高功率放大器在衛(wèi)星傳輸中的應(yīng)用

趙國棟

（山東廣播電視臺 山東 濟(jì)南 250199）

0 引言

目前，在廣播電視信號的衛(wèi)星傳輸中，經(jīng)常使用的高功放設(shè)備主要有速調(diào)管功率放大器、行波管功率放大器和固態(tài)功率放大器3種類型。行波管功率放大器和速調(diào)管功率放大器輸出功率較大，工作在高電壓狀態(tài)，經(jīng)常為需要大功率上行的衛(wèi)星數(shù)字地面上行站所采用。行波管功率放大器和固態(tài)功率放大器具有頻帶寬的特點(diǎn)，因此他們覆蓋的發(fā)射頻段寬，適合放大多個(gè)載波。3種功率放大器中，目前常用的速調(diào)管功率放大器輸出功率上限值最大，固態(tài)功率放大器輸出功率上限值較小。3種功放各具不同特點(diǎn)，在各自應(yīng)用場景下具備不同應(yīng)用模式，在衛(wèi)星數(shù)字地面上行站中得到了廣泛的應(yīng)用。在山東衛(wèi)星數(shù)字地面上行站，目前主要使用速調(diào)管功放和固態(tài)功放這兩種高功放實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)目的傳輸，下文對常用功放的具體工作特性進(jìn)行介紹[1]。

1 行波管功放（TWTA）

1.1 行波管功放概述

行波管是真空管的一種，是通過電磁場與電子束發(fā)生能量交換使高頻信號得以放大的微波真空器件，對于微波大功率放大而言，仍是一種高效的選擇。行波管功放具有寬頻帶、高功率的放大特性，因此適用范圍大，其帶寬可達(dá)到500MHz，功率范圍也大，可以實(shí)現(xiàn)幾瓦至數(shù)千瓦的輸出功率。行波管的高增益、高帶寬的特性使得它在衛(wèi)星數(shù)字地面上行站應(yīng)用廣泛，是衛(wèi)星數(shù)字地面上行站的重要設(shè)備[2]。

1.2 行波管功放原理和過程

利用電子束與沿慢波系統(tǒng)行進(jìn)的電磁波之間的連續(xù)相互作用來實(shí)現(xiàn)對電磁波的功率放大，行波管主要由電子槍、慢波系統(tǒng)和收集極組成，電子束穿過行波管的長慢波結(jié)構(gòu)，與慢波電路中的微波場發(fā)生相互作用。在長達(dá)6～40個(gè)波長的慢波電路中，電子束連續(xù)不斷地把動能交給微波信號場，從而使信號得到放大。在電子束穿越行波管的過程中，由于微波場的作用時(shí)間長，因此增益很高，典型行波管的增益在25～70 dB范圍內(nèi)。行波管也沒有諧振腔，因此工作帶寬較寬[3]。按照頻帶寬度的定義即頻帶高低兩端頻率之差與中心頻率的比值，典型行波管功放的頻帶寬度可達(dá)100%以上，且低噪聲行波管的噪聲系數(shù)最低可達(dá)1～2dB。

1.3 行波管功放結(jié)構(gòu)組成

行波管功放主要由電源和射頻單元組成，電源的作用是為整個(gè)功放系統(tǒng)提供各級不同電壓的電源，保證系統(tǒng)正常工作并提供電源電路的監(jiān)測。射頻單元完成射頻信號的放大，主要由中功放、行波管和冷卻系統(tǒng)組成，放大后的射頻信號通過波導(dǎo)送至發(fā)射天線。行波管可以將輸入的信號放大至幾千瓦的水平，脈沖功率可以達(dá)到10千瓦甚至兆瓦，且通信衛(wèi)星和電視直播衛(wèi)星采用的行波管，工作壽命可達(dá)10年以上，特別適合用在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器這種工作環(huán)境中。

1.4 行波管功放特點(diǎn)

行波管功放的工作頻帶寬、增益高的特點(diǎn)，適宜于作為中、小功率的放大器，尤其是其寬頻帶、高效率、高增益的工作特性，在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中得到了非常重要的應(yīng)用。目前在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)器功放系統(tǒng)中，行波管成為關(guān)鍵的微波功率放大器件，特點(diǎn)是可靠性高﹑壽命長、效率高。

