一種大功率合成系統(tǒng)在衛(wèi)星傳輸中的應用

國家新聞出版廣電總局北京地球站 張金虎

一、引言

在衛(wèi)星傳輸中，衛(wèi)星上行地球站的任務是負責將前端送來的業(yè)務信號發(fā)送到衛(wèi)星上，供用戶接收。在這一系統(tǒng)中，上行地球站和接收用戶之間是一個點對面的關系，如果這個點出現(xiàn)問題，整個面都將失去信號。高功率放大器是上行系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，它主要是將調(diào)制變頻后的信號進行功率放大，通過天線發(fā)射到衛(wèi)星上。

在衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)中使用的高功率放大器主要有速調(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)三種。它們各有特點：行波管高功放和固態(tài)高功放帶寬寬（500MHz，行波管功放寬展頻段可以做成800MHz帶寬），適合多載波業(yè)務；速調(diào)管高功放帶寬窄（C波段60MHz，Ku波段的可以做成80MHz），功率大、抗干擾強。目前，C波段速調(diào)管高功放的功率可以做到3.35kW，Ku波段可以做到2.45kW；行波管功放C波段可以做到3kW；固態(tài)功放功率更小，C波段最大能做到1kW。

隨著我國衛(wèi)星廣播電視的發(fā)展，高清電視的逐漸普及，衛(wèi)星廣播電視必將迎來又一發(fā)展時代。上行業(yè)務的不斷增加，各衛(wèi)星上行地球站就要對上行系統(tǒng)進行增加，也就意味著需要資金的投入，選擇一套上行系統(tǒng)，既能滿足上行業(yè)務需要，還可以預留將來業(yè)務發(fā)展空間，同時還要考慮衛(wèi)星通信的開放環(huán)境容易受到干擾的因素，尤其是經(jīng)濟因素，也就是說要選擇一套上行功率大、頻帶寬的上行系統(tǒng)，既能滿足多載波業(yè)務上行，又能滿足受到干擾時的大功率需要，而且投入盡量小。

綜合各方面因素考慮，采用超線性的行波管功放，利用相位合成技術對功放之間進行功率合成，可以在滿足上行技術指標的前提下，既可上行多載波業(yè)務，又具備應急情況下的功率儲備。

二、系統(tǒng)組成及各部分作用

這種大功率的上行系統(tǒng)主要由超線性的行波管功放及其配套的切換系統(tǒng)、移相器、功分器及合成器組成。系統(tǒng)構成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

經(jīng)過調(diào)制、變頻后的射頻信號（可以是多路信號合成），通過功分器分配給各個功放，各功放對信號進行放大后輸出，通過合成器對功率進行合成，并通過天線發(fā)到衛(wèi)星上。系統(tǒng)中的移相器對輸入功放的信號相位進行調(diào)整，保證各功放輸出信號相位相同，切換系統(tǒng)是完成高功放設備切換功能。

三、行波管工作原理

在大功率合成上行系統(tǒng)中，行波管高功放是個核心環(huán)節(jié)，下面對行波管的工作原理進行一下簡單的介紹。行波管高功放的基本工作原理是射頻信號經(jīng)過初級放大，電平調(diào)整后，進入行波管放大器進行最后一級放大后輸出。行波管高功放的特點是頻帶寬、輸出功率大、線性好。

圖2 TWT行波管結構圖

在行波管功放中，行波管（TWT)是功放的核心部件，它是通過電子束和射頻信號進行能量交換實現(xiàn)微波信號放大的。行波管的結構主要有：電子槍、慢波系統(tǒng)、收集極、輸入輸出裝置、聚焦系統(tǒng)等。如圖2所示。行波管的電子束與射頻信號的能量變換只有在電子速度與射頻信號傳播速度接近的條件下才能實現(xiàn)。為使高頻信號能有效地從電子束中獲得能量而得到放大，就必須減慢行波管中電磁波的速度，完成這一功能的系統(tǒng)叫慢波系統(tǒng)，所謂慢波系統(tǒng)就是金屬絲繞的螺旋線結構。

