黃慶云，蔡東山，黃慶生，姜秉航，黃慶彩

（1.國家廣電總局北京地球站，北京102206;2.國家廣電總局542臺，北京102445;3.太原科技大學(xué)，山西太原 030024）

0 引言

經(jīng)調(diào)制和上變頻后的廣播電視信號，通過功率放大高功率放大器進行放大，然后經(jīng)過天線發(fā)射到衛(wèi)星上。高功率放大器是衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)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(wèi)星地球站高功率放大器分為三大類: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），這三種功放各有特點，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發(fā)射頻段，可以同時放大多個載波，適用于不時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(shù)較少的場合，在放大多個載波時，為了使交調(diào)產(chǎn)物控制在規(guī)定值內(nèi)，放大器應(yīng)工作在線性區(qū)，即功率不能用足，需要有一定的補償量，補償量視載波數(shù)量的多少，一般在4～7 dB之間，因此，需要放大多個載波時，應(yīng)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-6965B5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，是通過電磁場與電子注發(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(xù)調(diào)制電子注的速度來實現(xiàn)放大功能的微波電子管。行波管在結(jié)構(gòu)上包括電子槍、慢波電路、集中衰減器、能量耦合器、聚焦系統(tǒng)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發(fā)生相互作用。微波場沿著慢波電路向前行進。為了使電子注同微波場產(chǎn)生有效的相互作用，電子的直流運動速度應(yīng)比沿慢波電路行進的微波場的相位傳播速度（相速）略高，稱為同步條件。輸入的微波信號在慢波電路建立起微弱的電磁場。電子注進入慢波電路相互作用區(qū)域以后，首先受到微波場的速度調(diào)制。電子在繼續(xù)向前運動時逐漸形成密度調(diào)制。大部分電子群聚于減速場中，而且電子在減速場滯留時間比較長。因此，電子注動能有一部分轉(zhuǎn)化為微波場的能量，從而使微波信號得到放大。

2 行波管功率放大器介紹

CPI VZC-6965B5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，同時完成對射頻部分的監(jiān)控功能。

圖1 射頻單元與電源單元的連接圖

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(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、TWT制冷系統(tǒng)和前面板控制器組成，其設(shè)備組成框圖如圖2所示。

圖2 射頻單元連接圖

來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一個同軸隔離器（HY1），使輸入駐波比達到最小值，同軸隔離器輸出的信號經(jīng)過固定衰減器，進入固態(tài)中功率放大器（SSIPA），固態(tài)中功率放大器對RF信號進行初級放大，固態(tài)中功率功放大器包括一個集成的衰減器，這個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(diào)節(jié)放大器的輸出功率電平。固態(tài)中功率放大器還包括一個RF輸入功率監(jiān)測耦合器和一個激勵功率監(jiān)測耦合器。固態(tài)中功率功放大器的輸出信號通過一個匹配隔離器和一個衰減器進入行波管，SSIPA和行波管將提供至少76 dB的增益。輸出組件包括一個集成的波導(dǎo)電弧檢測器，當(dāng)行波管波導(dǎo)中出現(xiàn)電弧時，該檢測器會產(chǎn)生一個光響應(yīng)信號，會迅速切斷固態(tài)中功放的射頻激勵信號，從而熄滅電弧。波導(dǎo)電弧檢測的輸出端接一個三口環(huán)形器，它有吸收反射功率的等效負(fù)載，環(huán)形器的輸出接一個諧波濾波器，能將諧波輸出限制在至少-60dBc，諧波濾波器輸出接一個三通道定向耦合器，它有兩個前向通道和一個反射功率耦合口，其中一個前向通道給前面板RF輸出功率監(jiān)測口提供信號，另一個前向通道和反射功率耦合口通過射頻監(jiān)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單獨的機箱，主要是給整個系統(tǒng)提供高低壓及實現(xiàn)對功放的控制，行波管是一個高壓放大器件，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

高功率放大器是衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，行波管沒有采用速調(diào)管的獨立諧振腔結(jié)構(gòu)，因此具有頻帶寬的特點，頻率范圍為5.85～6.65 GHz;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2.25 kW，是地球站抗惡意干擾的有效武器。

CPI VZC-6965B5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放大鏈路的噪聲系數(shù)。

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，CPI VZC-6965B5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(jié)束語

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現(xiàn)幾瓦至數(shù)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(yīng)用領(lǐng)域，行波管功率放大器具有其它類型功放不可替代的優(yōu)勢。

［1］David M.Pozar.微波工程［M］.第3版.張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］Communication＆ Power Industries.2.25 kW TWT High Power Amplifier Service Manual［Z］.Doc.0102576500 Rev.4