高功率放大器在衛星通信中的應用

劉記都，楊 健，仲 成

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

0 引 言

高功率放大器是實現地基上行鏈路的重要器件，其作用是將被基帶調制后的射頻（Radio Frequency，RF）信號放大至一定的能量，再通過饋線傳輸至衛星。過去，衛星通信使用的高功率放大器都為微波電子管，如速調管放大器、行波管放大器以及場效應管放大器等，隨著微波晶體管技術的發展，越來越多的固態放大器被應用在衛星通信。

1 速調管功放

1.1 概 述

速調管是一種通過對電子束速度進行周期調節而實現振動或放大的微波電子管，可以廣泛應用于廣播電視的發射機、雷達等系統，具有功率大、增益強等優點，最大輸出功率可達兆瓦級別。在廣播電視發射機中所采用的速調管，輸出功率從數千瓦到數萬瓦不等，其工作頻帶范圍也可以覆蓋全微波波段。

1.2 組成及原理

速調管是一種利用周期性調整電子束的電流實現振動與放大效應的微波電子管。1937 年，美國的物理學家拉塞爾·瓦里安和西格德·瓦里安發明了可應用于航空雷達的雙空腔速調管振動器。速調管通常由電子槍、漂移管、輸入腔、輸出腔、中間腔以及收集極等部分構成。速調管先對電子束進行速度調制，經過漂移后轉變為密度調制。群聚電子塊與輸出腔隙縫的微波場進行能量交換，通過微波場實現動能放大。速調管的組成如圖1 所示。

圖1 速調管的組成

電子槍通過速調管內加熱會發射出一股電流，再外加一個正壓，電流就會流向控制門。借助操控閘將電子聚集，形成完整的電子束，即便在高速運轉的狀態下，也絲毫不會散開。該設備除了具備一個輸入室和一個輸出室，還有若干個中間室。在此基礎上，引入新的過渡態電子，可以增強其在傳輸過程的團聚作用，從而提升其傳輸性能。當一個電子在一個正向循環中運動時，會加快速度；當其在一個負向循環中運動時，速度會變慢。研究發現，這種新型的電子束所產生的交流電流與它所處的激勵波形的周期一致，表現出很強的密度調制特征。

1.3 應 用

目前，國際上大部分衛星通信地面接收機均使用美國西匹埃工程服務公司所研制的GENIV 型3 kW速調管高功率放大器，其工作于C 頻段，設計了24個預先設定的信道，每個信道具有45 MHz的工作頻帶，整體工作頻帶為5 850 ～6 425 MHz。該功率放大器屬于窄頻功率放大器，在使用時要依據工作的具體條件，適當調整其預定的信道頻率。3 kW 速調管高功率放大器包括4 個模塊，即射頻模塊、高壓電源模塊、分布式控制模塊以及制冷系統。此結構的優點是只需對單一組件進行簡單的維護，便能提高裝置的運行可靠性，并減少裝置的維護工作量。此外，各模塊可單獨放置于獨立的儲物柜，便于維護。多年的生產實踐證明，GENIV 型3 kW 系列大功率放大電路性能優異，工作穩定。

2 行波管功率放大器

2.1 發展現狀

行波管放大器（Raveling-Wave Tube Amplifier，TWTA）由行波管（Traveling Wave Tube，TWT）與行波管電源（Electronic Power Conditioner，EPC）2 部分組成。空間TWTA作為一種用于星載通信的末級器件，其保密程度較高，在星載通信領域的發展前景十分廣闊[1]。其詳細參數如表1 和表2 所示。

表1 不同廠家空間TWT 典型產品參數

表2 空間EPC 典型產品參數

由表1 和2 可知，EPC 的研發主要集中在L-3和THALES 這2 家公司身上，而空間TWT 的使用年限已經超過了15 年，即使是使用20 年，也是非常可靠的。相關資料顯示，我國從20 世紀70 年代便開始對空間行波管放大器進行探索，經過多年努力，現已設計實現了多個頻率范圍內的空域行波放大器。以在導航衛星上采用的太空TWTA 為例，代表性產品參數如表3、表4 所示。

