梁衛(wèi)東

內(nèi)蒙古新聞出版廣電局501臺(tái) 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(hào)功率僅能達(dá)到毫瓦級(jí)，按照總局關(guān)于地球站實(shí)施細(xì)則的要求，在不影響其他上行站正常運(yùn)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(shí)，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(jì)算，上行系統(tǒng)EIRP才能達(dá)到83.1dBW，因此高功放最低輸出功率要達(dá)到1000W，來產(chǎn)生大功率微波信號(hào)向衛(wèi)星發(fā)射，從毫瓦級(jí)到1000W，增益至少需要70dB，此時(shí)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(jiǎn)稱TWTA；速調(diào)管高功率放大器，英文簡(jiǎn)稱KHPA；固態(tài)高功率放大器，英文簡(jiǎn)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(jiǎn)稱行波管）的電子槍在9KV直流高壓電場(chǎng)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(jí)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(qiáng)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(jìn)速度。聚焦系統(tǒng)可以解決電子束在行進(jìn)中的聚焦問題，通過聚焦系統(tǒng)產(chǎn)生的均勻的軸向磁場(chǎng)，使電子束達(dá)到聚焦。磁場(chǎng)通常利用永久磁鐵產(chǎn)生，多數(shù)采用一系列極性交錯(cuò)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(hào)經(jīng)輸入端送入管內(nèi)，經(jīng)放大后的大功率信號(hào)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(jī)進(jìn)行散熱。

1.2 行波管系統(tǒng)工作原理

當(dāng)高頻電磁波由輸入同軸線進(jìn)到行波管后，會(huì)與沿螺旋線飛越的電子束相互作用，由此獲得電子束的動(dòng)能來對(duì)電磁波進(jìn)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(shí)間要長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)速度降到和電子運(yùn)動(dòng)的速度差不多，以實(shí)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(yùn)動(dòng)，而電磁波則要沿螺旋線旋轉(zhuǎn)著前進(jìn)，它旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，在軸線方向只前進(jìn)一個(gè)螺旋的節(jié)距，此時(shí)，慢波系統(tǒng)將電磁波沿軸線的傳播速度降低了許多。適當(dāng)?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(yùn)動(dòng)速度。這樣，電波和電子束的速度齊頭并進(jìn)，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(hào)能得到最大程度放大。行波管放大器最大優(yōu)點(diǎn)是帶寬寬，目前達(dá)到1225MHz，而速調(diào)管的單通道帶寬最大僅有80MHz，相差甚遠(yuǎn)。行波管輸出功率可以達(dá)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(hào)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)度、螺旋線電壓和行波電場(chǎng)的強(qiáng)度。

行波管的效率是指輸出的高頻信號(hào)功率與輸入的直流總功率之比，常以百分?jǐn)?shù)表示。即假設(shè)行波管輸出的高頻信號(hào)功率為12W，而直流輸入總功率≥20W，那么這個(gè)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(jī)就可以做得小一些。當(dāng)前衛(wèi)星的行波管效率可達(dá)73%左右，這就是說，高能電子束把直流電源獲得的能量?jī)H有73%轉(zhuǎn)化為高頻信號(hào)，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(hào)幅度的變化量與所引起的輸出信號(hào)的相位的變化量之比。可以這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(hào)幅度有一個(gè)變化量，這就意味著進(jìn)入行波管的高頻電磁場(chǎng)的強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(hào)的相位，而且相位的變化是不均勻的，結(jié)果使輸出信號(hào)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(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器輸出以有效輻射功率表示時(shí)，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(shí)預(yù)制了不同的頻率通道（一般為24通道，覆蓋整個(gè)C波段500MHz衛(wèi)星上行頻率），調(diào)整輸入腔使其諧振于信號(hào)輸入的頻率，通過柵網(wǎng)處后會(huì)激發(fā)起來高頻電場(chǎng)，時(shí)間上先后進(jìn)來的電子群受到電場(chǎng)的作用會(huì)加速或者減速（正半軸加速，負(fù)半軸減速），此時(shí)在交變電場(chǎng)是零的時(shí)候電子群速度不變，完成了在輸入腔的速度調(diào)制。

進(jìn)入漂移空間后，因?yàn)殡娮拥乃俣炔灰粯?，有快有慢，速度快的就?huì)趕上速度慢的電子，會(huì)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(tuán)，這一過程中會(huì)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(huì)激起高頻電子流，輸出腔也是諧振于信號(hào)輸入頻率，在柵網(wǎng)間再次建立起高頻電場(chǎng)。此電場(chǎng)和過來的電子互相作用，在負(fù)半軸的多數(shù)電子構(gòu)成的電子團(tuán)正好碰到減速電場(chǎng)，此時(shí)電子動(dòng)能會(huì)降低，它的能量被轉(zhuǎn)化到微波場(chǎng)，在加速電場(chǎng)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(chǎng)放大而被輸出，完成信號(hào)放大，這一過程實(shí)現(xiàn)了能量交換。輸入信號(hào)進(jìn)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(jí)的電子。收集過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，須使用風(fēng)機(jī)將集聚的熱量帶走，同時(shí)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(shí)際運(yùn)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(dāng)在單載波信號(hào)輸入時(shí)，管子的工作點(diǎn)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(hào)幅度與輸入信號(hào)幅度并不是始終保持著線性關(guān)系。輸入的高頻信號(hào)較小時(shí)，輸出的載波功率隨輸入的載波功率成比例地增長(zhǎng)，此時(shí)行波管的增益基本上是恒定不變的?；蛘哒f此時(shí)被管子放大的信號(hào)基本上不產(chǎn)生失真。若輸入信號(hào)繼續(xù)增大，輸出信號(hào)功率達(dá)到飽和，甚至還會(huì)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?yàn)殡S著輸入信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)晶體管，輸出微波功率達(dá)幾百瓦，采用功率合成技術(shù)可以達(dá)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(jiǎn)化使用和維護(hù)。

501臺(tái)使用的PowerMAX固態(tài)功放采用冗余設(shè)計(jì)理念，當(dāng)系統(tǒng)中某一個(gè)功放模塊故障不會(huì)影響安全播出，當(dāng)一個(gè)或者多個(gè)功放模塊失效時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(shí)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(huì)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(gè)功放模塊機(jī)箱故障時(shí)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(jī)箱，但為了獲得最大的功率合成效率普遍使用二進(jìn)制組合，諸如4、8、16模塊。另外，在現(xiàn)場(chǎng)將系統(tǒng)從4模塊升級(jí)到8或者16模塊也是非常簡(jiǎn)單，用戶并不需要在購(gòu)買初期就將整個(gè)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(duì)系統(tǒng)升級(jí)實(shí)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(tái)均使用過，固態(tài)功放最顯著的特點(diǎn)是維護(hù)量小，維護(hù)簡(jiǎn)單，設(shè)備運(yùn)行成本低。但是需要大功率輸出時(shí)須配置更多功放模塊，通過功率合成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大功率輸出。速調(diào)管放大器維護(hù)量大，運(yùn)行成本高，需定期更換管子，但是功率大、增益高，在當(dāng)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(diǎn)。但在衛(wèi)星上行站目前用的較少。

以上對(duì)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(jìn)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。