行波管功率放大器在卫星地球站的应用

摘要：概述了目前卫星地球站常用的高功率放大器的种类，对CPI VZC-696585行波管功率放大器工作原理和性能特点作一介绍。
关键词：大功率；行波管；行波管功率放大器

0 引言
    经调制和上变频后的广播电视信号，通过功率放大高功率放大器进行放大，然后经过天线发射到卫星上。高功率放大器是卫星地球站上行系统的关键部件，其性能的好坏对上行链路信号的质量影响很大。
    目前卫星地球站高功率放大器分为三大类：速调管高功率放大器(KHPA)、行波管高功率放大器(TWTA)和固态高功率放大器(SSPA)，这三种功放各有特点，使用要求也不相同。行波管高功率放大器和固态高功率放大器可覆盖整个发射频段，可以同时放大多个载波，适用于不时更换频率的多载波业务；其中，固态高功率放大器适用于载波数较少的场合，在放大多个载波时，为了使交调产物控制在规定值内，放大器应工作在线性区，即功率不能用足，需要有一定的补偿量，补偿量视载波数量的多少，一般在4～7 dB之间，因此，需要放大多个载波时，应选用额定功率较大的行波管高功率放大器，本文就以型号为CPI VZC-696585行波管高功率放大器做一介绍。

1 行波管的工作原理
    行波管放大器，是通过电磁场与电子注发生能量交换使高频信号得以放大的微波真空器件，行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。行波管在结构上包括电子枪、慢波电路、集中衰减器、能量耦合器、聚焦系统和收集极等部分。在行波管中，电子注与慢波电路中的微波场发生相互作用。微波场沿着慢波电路向前行进。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用，电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的微波场的相位传播速度(相速)略高，称为同步条件。输入的微波信号在慢波电路建立起微弱的电磁场。电子注进入慢波电路相互作用区域以后，首先受到微波场的速度调制。电子在继续向前运动时逐渐形成密度调制。大部分电子群聚于减速场中，而且电子在减速场滞留时间比较长。因此，电子注动能有一部分转化为微波场的能量，从而使微波信号得到放大。

2 行波管功率放大器介绍
    CPI VZC-4596585的行波管高功率是由射频单元和电源单元两部分组成，它们之间的连接框图如图1所示，三相电源从射频单元输入，它再通过接口J10将三相交流电源馈送给电源部分，电源部分提供给射频部分高、低压，同时完成对射频部分的监控功能。

2．1 射频单元
    射频单元主要由TWT行波管、带有RF衰减器的SSIPA、输出波导网络、TWT制冷系统和前面板控制器组成，其设备组成框图如图2所示。

    来自上变频器的低电平射频激励信号加到射频输入口，射频输入信号先通过一个同轴隔离器(HY1)，使输入驻波比达到最小值，同轴隔离器输出的信号经过固定衰减器，进入固态中功率放大器(SSIPA)，固态中功率放大器对RF信号进行初级放大，固态中功率功放大器包括一个集成的衰减器，这个衰减器能提供最小为20 dB的增益，改变行波管放大器的输入电平，从而调节放大器的输出功率电平。固态中功率放大器还包括一个RF输入功率监测耦合器和一个激励功率监测耦合器。固态中功率功放大器的输出信号通过一个匹配隔离器和一个衰减器进入行波管，SSIPA和行波管将提供至少76 dB的增益。输出组件包括一个集成的波导电弧检测器，当行波管波导中出现电弧时，该检测器会产生一个光响应信号，会迅速切断固态中功放的射频激励信号，从而熄灭电弧。波导电弧检测的输出端接一个三口环形器，它有吸收反射功率的等效负载，环形器的输出接一个谐波滤波器，能将谐波输出限制在至少-60dBc，谐波滤波器输出接一个三通道定向耦合器，它有两个前向通道和一个反射功率耦合口，其中一个前向通道给前面板RF输出功率监测口提供信号，另一个前向通道和反射功率耦合口通过射频监测器连接到射频功率测量组件。
2．2 电源单元
    行波管高功放的电源部分是一个单独的机箱，主要是给整个系统提供高低压及实现对功放的控制，行波管是一个高压放大器件，电源是TWTA高功放工作的关键。

3 行波管功率放大器性能特点
    高功率放大器是卫星地球站上行系统的关键部件，行波管没有采用速调管的独立谐振腔结构，因此具有频带宽的特点，频率范围为5.85～6.65GHz；在高电压、大电流状态下工作，可以获得比固态放大器高得多的输出功率，在6 GHz工作频段，额定输出功率可达2．25kW，是地球站抗恶意干扰的有效武器。
    CPI VZC-696585的行波管高功率放大器采用固态中功率放大器作为激励器，一方面降低了行波管的增益要求，有助于提高效率、减少体积与重量；另一方面可极大地降低整个放大链路的噪声系数。
    由于固态中功率放大器的引入，降低了行波管的增益要求，这不仅增强了其宽带功率的能力，而且降低了对电压的要求，提高了可靠性。
    此外，行波管的散热能力要比固态放大器大得多，CPIVZC-696585的行波管高功率放大器采用多级降压收集极回收部分电子注能量，可极大地提高行波管的效率，效率可达45％。

4 结束语
    综上所述，行波管功率放大器具有宽频带、高功率的放大特性，可覆盖C波段800 MHz带宽，增益约为80 dB。行波管功率放大器可以实现几瓦至数千瓦的输出功率，适用范围很广，特别是在地球站高频、宽带、大功率应用领域，行波管功率放大器具有其它类型功放不可替代的优势。