2 速調(diào)管功放（KPA）

2.1 速調(diào)管概述

速調(diào)管是利用周期性調(diào)制電子束速度來實(shí)現(xiàn)振蕩或放大的微波電子管，速調(diào)管可用于廣播電視的發(fā)射機(jī)和雷達(dá)等系統(tǒng)，具備功率大、增益高的優(yōu)勢，最大輸出功率可達(dá)兆瓦量級，廣播電視發(fā)射機(jī)中使用的速調(diào)管，輸出功率可達(dá)數(shù)千瓦到數(shù)萬瓦，工作頻率可以涵蓋整個(gè)微波波段。

2.2 速調(diào)管組成及原理

速調(diào)管是利用周期性調(diào)制電子束速度來實(shí)現(xiàn)振蕩或放大的一種微波電子管。1937年，美國物理學(xué)家瓦里安，R.H.和S.F.瓦里安制出雙腔速調(diào)管振蕩器，這一發(fā)明最初用于航空雷達(dá)。速調(diào)管一般是由電子槍、漂移管、輸入、輸出腔及中間腔、收集極等幾部分所構(gòu)成，速調(diào)管首先對電子束進(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交換能量，電子將動能交給微波場完成放大，其功率放大的原理見圖1。大功率速調(diào)管的輸出功率之大，是現(xiàn)有微波管中之最。整機(jī)的脈沖輸出功率可達(dá)百余兆瓦，平均功率可達(dá)兆瓦級。

速調(diào)管加熱燈絲，由電子槍產(chǎn)生電子流，電子流在控制柵極正電壓的作用下，飛向控制柵極。控制柵極也起到電子流聚焦的作用。由于控制柵極的作用，電子流聚焦為電子束，電子束在經(jīng)過高頻互作用空間的時(shí)候，依舊可以保證不發(fā)散。電子束繼續(xù)經(jīng)過輸入諧振腔，第一個(gè)為輸入諧振腔，最后一個(gè)為輸出諧振腔。除了輸入和輸出腔外，速調(diào)管還有多個(gè)中間腔。中間腔的作用是改善電子聚集過程，從而提高放大器的增益。輸入諧振腔的輸入頻率基本與輸入頻率一致，激勵(lì)信號經(jīng)過輸入耦合加入輸入諧振腔，電子束在經(jīng)過輸入諧振腔的時(shí)候會受到激勵(lì)信號的速度調(diào)制。在正半周期經(jīng)過的電子將被加速，而在負(fù)半周期經(jīng)過的電子將被減速。電子束中含有與輸入激勵(lì)信號周期一致的交流能量，呈現(xiàn)出一種密度調(diào)制的特征。電子束通過輸出腔時(shí)，將它的部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l能量，高頻信號在這個(gè)過程中得到放大。

2.3 速調(diào)管分類及應(yīng)用

目前國內(nèi)衛(wèi)星數(shù)字地面上行站基本都配備美國CPI公司的GEN IV 3 kW大功率速調(diào)管高功放。它是一個(gè)五腔速調(diào)管功率放大器，C波段功放有24個(gè)預(yù)置通道，每一個(gè)預(yù)制通道的工作帶寬為45 MHz，整個(gè)功放的頻率范圍為5 850 MHz～6 425 MHz。因此，它是一個(gè)窄帶功率放大器，使用中要按照實(shí)際的工作頻率選擇一個(gè)合適的功放預(yù)置通道的頻率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

CPI GEN IV 3 kW速調(diào)管高功放采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)功放可分為射頻模塊、高壓電源模塊、分布式控制模塊和冷卻系統(tǒng)等4個(gè)模塊組件，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過對單一模塊的維護(hù)和維修提高設(shè)備的使用可靠性，并減輕維護(hù)工作的工作量。各個(gè)模塊組件都安裝在單獨(dú)的抽屜中，便于維修和維護(hù)。電源模塊負(fù)責(zé)提供速調(diào)管所需的各項(xiàng)電源，產(chǎn)生速調(diào)管工作所需的燈絲電壓，并可以將380 V電壓轉(zhuǎn)換為功放所需的8.8 kV高壓，提供速調(diào)管的束高壓，電源系統(tǒng)還能提供相位、頻率、電壓的故障指示。除此之外，電源系統(tǒng)還提供散熱風(fēng)扇等輔助系統(tǒng)所需要的電源供應(yīng)。

