卫星传输系统高功率放大器综述

梁卫东

内蒙古新闻出版广电局501台 内蒙古 呼和浩特市 010070

引 言

卫星地球站的上变频器输出的高频载波信号功率仅能达到毫瓦级，按照总局关于地球站实施细则的要求，在不影响其他上行站正常运行的情况下，各站的EIRP值应大于等于83dBW，假设使用12m天线（增益为56.1）时，按照上行波导损耗为3dB，高功放法兰盘输出功率按1000W（30.0dBW）计算，上行系统EIRP才能达到83.1dBW，因此高功放最低输出功率要达到1000W，来产生大功率微波信号向卫星发射，从毫瓦级到1000W，增益至少需要70dB，此时必须使用大功率、高功率放大器才能满足要求。

卫星传输链路中使用的高功率放大器有以下几种：行波管高功率放大器，英文简称TWTA；速调管高功率放大器，英文简称KHPA；固态高功率放大器，英文简称SSPA，下面将分别介绍。

1 行波管功率放大器

行波管功率放大器（以下简称行波管）的电子枪在9KV直流高压电场的作用下，可以发出高能量、高速飞行的电子束。电子枪中阴极之后设置了控制极和阳极，可以使电子束聚焦并加速，在控制级和阳极加了不同的电压，利用电压值改变能调整电子束强度、聚焦程度和发射速度。

1.1 慢波系统

慢波系统是行波管的基础，它利用一段双导体同轴线，内导线卷成螺旋线形状，固定在管子的内部；它的外导体是一段金属管子，构成了行波管的壳体。慢波系统的主要功能是降低输入电磁波沿螺旋线轴向的行进速度。聚焦系统可以解决电子束在行进中的聚焦问题，通过聚焦系统产生的均匀的轴向磁场，使电子束达到聚焦。磁场通常利用永久磁铁产生，多数采用一系列极性交错排列的磁性瓷环所构成的周期性永磁聚焦系统。

行波管的输入、输出接口可以是同轴接头形式或波导形式，输入大都为同轴接头形式，输出为波导形式。同轴线的内导体连接到慢波螺旋线上，外面的导体直接与管壳相连接。输入放大的信号经输入端送入管内，经放大后的大功率信号由输出端输出。行波管的收集极是用来收集残余电子束的电子。为了防止收集极受电子轰击而温度过高，收集极通过大型风机进行散热。

1.2 行波管系统工作原理

当高频电磁波由输入同轴线进到行波管后，会与沿螺旋线飞越的电子束相互作用，由此获得电子束的动能来对电磁波进行放大。为确保最大程度地放大电磁波，就应该使它从电子束中获得尽可能多的能量，也就是要使电磁波与电子束互相作用的时间要长一些，这就需要使电子束的速度与电波沿着螺旋线的传播速度相近才可以。然而电磁波沿导线传播的速度是光速，电子在一般电源所能给出的电压（大约为几千伏）的作用下，其运动速度要比光速小的多。为此，就设立了一套慢波系统，使电波沿行波管轴向的行进速度降到和电子运动的速度差不多，以实现电波能量最大程度转化。慢波系统的螺旋线通常为钼丝制成。电子沿着慢波系统的轴向作直线运动，而电磁波则要沿螺旋线旋转着前进，它旋转一周时，在轴线方向只前进一个螺旋的节距，此时，慢波系统将电磁波沿轴线的传播速度降低了许多。适当地选择螺旋线的结构和尺寸，就可以使电波沿轴线传播的速度接近于电子沿轴线方向的运动速度。这样，电波和电子束的速度齐头并进，电波通过不断地从电子束中获得能量使自己壮大，确保了信号能得到最大程度放大。行波管放大器最大优点是带宽宽，目前达到1225MHz，而速调管的单通道带宽最大仅有80MHz，相差甚远。行波管输出功率可以达到2.25KW，增益70～80dB。速调管最大输出功率为3.35KW,增益为77dB。如图1所示。

图1 行波管原理结构

行波管既可以在卫星上行站放大信号使用，亦可在卫星上使用，卫星上行站的行波管要求宽频带，大功率，而星载行波管要求宽频带、高可靠、长寿命、高效率、小功率，C波段最大功率为84W，Ku波段最大功率为210W，大部分功率为150W。

对转发器用行波管来说，主要的特性参数是增益、效率和调幅——调相变换特性以及输出功率。输出功率和输入功率的比值为行波管的增益，一般用分贝表征。30dB就可以放大一千倍，50dB可以放大十万倍。行波管的增益主要决定于螺旋线的长度、螺旋线电压和行波电场的强度。

行波管的效率是指输出的高频信号功率与输入的直流总功率之比，常以百分数表示。即假设行波管输出的高频信号功率为12W，而直流输入总功率≥20W，那么这个行波管的效率即为60%。效率越高所消耗的直流电源功率越小，发射机就可以做得小一些。当前卫星的行波管效率可达73%左右，这就是说，高能电子束把直流电源获得的能量仅有73%转化为高频信号，而其余的27%左右以热能形式消耗掉了。

