行波管功率放大器在衛(wèi)星地球站的應(yīng)用

黃慶云，蔡東山，黃慶生，姜秉航，黃慶彩

（1.國家廣電總局北京地球站，北京102206;2.國家廣電總局542臺，北京102445;3.太原科技大學(xué)，山西太原 030024）

0 引言

經(jīng)調(diào)制和上變頻后的廣播電視信號，通過功率放大高功率放大器進(jìn)行放大，然后經(jīng)過天線發(fā)射到衛(wèi)星上。高功率放大器是衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能的好壞對上行鏈路信號的質(zhì)量影響很大。

目前衛(wèi)星地球站高功率放大器分為三大類: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），這三種功放各有特點(diǎn)，使用要求也不相同。行波管高功率放大器和固態(tài)高功率放大器可覆蓋整個(gè)發(fā)射頻段，可以同時(shí)放大多個(gè)載波，適用于不時(shí)更換頻率的多載波業(yè)務(wù);其中，固態(tài)高功率放大器適用于載波數(shù)較少的場合，在放大多個(gè)載波時(shí)，為了使交調(diào)產(chǎn)物控制在規(guī)定值內(nèi)，放大器應(yīng)工作在線性區(qū)，即功率不能用足，需要有一定的補(bǔ)償量，補(bǔ)償量視載波數(shù)量的多少，一般在4～7 dB之間，因此，需要放大多個(gè)載波時(shí)，應(yīng)選用額定功率較大的行波管高功率放大器，本文就以型號為CPI VZC-6965B5行波管高功率放大器做一介紹。

1 行波管的工作原理

行波管放大器，是通過電磁場與電子注發(fā)生能量交換使高頻信號得以放大的微波真空器件，行波管是靠連續(xù)調(diào)制電子注的速度來實(shí)現(xiàn)放大功能的微波電子管。行波管在結(jié)構(gòu)上包括電子槍、慢波電路、集中衰減器、能量耦合器、聚焦系統(tǒng)和收集極等部分。在行波管中，電子注與慢波電路中的微波場發(fā)生相互作用。微波場沿著慢波電路向前行進(jìn)。為了使電子注同微波場產(chǎn)生有效的相互作用，電子的直流運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)比沿慢波電路行進(jìn)的微波場的相位傳播速度（相速）略高，稱為同步條件。輸入的微波信號在慢波電路建立起微弱的電磁場。電子注進(jìn)入慢波電路相互作用區(qū)域以后，首先受到微波場的速度調(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中，而且電子在減速場滯留時(shí)間比較長。因此，電子注動(dòng)能有一部分轉(zhuǎn)化為微波場的能量，從而使微波信號得到放大。

2 行波管功率放大器介紹

CPI VZC-6965B5的行波管高功率是由射頻單元和電源單元兩部分組成，它們之間的連接框圖如圖1所示，三相電源從射頻單元輸入，它再通過接口J10將三相交流電源饋送給電源部分，電源部分提供給射頻部分高、低壓，同時(shí)完成對射頻部分的監(jiān)控功能。

圖1 射頻單元與電源單元的連接圖

2.1 射頻單元

射頻單元主要由TWT行波管、帶有RF衰減器的SSIPA、輸出波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、TWT制冷系統(tǒng)和前面板控制器組成，其設(shè)備組成框圖如圖2所示。

圖2 射頻單元連接圖

來自上變頻器的低電平射頻激勵(lì)信號加到射頻輸入口，射頻輸入信號先通過一個(gè)同軸隔離器（HY1），使輸入駐波比達(dá)到最小值，同軸隔離器輸出的信號經(jīng)過固定衰減器，進(jìn)入固態(tài)中功率放大器（SSIPA），固態(tài)中功率放大器對RF信號進(jìn)行初級放大，固態(tài)中功率功放大器包括一個(gè)集成的衰減器，這個(gè)衰減器能提供最小為20 dB的增益，改變行波管放大器的輸入電平，從而調(diào)節(jié)放大器的輸出功率電平。固態(tài)中功率放大器還包括一個(gè)RF輸入功率監(jiān)測耦合器和一個(gè)激勵(lì)功率監(jiān)測耦合器。固態(tài)中功率功放大器的輸出信號通過一個(gè)匹配隔離器和一個(gè)衰減器進(jìn)入行波管，SSIPA和行波管將提供至少76 dB的增益。輸出組件包括一個(gè)集成的波導(dǎo)電弧檢測器，當(dāng)行波管波導(dǎo)中出現(xiàn)電弧時(shí)，該檢測器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光響應(yīng)信號，會(huì)迅速切斷固態(tài)中功放的射頻激勵(lì)信號，從而熄滅電弧。波導(dǎo)電弧檢測的輸出端接一個(gè)三口環(huán)形器，它有吸收反射功率的等效負(fù)載，環(huán)形器的輸出接一個(gè)諧波濾波器，能將諧波輸出限制在至少-60dBc，諧波濾波器輸出接一個(gè)三通道定向耦合器，它有兩個(gè)前向通道和一個(gè)反射功率耦合口，其中一個(gè)前向通道給前面板RF輸出功率監(jiān)測口提供信號，另一個(gè)前向通道和反射功率耦合口通過射頻監(jiān)測器連接到射頻功率測量組件。

2.2 電源單元

行波管高功放的電源部分是一個(gè)單獨(dú)的機(jī)箱，主要是給整個(gè)系統(tǒng)提供高低壓及實(shí)現(xiàn)對功放的控制，行波管是一個(gè)高壓放大器件，電源是TWTA高功放工作的關(guān)鍵。

3 行波管功率放大器性能特點(diǎn)

高功率放大器是衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，行波管沒有采用速調(diào)管的獨(dú)立諧振腔結(jié)構(gòu)，因此具有頻帶寬的特點(diǎn)，頻率范圍為5.85～6.65 GHz;在高電壓、大電流狀態(tài)下工作，可以獲得比固態(tài)放大器高得多的輸出功率，在6 GHz工作頻段，額定輸出功率可達(dá)2.25 kW，是地球站抗惡意干擾的有效武器。

CPI VZC-6965B5的行波管高功率放大器采用固態(tài)中功率放大器作為激勵(lì)器，一方面降低了行波管的增益要求，有助于提高效率、減少體積與重量;另一方面可極大地降低整個(gè)放大鏈路的噪聲系數(shù)。

由于固態(tài)中功率放大器的引入，降低了行波管的增益要求，這不僅增強(qiáng)了其寬帶功率的能力，而且降低了對電壓的要求，提高了可靠性。

此外，行波管的散熱能力要比固態(tài)放大器大得多，CPI VZC-6965B5的行波管高功率放大器采用多級降壓收集極回收部分電子注能量，可極大地提高行波管的效率，效率可達(dá)45%。

4 結(jié)束語

綜上所述，行波管功率放大器具有寬頻帶、高功率的放大特性，可覆蓋C波段800 MHz帶寬，增益約為80 dB。行波管功率放大器可以實(shí)現(xiàn)幾瓦至數(shù)千瓦的輸出功率，適用范圍很廣，特別是在地球站高頻、寬帶、大功率應(yīng)用領(lǐng)域，行波管功率放大器具有其它類型功放不可替代的優(yōu)勢。

［1］David M.Pozar.微波工程［M］.第3版.張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］Communication＆ Power Industries.2.25 kW TWT High Power Amplifier Service Manual［Z］.Doc.0102576500 Rev.4