射頻系統(tǒng)是整個(gè)功放的核心部分，主要包括了輸入單元、速調(diào)管、頻道選擇和輸出單元，主要完成射頻信號的放大，將低電平的信號轉(zhuǎn)換為大功率的射頻信號，并通過波導(dǎo)饋送到天線，最終發(fā)射至衛(wèi)星信道傳輸。射頻部分包括兩個(gè)功放，第一功放主要提供射頻禁止的抑制功能，避免速調(diào)管因反射功率過大而損壞。第二功放將電平放大到速調(diào)管需要的電平，提供高增益的放大，其增益大約為35 dB。射頻控制板、前面板控制板、外部接口控制板通過CAN總線通信，對相應(yīng)部件進(jìn)行監(jiān)測和控制。冷卻系統(tǒng)使用冷卻風(fēng)機(jī)和機(jī)柜冷卻風(fēng)扇對速調(diào)管進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻。

CPI GEN IV 3 kW的速調(diào)管由燈絲、電子槍、漂移管、諧振腔和收集極組成，燈絲加熱激發(fā)陰極電子槍，產(chǎn)生均勻的電子流，電子流飛向控制柵極，控制柵極控制電子的方向使之聚焦成電子束，另一方面可以調(diào)節(jié)電子束的大小[4]。電子束由于受到加速電極上8.8 kV電壓的加速，產(chǎn)生一個(gè)高速電子束輸入諧振腔。速調(diào)管里包含5個(gè)諧振腔，第一個(gè)諧振腔為輸入腔，最后一個(gè)諧振腔為輸出腔，速調(diào)管的諧振腔通過間隙電場與電子束相互作用進(jìn)行能量交換。輸入腔中，外部饋入的激勵(lì)功率在諧振腔間隙建立起時(shí)變電場，對入射的直流電子束進(jìn)行調(diào)制，使之軸向速度發(fā)生變化。速調(diào)管的每個(gè)諧振腔可以帶來10 dB的增益，經(jīng)過速調(diào)管的調(diào)制信號最終的輸出功率可以達(dá)到3 kW。最后由收集極來完成電子束的收集，將剩余動能轉(zhuǎn)化為熱能，由速調(diào)管散熱風(fēng)扇通過風(fēng)冷的方式將熱量帶走。多年使用證明這款CPI GEN IV 3 KW型速調(diào)管高功放是一款性能優(yōu)秀、可靠性良好的設(shè)備。

3 固態(tài)功放（SSPA）

3.1 固態(tài)功放概述及模塊化固態(tài)功放

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，功率放大器固態(tài)化發(fā)展的趨勢明顯。由于固態(tài)放大器內(nèi)部沒有高電壓，所以固態(tài)放大器比起真空管放大器性能更加穩(wěn)定，具有使用可靠、維護(hù)便利、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字衛(wèi)星地面上行站發(fā)射系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。而且固態(tài)功率放大器具有更優(yōu)越的互調(diào)性能，具備功耗低和維護(hù)成本低、壽命長等特點(diǎn)，在很多場合，功率較低的SSPA將代替大功率的真空管功率放大器。固態(tài)功放的缺陷是單個(gè)模塊的輸出功率較小，單一模塊目前無法實(shí)現(xiàn)大功率的輸出，所以在需要大功率輸出的場合都是由多個(gè)微波器件并聯(lián)組成，采用功率合成技術(shù)，合成為大功率的輸出。這種功率合成的模式，帶來的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)功率模塊中的單一模塊出現(xiàn)故障不會影響功放的整體輸出，其中個(gè)別模塊的損壞，帶來輸出功率的減少，但不影響整體功放的工作狀態(tài)，對信號傳輸不會帶來實(shí)質(zhì)性的影響。以衛(wèi)星數(shù)字地面上行站常用的某固態(tài)功放為例，如圖2所示，單一模塊只有250 W的輸出功率，所以需要功率合成，也就需要設(shè)計(jì)多個(gè)獨(dú)立的模塊同時(shí)輸出。模塊化的設(shè)計(jì)方法，由若干個(gè)模塊構(gòu)成一個(gè)整體，當(dāng)某個(gè)模塊損壞時(shí)不會對系統(tǒng)整體的運(yùn)行造成影響，不會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)射功率失效。模塊化的設(shè)計(jì)，有效解決了高功放故障導(dǎo)致的停播問題。