行波管的调幅——调相变换系数，是指输入高频信号幅度的变化量与所引起的输出信号的相位的变化量之比。可以这样来理解行波管的调幅——调相变换效应：如果输入到行波管的高频信号幅度有一个变化量，这就意味着进入行波管的高频电磁场的强度发生了变化，从而影响了电子束中电子群聚的状态。具体地说，使电子的运动速度受到了调制，而这种具有速度调制的电子束又反过来影响高频输出信号的相位，而且相位的变化是不均匀的，结果使输出信号产生相位非线性失真。

行波管的输出功率是指饱和输出功率或最大线性输出功率，以瓦或分贝瓦表示。行波管的输出功率就是空间转发器的输出功率，当转发器输出以有效辐射功率表示时，就等于行波管输出功率（分贝瓦）加上卫星天线增益（分贝）。

2 速调管功率放大器

速调管腔体出厂时预制了不同的频率通道（一般为24通道，覆盖整个C波段500MHz卫星上行频率），调整输入腔使其谐振于信号输入的频率，通过栅网处后会激发起来高频电场，时间上先后进来的电子群受到电场的作用会加速或者减速（正半轴加速，负半轴减速），此时在交变电场是零的时候电子群速度不变，完成了在输入腔的速度调制。

进入漂移空间后，因为电子的速度不一样，有快有慢，速度快的就会赶上速度慢的电子，会使电子疏密不同，产生了群聚，输入腔出来的均匀电子束，在此产生了疏密不同的电子团，这一过程中会使直流变成了交流分量。这一系列的群聚现象称之为就行了密度调制。

在输出腔会激起高频电子流，输出腔也是谐振于信号输入频率，在栅网间再次建立起高频电场。此电场和过来的电子互相作用，在负半轴的多数电子构成的电子团正好碰到减速电场，此时电子动能会降低，它的能量被转化到微波场，在加速电场的正半轴电子数比较少，只有从中吸收到了较少的微波能量，最后使微波场放大而被输出，完成信号放大，这一过程实现了能量交换。输入信号进入输入腔完成速度调制，在漂移空间完成密度调制，最后在输出腔完成能量交换。未有效转换的电子，在收集极设置了多极收集装置，分别收集不同能级的电子。收集过程会产生大量的热量，须使用风机将集聚的热量带走，同时要求使用大型空调降低环境温度。如图2所示。

图2 速调管原理结构

在实际运用中，行波管和速调管的工作状态有单载波输入和多载波输入两种情形。当在单载波信号输入时，管子的工作点可以选在输入和输出特性的饱和区域。这样可以得到最大的输出功率和效率。

不管是行波管还是速调管输出信号幅度与输入信号幅度并不是始终保持着线性关系。输入的高频信号较小时，输出的载波功率随输入的载波功率成比例地增长，此时行波管的增益基本上是恒定不变的。或者说此时被管子放大的信号基本上不产生失真。若输入信号继续增大，输出信号功率达到饱和，甚至还会开始下降。导致这一现象的原因很多，其中最主要的是因为随着输入信号功率的增大，电子束与行波之间的相互作用条件发生了剧烈的变化。

3 固态功率放大器

固态高功放采用微波半导体器件，如基于砷化镓和氮化镓功率场效应晶体管，输出微波功率达几百瓦，采用功率合成技术可以达到数千瓦，它采用低电压供电，不像行波管和速调管功放需要额外产生直流高压供电子管使用，能耗降低很可观，具有宽带性能，可覆盖相应的通信卫星频段，不用人工调谐管子，简化使用和维护。

501台使用的PowerMAX固态功放采用冗余设计理念，当系统中某一个功放模块故障不会影响安全播出，当一个或者多个功放模块失效时，系统会自动的调整增益水平。采用波导合成技术，在工作频段下可实现最优的功率合成效率。

由于系统功率合成采用无源的波导网络而没有使用任何开关，因此射频输出功率将不会出现中断情况的发生。该系统是自身冗余的系统，其输出功率即便在一个功放模块机箱故障时仍然可以保持在所需要的输出功率水平，这种系统结构也因此被称作为n+1冗余系统。

系统可以配置任意数量的功放模块机箱，但为了获得最大的功率合成效率普遍使用二进制组合，诸如4、8、16模块。另外，在现场将系统从4模块升级到8或者16模块也是非常简单，用户并不需要在购买初期就将整个系统配置为最大的功率输出，用户可以随着需求的增加，逐步对系统升级实现所需要的输出功率容量，因此使得投资成本最小化。

结束语

这三类放大器在501台均使用过，固态功放最显著的特点是维护量小，维护简单，设备运行成本低。但是需要大功率输出时须配置更多功放模块，通过功率合成技术来实现大功率输出。速调管放大器维护量大，运行成本高，需定期更换管子，但是功率大、增益高，在当前卫星抗干扰中仍然无法替代。行波管放大器在卫星转发器中广泛使用，带宽宽、增益高是最主要的优点。但在卫星上行站目前用的较少。

以上对目卫星传输系统使用的三类高功率放大器，从工作原理出发，进行了系统的总结，阐述它们之间的差异，希望为同行提供参考和借鉴作用。