高功率放大器在卫星传输中的应用

时间：2024-07-28

赵国栋

（山东广播电视台山东济南 250199）

0 引言

目前，在广播电视信号的卫星传输中，经常使用的高功放设备主要有速调管功率放大器、行波管功率放大器和固态功率放大器3种类型。行波管功率放大器和速调管功率放大器输出功率较大，工作在高电压状态，经常为需要大功率上行的卫星数字地面上行站所采用。行波管功率放大器和固态功率放大器具有频带宽的特点，因此他们覆盖的发射频段宽，适合放大多个载波。3种功率放大器中，目前常用的速调管功率放大器输出功率上限值最大，固态功率放大器输出功率上限值较小。3种功放各具不同特点，在各自应用场景下具备不同应用模式，在卫星数字地面上行站中得到了广泛的应用。在山东卫星数字地面上行站，目前主要使用速调管功放和固态功放这两种高功放实现卫星节目的传输，下文对常用功放的具体工作特性进行介绍[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种，是通过电磁场与电子束发生能量交换使高频信号得以放大的微波真空器件，对于微波大功率放大而言，仍是一种高效的选择。行波管功放具有宽频带、高功率的放大特性，因此适用范围大，其带宽可达到500MHz，功率范围也大，可以实现几瓦至数千瓦的输出功率。行波管的高增益、高带宽的特性使得它在卫星数字地面上行站应用广泛，是卫星数字地面上行站的重要设备[2]。

1.2 行波管功放原理和过程

利用电子束与沿慢波系统行进的电磁波之间的连续相互作用来实现对电磁波的功率放大，行波管主要由电子枪、慢波系统和收集极组成，电子束穿过行波管的长慢波结构，与慢波电路中的微波场发生相互作用。在长达6～40个波长的慢波电路中，电子束连续不断地把动能交给微波信号场，从而使信号得到放大。在电子束穿越行波管的过程中，由于微波场的作用时间长，因此增益很高，典型行波管的增益在25～70 dB范围内。行波管也没有谐振腔，因此工作带宽较宽[3]。按照频带宽度的定义即频带高低两端频率之差与中心频率的比值，典型行波管功放的频带宽度可达100%以上，且低噪声行波管的噪声系数最低可达1～2dB。

1.3 行波管功放结构组成

行波管功放主要由电源和射频单元组成，电源的作用是为整个功放系统提供各级不同电压的电源，保证系统正常工作并提供电源电路的监测。射频单元完成射频信号的放大，主要由中功放、行波管和冷却系统组成，放大后的射频信号通过波导送至发射天线。行波管可以将输入的信号放大至几千瓦的水平，脉冲功率可以达到10千瓦甚至兆瓦，且通信卫星和电视直播卫星采用的行波管，工作寿命可达10年以上，特别适合用在卫星转发器这种工作环境中。

1.4 行波管功放特点

行波管功放的工作频带宽、增益高的特点，适宜于作为中、小功率的放大器，尤其是其宽频带、高效率、高增益的工作特性，在卫星转发器中得到了非常重要的应用。目前在卫星通信系统的转发器功放系统中，行波管成为关键的微波功率放大器件，特点是可靠性高﹑寿命长、效率高。

2 速调管功放（KPA）

2.1 速调管概述

速调管是利用周期性调制电子束速度来实现振荡或放大的微波电子管，速调管可用于广播电视的发射机和雷达等系统，具备功率大、增益高的优势，最大输出功率可达兆瓦量级，广播电视发射机中使用的速调管，输出功率可达数千瓦到数万瓦，工作频率可以涵盖整个微波波段。

2.2 速调管组成及原理

速调管是利用周期性调制电子束速度来实现振荡或放大的一种微波电子管。1937年，美国物理学家瓦里安，R.H.和S.F.瓦里安制出双腔速调管振荡器，这一发明最初用于航空雷达。速调管一般是由电子枪、漂移管、输入、输出腔及中间腔、收集极等几部分所构成，速调管首先对电子束进行速度调制，经漂移后转变为密度调制，然后群聚的电子块与输出腔隙缝的微波场交换能量，电子将动能交给微波场完成放大，其功率放大的原理见图1。大功率速调管的输出功率之大，是现有微波管中之最。整机的脉冲输出功率可达百余兆瓦，平均功率可达兆瓦级。