設電子速度為Ve，行波管中電磁波的相速為Vp。行波管中的電子束是由電子槍產(chǎn)生的，在電子槍中的電子通過加熱陰極而被發(fā)射出來，經(jīng)過陽極聚焦形成高動能電子束進入螺旋線，為保證電子束穿過螺旋線時保持一條平行束，盡量減少打在螺旋線上的電子數(shù)量，在螺旋線的區(qū)域加上聚焦裝置，這種聚焦裝置常采用周期性永磁聚焦裝置，用來保證電子束的“聚束”效果。在螺旋線的入端由于電場的作用，以勻速飛入螺旋線的電子受到減速場作用，電子速度逐漸下降，經(jīng)過一段時間后，當螺旋線輸入端電場變?yōu)榧铀賵鰰r，飛入螺旋的電子受到加速場作用下，電子速度上升。因此，后續(xù)受到加速電子趕上前面受到減速的電子，形成電子團，即產(chǎn)生群聚，這一過程叫“電子群聚”。當Ve大于Vp時，即電子比螺旋線中行波跑得快，因此進入螺旋線的電子將很快脫離加速場而進入減速場，電子群聚將出現(xiàn)在減速場中；當Ve等于Vp時，穿過螺旋線的電子束和由輸入裝置進入螺旋線中傳輸?shù)纳漕l信號相互作用，從而完成能量轉換，將電子束的能量傳遞給射頻信號，從而實現(xiàn)信號的放大作用，經(jīng)放大后的射頻信號通過輸出裝置送到下一級，而穿過螺旋線的電子束則進入了內(nèi)部呈空心狀的收集極，在這里，剩余的能量轉化為熱能而被耗散掉。

四、系統(tǒng)工作原理

功率合成的實質(zhì)是多個矢量相加，使得總輸出低于多路輸出之和，是實現(xiàn)高功率的廉價而實際的方法。這套大功率合成系統(tǒng)充分考慮了多載波業(yè)務上行時的系統(tǒng)性能指標和系統(tǒng)的功率儲備。系統(tǒng)中采用的行波管是經(jīng)過處理的2.25kW的行波管放在1kW功放上使用，上行業(yè)務時無需考慮功率回退，而且有較好的線性特性，系統(tǒng)主要原理如下：

變頻放大后的射頻信號，經(jīng)過一個四口射頻功分器將信號分配給三個高功放輸入，功分器輸出的信號為等幅同相的射頻信號，其中高功放A的輸入信號為合成器輸出信號直接接入，高功放B的輸入信號經(jīng)過移相器1進行相位調(diào)整，在高功放同軸切換開關SW1和SW2上串接了移相器2和移相器3，這主要是考慮在高功放A或高功放B故障時切換至備用功放C，兩個功放輸出相位相同，正常工作時，高功放A和高功放B通過合成器合成輸出，高功放C輸出至假負載，當高功放A或高功放B故障時，高功放C通過切換開關切換輸出至合成器，故障功放切至假負載。切換前后的工作狀態(tài)如圖3所示。要想達到合成輸出功率最大，必須調(diào)整各個功放的衰減使合成的兩個高功放輸出的信號幅度相等，從而使合成的兩個信號等幅、同相，經(jīng)過合成后總的輸出功率為兩個單機功率之和的80%左右，大大提高了上行功率。

圖3 系統(tǒng)切換前后工作情況

系統(tǒng)安裝調(diào)試時的工作重點在于對系統(tǒng)的調(diào)整，主要是對高功放設備的輸出信號的相位和幅度進行調(diào)整，使進入合成器的信號盡量為等幅、同相的信號，以達到合成輸出功率最大，二者缺一不可。目前高功放和成系統(tǒng)去除合成器本身的影響和管子的個體差異，合成效率可以達到80%，甚至更高。

五、系統(tǒng)的優(yōu)點

這套大功率合成上行系統(tǒng)，能夠滿足目前我國衛(wèi)星廣播電視的上行需要，也將成為國內(nèi)上行站主流配置，系統(tǒng)具有以下特點：

⊙系統(tǒng)頻帶寬、線性好。系統(tǒng)采用了寬頻帶的1kW超線性行波管（TWT）功放，頻帶帶寬可到800MHz（擴展頻段），功放的行波管采用了2.25kW的行波管，上行業(yè)務時，無需考慮功率回退。

⊙抗干擾能力強。系統(tǒng)采用了多臺1kW高功放合成，輸出功率至少可達1800W左右（2臺合成時），具有較強的抗干擾功能。

⊙適合多載波業(yè)務上行。系統(tǒng)采用了行波管功放，帶寬較寬能上行多個載波業(yè)務，特別適合目前國內(nèi)各省的高標清業(yè)務同時上星播出需要。

⊙系統(tǒng)保護性強。系統(tǒng)采用了合成系統(tǒng)上行，當某一功放出現(xiàn)故障時，不會影響業(yè)務上行，且故障設備會自動倒換至備用系統(tǒng)播出，系統(tǒng)保護性強。

⊙系統(tǒng)可寬展性好。系統(tǒng)采用了功率合成技術，同理可以采用多臺功放進行合成，以達到更高功率上行。

六、結束語

系統(tǒng)投入運行三年多，運行穩(wěn)定，有效地保證了衛(wèi)星廣播電視業(yè)務的正常上行，這種合成上行方式簡單易行，且適合于多載波上行，這種合成方式也可以移植到Ku波段上，也將成為我國衛(wèi)星廣播電視上行站的一種主流配置。