這款固態(tài)功放系統(tǒng)包含了射頻放大系統(tǒng)和功率合成系統(tǒng)，射頻放大系統(tǒng)由場效應(yīng)管放大模塊組成，采用了基于砷化鎵（GaAs）材料的場效應(yīng)管放大器。砷化鎵場效應(yīng)管放大器是當(dāng)前市場應(yīng)用的主流元件，砷化鎵化合物半導(dǎo)體電子遷移率比傳統(tǒng)的硅快，且具有抗干擾、低噪聲與耐高電壓、耐高溫與高頻使用等特性，具有線性好的優(yōu)點(diǎn)，其工作頻率最高可以達(dá)到45 GHz左右，特別適合應(yīng)用于無線通信中的高頻傳輸領(lǐng)域。每個(gè)功率放大模塊之間既具有相對獨(dú)立性，又可在特殊情況下互相替換。4個(gè)模塊中可以隨時(shí)替換擔(dān)當(dāng)控制模塊，同時(shí)每個(gè)模塊均支持熱插拔，最大限度地保障了運(yùn)行安全和維護(hù)便捷。功率合成系統(tǒng)利用同相位信號合成原理，將4個(gè)場效應(yīng)管放大模塊的輸出功率合成輸出更大的功率。功率合成器不僅具有功率合成的功能，還可以保證各個(gè)功率放大器互相隔離，即當(dāng)其中某一個(gè)功率放大器損壞時(shí)，功放整體的狀態(tài)不會發(fā)生改變，合成輸出總功率變小，但是傳輸不會中斷[5]。

3.2 固態(tài)功放的優(yōu)勢和應(yīng)用價(jià)值

由于固態(tài)功放和速調(diào)管功放相比有更好的線性，通過多個(gè)功放模塊功率合成就可以達(dá)到替代比它功率大得多的行波管或速調(diào)管功率放大器的作用。它還可以通過內(nèi)部的多個(gè)功放模塊實(shí)現(xiàn)1∶N的備份，無需另外配置備份的功放，替代目前各地球站使用的1∶1備份結(jié)構(gòu)，所以采購的費(fèi)用大幅度降低。

這樣的設(shè)備配置對于電量的消耗大為降低，潛在的用電費(fèi)用節(jié)省降低明顯。固態(tài)功放的線性度要比起行波管和速調(diào)管功放好得多，所以可以替代功率大得多的行波管和速調(diào)管功放，對系統(tǒng)的購置和運(yùn)行維護(hù)都可以極大地降低成本。固態(tài)功放可以實(shí)現(xiàn)迅速的功率輸出，所以可以實(shí)現(xiàn)靜默狀態(tài)待機(jī)，待機(jī)狀態(tài)耗電很低，除了節(jié)電效用外，還可以帶來明顯的散熱損耗的節(jié)約，高功放機(jī)房的空調(diào)配置又可以減少很多，因此又帶來了衛(wèi)星數(shù)字地面上行站內(nèi)加熱、排風(fēng)和空調(diào)成本的降低[6]。

傳統(tǒng)的行波管、速調(diào)管放大器故障主要的影響器件就是行波管和速調(diào)管，由于存在高壓電源，所以故障率偏高，平均無故障壽命偏低。固態(tài)功放使用低電壓，不存在高電壓，工作壽命不存在不利因素，所以平均無故障時(shí)間大為延長。目前用作微波器件的GaAs場效應(yīng)管設(shè)計(jì)壽命在百萬小時(shí)以上，所以固態(tài)功放的整體可靠性遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)的行波管、速調(diào)管放大器[7]。

砷化鎵是半導(dǎo)體材料中兼具多方面優(yōu)點(diǎn)的材料，但用它導(dǎo)熱性差，不適宜制作大功率器件，所以固態(tài)功放的功率無法做到很大，限制了在大功率場合的應(yīng)用，大功率應(yīng)用需要多個(gè)模塊的合成使用。隨著合成模塊數(shù)目的增加，技術(shù)難度和費(fèi)用也急劇上升，因此并聯(lián)功率模塊的數(shù)目受到了一定的限制，輸出功率無法做得很大。但作為上行小功率放大器，固態(tài)高功放具有很強(qiáng)的競爭力。因此，和其他兩種功放相比較，固態(tài)功放具有互調(diào)性能良好、功耗低的特點(diǎn)，并且維護(hù)成本較低、壽命也相對較長，使得這種類型的功放在很多場合替代了大功率的真空管功率放大器，目前應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

4 結(jié)語

高功率放大器在衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸環(huán)節(jié)中的作用非常重要，直接關(guān)系到衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸鏈路的工作效率和穩(wěn)定性。為保障衛(wèi)星通信系統(tǒng)中廣播電視業(yè)務(wù)的正常傳輸，目前速調(diào)管功放以其大功率的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，而固態(tài)功放以其穩(wěn)定性逐步得到推廣，在很多衛(wèi)星數(shù)字地面上行站中作為備用高功放得到一席之地。