速调管加热灯丝，由电子枪产生电子流，电子流在控制栅极正电压的作用下，飞向控制栅极。控制栅极也起到电子流聚焦的作用。由于控制栅极的作用，电子流聚焦为电子束，电子束在经过高频互作用空间的时候，依旧可以保证不发散。电子束继续经过输入谐振腔，第一个为输入谐振腔，最后一个为输出谐振腔。除了输入和输出腔外，速调管还有多个中间腔。中间腔的作用是改善电子聚集过程，从而提高放大器的增益。输入谐振腔的输入频率基本与输入频率一致，激励信号经过输入耦合加入输入谐振腔，电子束在经过输入谐振腔的时候会受到激励信号的速度调制。在正半周期经过的电子将被加速，而在负半周期经过的电子将被减速。电子束中含有与输入激励信号周期一致的交流能量，呈现出一种密度调制的特征。电子束通过输出腔时，将它的部分动能转变为高频能量，高频信号在这个过程中得到放大。

2.3 速调管分类及应用

目前国内卫星数字地面上行站基本都配备美国CPI公司的GEN IV 3 kW大功率速调管高功放。它是一个五腔速调管功率放大器，C波段功放有24个预置通道，每一个预制通道的工作带宽为45 MHz，整个功放的频率范围为5 850 MHz～6 425 MHz。因此，它是一个窄带功率放大器，使用中要按照实际的工作频率选择一个合适的功放预置通道的频率进行适当调整。

CPI GEN IV 3 kW速调管高功放采用模块化设计，整个功放可分为射频模块、高压电源模块、分布式控制模块和冷却系统等4个模块组件，这种设计的优点是可以通过对单一模块的维护和维修提高设备的使用可靠性，并减轻维护工作的工作量。各个模块组件都安装在单独的抽屉中，便于维修和维护。电源模块负责提供速调管所需的各项电源，产生速调管工作所需的灯丝电压，并可以将380 V电压转换为功放所需的8.8 kV高压，提供速调管的束高压，电源系统还能提供相位、频率、电压的故障指示。除此之外，电源系统还提供散热风扇等辅助系统所需要的电源供应。

射频系统是整个功放的核心部分，主要包括了输入单元、速调管、频道选择和输出单元，主要完成射频信号的放大，将低电平的信号转换为大功率的射频信号，并通过波导馈送到天线，最终发射至卫星信道传输。射频部分包括两个功放，第一功放主要提供射频禁止的抑制功能，避免速调管因反射功率过大而损坏。第二功放将电平放大到速调管需要的电平，提供高增益的放大，其增益大约为35 dB。射频控制板、前面板控制板、外部接口控制板通过CAN总线通信，对相应部件进行监测和控制。冷却系统使用冷却风机和机柜冷却风扇对速调管进行强制风冷冷却。

CPI GEN IV 3 kW的速调管由灯丝、电子枪、漂移管、谐振腔和收集极组成，灯丝加热激发阴极电子枪，产生均匀的电子流，电子流飞向控制栅极，控制栅极控制电子的方向使之聚焦成电子束，另一方面可以调节电子束的大小[4]。电子束由于受到加速电极上8.8 kV电压的加速，产生一个高速电子束输入谐振腔。速调管里包含5个谐振腔，第一个谐振腔为输入腔，最后一个谐振腔为输出腔，速调管的谐振腔通过间隙电场与电子束相互作用进行能量交换。输入腔中，外部馈入的激励功率在谐振腔间隙建立起时变电场，对入射的直流电子束进行调制，使之轴向速度发生变化。速调管的每个谐振腔可以带来10 dB的增益，经过速调管的调制信号最终的输出功率可以达到3 kW。最后由收集极来完成电子束的收集，将剩余动能转化为热能，由速调管散热风扇通过风冷的方式将热量带走。多年使用证明这款CPI GEN IV 3 KW型速调管高功放是一款性能优秀、可靠性良好的设备。

