行波管功率放大器在衛星地球站的應用

摘要：概述了目前衛星地球站常用的高功率放大器的種類(lèi)，對CPI VZC-696585行波管功率放大器工作原理和性能特點(diǎn)作一介紹。
關(guān)鍵詞：大功率；行波管；行波管功率放大器

0 引言
經(jīng)調制和上變頻后的廣播電視信號，通過(guò)功率放大高功率放大器進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)天線(xiàn)發(fā)射到衛星上。高功率放大器是衛星地球站上行系統的關(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。
目前衛星地球站高功率放大器分為三大類(lèi)：速調管高功率放大器(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較少的場(chǎng)合，在放大多個(gè)載波時(shí)，為了使交調產(chǎn)物控制在規定值內，放大器應工作在線(xiàn)性區，即功率不能用足，需要有一定的補償量，補償量視載波數量的多少，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-696585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(guò)電磁場(chǎng)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，行波管是靠連續調制電子注的速度來(lái)實(shí)現放大功能的微波電子管。行波管在結構上包括電子槍、慢波電路、集中衰減器、能量耦合器、聚焦系統和收集極等部分。在行波管中，電子注與慢波電路中的微波場(chǎng)發(fā)生相互作用。微波場(chǎng)沿著(zhù)慢波電路向前行進(jìn)。為了使電子注同微波場(chǎng)產(chǎn)生有效的相互作用，電子的直流運動(dòng)速度應比沿慢波電路行進(jìn)的微波場(chǎng)的相位傳播速度(相速)略高，稱(chēng)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(chǎng)。電子注進(jìn)入慢波電路相互作用區域以后，首先受到微波場(chǎng)的速度調制。電子在繼續向前運動(dòng)時(shí)逐漸形成密度調制。大部分電子群聚于減速場(chǎng)中，而且電子在減速場(chǎng)滯留時(shí)間比較長(cháng)。因此，電子注動(dòng)能有一部分轉化為微波場(chǎng)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-4596585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(guò)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控功能。

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、輸出波導網(wǎng)絡(luò )、TWT制冷系統和前面板控制器組成，其設備組成框圖如圖2所示。

來(lái)自上變頻器的低電平射頻激勵信號加到射頻輸入口，射頻輸入信號先通過(guò)一個(gè)同軸隔離器(HY1)，使輸入駐波比達到最小值，同軸隔離器輸出的信號經(jīng)過(guò)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，從而調節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輸入功率監測耦合器和一個(gè)激勵功率監測耦合器。固態(tài)中功率功放大器的輸出信號通過(guò)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)集成的波導電弧檢測器，當行波管波導中出現電弧時(shí)，該檢測器會(huì )產(chǎn)生一個(gè)光響應信號，會(huì )迅速切斷固態(tài)中功放的射頻激勵信號，從而熄滅電弧。波導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輸出功率監測口提供信號，另一個(gè)前向通道和反射功率耦合口通過(guò)射頻監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)單獨的機箱，主要是給整個(gè)系統提供高低壓及實(shí)現對功放的控制，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)
高功率放大器是衛星地球站上行系統的關(guān)鍵部件，行波管沒(méi)有采用速調管的獨立諧振腔結構，因此具有頻帶寬的特點(diǎn)，頻率范圍為5.85～6.65GHz；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2．25kW，是地球站抗惡意干擾的有效武器。
CPI VZC-696585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。
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，CPIVZC-696585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45％。

4 結束語(yǔ)
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)現幾瓦至數千瓦的輸出功率，適用范圍很廣，特別是在地球站高頻、寬帶、大功率應用領(lǐng)域，行波管功率放大器具有其它類(lèi)型功放不可替代的優(yōu)勢。