溫度控制在22℃左右為宜，機房制冷空調(diào)應(yīng)有備份或冗余，避免出現(xiàn)單臺制冷空調(diào)故障的隱患。

⊙ 設(shè)備關(guān)機時，應(yīng)去掉風(fēng)管，最好密封進出風(fēng)口。

⊙ 如果出現(xiàn)低風(fēng)量故障，首先檢查出風(fēng)口溫度。如果溫度沒有變化，用無水酒精清洗射頻單元后的風(fēng)壓檢測開關(guān)。

4.4 如何延長速調(diào)管使用壽命

速調(diào)管作為核心放大器件，價格十分昂貴，應(yīng)盡可能延長其使用壽命。根據(jù)我們對GEN IV系列速調(diào)管高功放特點的深入了解，以及使用多年的經(jīng)驗，認為選擇正確的工作狀態(tài)，對延長速調(diào)管的使用壽命有著很大的幫助。從另一方面說，速調(diào)管壽命的延長，也是對成本的一種變相節(jié)約。我們總結(jié)了速調(diào)管使用壽命與工作狀態(tài)的關(guān)系，如表2所示。

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5 結(jié)束語

本文從高功放的實際使用入手，闡述了MSDC速調(diào)管的工作原理，重點分析了CPI GEN IV系列速調(diào)管高功放的組成和工作原理，并提出了高功放的日常維護措施。希望我們的應(yīng)用經(jīng)驗總結(jié)，能夠為各地球站在速調(diào)管高功放的運行和維護方面提供良好的借鑒。

[1]Gen Iv Klystron High Power Amplifier Installation and Operation Manual.2007