3 固态功放（SSPA）

3.1 固态功放概述及模块化固态功放

随着半导体技术的发展，功率放大器固态化发展的趋势明显。由于固态放大器内部没有高电压，所以固态放大器比起真空管放大器性能更加稳定，具有使用可靠、维护便利、能耗低的优点，在数字卫星地面上行站发射系统中得到了广泛应用。而且固态功率放大器具有更优越的互调性能，具备功耗低和维护成本低、寿命长等特点，在很多场合，功率较低的SSPA将代替大功率的真空管功率放大器。固态功放的缺陷是单个模块的输出功率较小，单一模块目前无法实现大功率的输出，所以在需要大功率输出的场合都是由多个微波器件并联组成，采用功率合成技术，合成为大功率的输出。这种功率合成的模式，带来的一个优点是多个功率模块中的单一模块出现故障不会影响功放的整体输出，其中个别模块的损坏，带来输出功率的减少，但不影响整体功放的工作状态，对信号传输不会带来实质性的影响。以卫星数字地面上行站常用的某固态功放为例，如图2所示，单一模块只有250 W的输出功率，所以需要功率合成，也就需要设计多个独立的模块同时输出。模块化的设计方法，由若干个模块构成一个整体，当某个模块损坏时不会对系统整体的运行造成影响，不会导致系统发射功率失效。模块化的设计，有效解决了高功放故障导致的停播问题。

这款固态功放系统包含了射频放大系统和功率合成系统，射频放大系统由场效应管放大模块组成，采用了基于砷化镓（GaAs）材料的场效应管放大器。砷化镓场效应管放大器是当前市场应用的主流元件，砷化镓化合物半导体电子迁移率比传统的硅快，且具有抗干扰、低噪声与耐高电压、耐高温与高频使用等特性，具有线性好的优点，其工作频率最高可以达到45 GHz左右，特别适合应用于无线通信中的高频传输领域。每个功率放大模块之间既具有相对独立性，又可在特殊情况下互相替换。4个模块中可以随时替换担当控制模块，同时每个模块均支持热插拔，最大限度地保障了运行安全和维护便捷。功率合成系统利用同相位信号合成原理，将4个场效应管放大模块的输出功率合成输出更大的功率。功率合成器不仅具有功率合成的功能，还可以保证各个功率放大器互相隔离，即当其中某一个功率放大器损坏时，功放整体的状态不会发生改变，合成输出总功率变小，但是传输不会中断[5]。

3.2 固态功放的优势和应用价值

由于固态功放和速调管功放相比有更好的线性，通过多个功放模块功率合成就可以达到替代比它功率大得多的行波管或速调管功率放大器的作用。它还可以通过内部的多个功放模块实现1∶N的备份，无需另外配置备份的功放，替代目前各地球站使用的1∶1备份结构，所以采购的费用大幅度降低。

这样的设备配置对于电量的消耗大为降低，潜在的用电费用节省降低明显。固态功放的线性度要比起行波管和速调管功放好得多，所以可以替代功率大得多的行波管和速调管功放，对系统的购置和运行维护都可以极大地降低成本。固态功放可以实现迅速的功率输出，所以可以实现静默状态待机，待机状态耗电很低，除了节电效用外，还可以带来明显的散热损耗的节约，高功放机房的空调配置又可以减少很多，因此又带来了卫星数字地面上行站内加热、排风和空调成本的降低[6]。

传统的行波管、速调管放大器故障主要的影响器件就是行波管和速调管，由于存在高压电源，所以故障率偏高，平均无故障寿命偏低。固态功放使用低电压，不存在高电压，工作寿命不存在不利因素，所以平均无故障时间大为延长。目前用作微波器件的GaAs场效应管设计寿命在百万小时以上，所以固态功放的整体可靠性远胜于传统的行波管、速调管放大器[7]。

砷化镓是半导体材料中兼具多方面优点的材料，但用它导热性差，不适宜制作大功率器件，所以固态功放的功率无法做到很大，限制了在大功率场合的应用，大功率应用需要多个模块的合成使用。随着合成模块数目的增加，技术难度和费用也急剧上升，因此并联功率模块的数目受到了一定的限制，输出功率无法做得很大。但作为上行小功率放大器，固态高功放具有很强的竞争力。因此，和其他两种功放相比较，固态功放具有互调性能良好、功耗低的特点，并且维护成本较低、寿命也相对较长，使得这种类型的功放在很多场合替代了大功率的真空管功率放大器，目前应用范围不断扩大。