表3 太空TWT 典型產品參數

表4 太空EPC 典型產品參數

經過對比可知，國內的空間行波管放大器在性能上仍有較大的改進空間。

2.2 應用與發展

美國的全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯的“格洛納斯”（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、歐洲的“伽利略”（Galileo Satellite Navigation System，GSNS）以及中國的“北斗星”（Beidou Navigation Satellite，BDS）都采用了L波段、S 波段、C 波段以及Ka 波段的空間行波管放大器，其輸出功率增長至近200 W，輸出功率和效率的需求也越來越大[2]。

目前，我國空間行波管放大器在L 波段已經取得200 W 連續輸出，轉換效率超過55 %，使用壽命超15 年，其主要有以下特點。一是更高的輸出功率，從150 W 提高到200 W，甚至250 W；二是更高的效率，效率由之前的55%提高至60%～65%；三是使用年限較久，行波放大裝置的使用年限超過20 年；四是各項指數線性化，實現了3 次交叉調制和相移指數的線性化，降低了信號畸變率和信號損耗；五是行波放大器的微型化；六是開發可調功率的行波放大器，能夠進行在軌功率調節，并根據在軌操作模式的不同做出相應的改變，對其輸出功率進行調節，能夠保證最大效率地工作；七是發展“一帶多”型行波放大器，一個高壓電源負責多個行波放大器，從而節省了在衛星上的裝設面積，有利于太空電源的空間合成；八是寬帶空間行波放大器能與寬帶天線匹配，工作于多種工作頻段，完成多種工作頻段的同步定位和信號傳輸。

3 固態功放

3.1 概 述

目前，固體功放是一種新的發展方向。固態功放（Solid State Power Amplifier，SSPA）是指使用功率管（晶體管）作為功放元件的功率放大器。相比于傳統的微波電子管放大器，固態功放具有體積小、重量輕、效率高、無過沖、無過壓、無過熱、線性度好、失真度低以及可工作在高動態范圍等顯著特點。

傳統的有源功放一般采用分立元件作為功率放大器的開關元件，但存在尺寸大、質量重、效率低等缺陷。由于采用分立元件設計，使得功放在使用時的可靠性降低[3]。而固態功放就是采用晶體管作為功率放大器開關器件，將晶體管集成在一個芯片，既減小了體積、重量、功耗，又提高了功放回路的穩定性。

固體功率放大器的放大部分由多個場效應晶體管（Field-Effect Transistor，FET）構成，目前市面上的主要設備為GaAs FET 放大器。FET 放大器具有更高的電導率、更強的抗干擾能力以及更低的噪聲，更耐高壓和高溫，應用范圍廣泛。同時具有更好的線性度，工作頻率可達45 GHz，尤其適用于高頻率的無線通信。

實際應用中，為了提升功率，一臺固態高功放中會含有多個功率放大模塊，將其并聯組合，接著通過功率合成器把多個功放模組的輸出功率疊加在一起，這樣功率合成器不僅可以發揮功率合成的作用，還可以保證每一個功率放大模塊之間的相互隔離。當其中一個功率放大模塊出現問題時，固態功放整體的狀態不會改變，合成輸出總功率會變小，但不會被打斷[4]。各個功率放大模塊之間既有一定的獨立性，又有一定的互換性。多塊模塊可相互替換，大大提高了運行的安全性和維護的方便性。這種模塊化的設計提升了功率的上限，同時提高了固態功放的整體可靠性。

3.2 應用價值

將固態功率放大器與微波管功率放大器對比后，可明顯看出固態功放具有良好的線性度。將多個功率模塊并聯輸出，就能起到代替遠大于其功率的行波管或速調管功放的效果。同時，可以利用內置的多個功率模塊來完成“1 ∶N”備用架構，無須額外的備用功率放大器，取代了當前各個地球站采用的“1 ∶1”備用架構，從而大大降低采購成本，維修的便捷性也有了顯著的提高。

行波管與速調管是常見的故障元件，其故障概率較高。微波管功率放大器使用的是高壓電源，因此需要重點關注高壓打火等問題。在操作與維修時，也要時刻注意高壓問題。固態功率放大器電源模塊輸出通常為低壓電，整個設備更穩定可靠，操作與維修時也更安全[5]。

4 結 論

對比速調管功放、行波管功放、固態功放可知，速調管功放與行波管功放的輸出功率更大。固態功放具有更好的互調特性，且能耗較低，使用壽命也較長。隨著科學技術的不斷發展，當固態功放能實現功率無限制增加時，固態功放將會全面取代傳統的速調管功放與行波管功放，應用領域也會更加廣泛，在衛星通信中的應用也會更加普遍。