高清衛(wèi)星新聞直播車功放的選擇

康傲 劉會

【摘要】衛(wèi)星新聞直播車系統(tǒng)即SNG（Satellite News Gathering），是以衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為傳輸平臺，在新聞現(xiàn)場所采集到的視頻及音頻信號，通過衛(wèi)星車系統(tǒng)處理，然后發(fā)射到同步通信衛(wèi)星，再轉(zhuǎn)送回電視臺。高功率放大器（HPA High-power Amplifier簡稱高功放）是衛(wèi)星上行系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其功能是將上變頻器變頻放大后的信號進(jìn)行功率放大，然后通過波導(dǎo)連接天線發(fā)射給衛(wèi)星。

【關(guān)鍵詞】飽和功率? 增益? 頻帶? 1dB壓縮點(diǎn)? SSPA? TWTA? KPA

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1673-0348（2020）017-113-04

Abstract： SNG（Satellite News Gathering） is a satellite communication system as a transmission platform. The video and audio signals collected at the news scene are processed by the satellite car system， then transmitted to synchronous communication satellites and then transmitted back to TV stations. HPA High-power Amplifier （HPA High-Power Amplifier for short） is the core equipment in satellite uplink system. Its function is to amplify the power of the signal amplified by the upconverter， and then transmit it to the satellite through waveguide connecting antenna.

Key words： saturated power gain band 1dB compression point SSPA TWTA KPA

由于衛(wèi)星信號覆蓋范圍廣、通信容量大、信道條件好、受自然和環(huán)境的因素影響較小，使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以及時、準(zhǔn)確、有效地傳輸信息。在當(dāng)前這個全媒體時代，直播衛(wèi)星的超級強(qiáng)大的內(nèi)容分發(fā)平臺對新聞傳播的時效性與及時性有著強(qiáng)有力的保障。因此，設(shè)計合適的衛(wèi)星直播車系統(tǒng)進(jìn)行新聞直播是電視媒體在全媒體時代競爭的一大手段。微弱的電視信號要安全可靠的傳送到35786千米高的同步衛(wèi)星上，這就需要用到功率放大器，同時系統(tǒng)設(shè)計的高功放設(shè)備必須具備性能穩(wěn)定、輸出功率大，易維護(hù)等特點(diǎn)。接下來我跟大家分享一下在衛(wèi)星新聞直播車功放的選擇方面的一些看法。

1. 系統(tǒng)設(shè)計：

以一個3+1+2（另外支持1路無線和2路外來信號接入）訊道的衛(wèi)星直播車系統(tǒng)為例，天線直徑DT=1.5m，設(shè)計容量為最多6路輸入一路輸出，傳輸鏈路使用Ku波段（衛(wèi)星直播車有的也采用C波段的衛(wèi)星車，相比之下Ku頻段的衛(wèi)星天線接收效率更高，尺寸可以做到更小，可以有效的降低成本，在此不再贅述），壓縮編碼采用H.264標(biāo)準(zhǔn)。

高清視頻信號取16Mb/s（一般為8～16Mb/s）、2路立體聲0.512 Mb/s、低速數(shù)據(jù)0.064 Mb/s、數(shù)據(jù)開銷5%。經(jīng)過計算可以知道上行帶寬Bn=9MHz。為了使上行鏈路可用度不小于99.98%，經(jīng)過反復(fù)驗證，高功放法蘭口功率需要約330W，考慮波導(dǎo)損耗，那么高功放功率采用400W較合適。高功放的功率確定以后就要選擇合適的功率放大器。

2. 功率放大器的選擇

2.1 功率放大器的種類

高功率放大器主要有兩種：一種是固態(tài)晶體管放大器，即SSPA（Solid State Power Amplifier）;另一種是電子管放大器，電子管放大器包括TWTA （Travelling Wave Tube Amplifier） 行波管功率放大器和KPA （Klystron Power Amplifier） 速調(diào)管功率放大器。

2.1.1 固態(tài)晶體管放大器（SSPA）

固態(tài)晶體管放大器是利用一系列組合場效應(yīng)管（FET）來放大信號，這些FET由砷化鎵或氮化鎵制成，它們的8個電子的共價鍵會產(chǎn)生大的帶隙和高電子遷移率，使高功放的輸出有更大的功率。固態(tài)功放具有體積小、線性好、壽命長、省電和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此其除了運(yùn)用在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器外，還在衛(wèi)星通信地球站上行鏈路中用作前置放大以推動數(shù)百瓦的電子管放大器。

如圖1所示，SSPA放大器為內(nèi)匹配模塊結(jié)構(gòu)，可以有效減少功放體積又便于級聯(lián)。

模塊化SSPA利用同相合成原理，可以使高功放最大輸出功率大大提升，在Ku波段最大輸出功率可達(dá)1KW以上，C波段輸出可達(dá)3KW以上。模塊化的SSPA在其中一個模塊出現(xiàn)故障時，總輸出功率也只下降幾個dB，并不至于引起信號中斷，因此可靠性大大增強(qiáng)。

2.1.2 行波管放大器（TWTA）

如圖2所示，行波管主要由電子槍、磁聚焦系統(tǒng)、慢波結(jié)構(gòu)、輸入輸出裝置、收集極（還包括集中衰減器、能量耦合器、聚焦系統(tǒng)）等部分組成。常用的慢波系統(tǒng)是一螺旋線和梳形結(jié)構(gòu)等，適宜于作為中、小功率的放大器。電磁波行進(jìn)方向與電子流方向相反的行波管則稱為返波管，可用作一種頻帶很寬的微波振蕩器。

行波管放大器是通過電磁場與電子注發(fā)生能量交換，靠連續(xù)調(diào)制電子注的速度來實(shí)現(xiàn)放大功能的的微波真空器件。

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(jìn)，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(jìn)入慢波電路相互作用區(qū)域后，首先受到微波場的速度調(diào)制，電子在繼續(xù)向前運(yùn)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。現(xiàn)在的TWTA具有多級集電極，從而可以產(chǎn)生高效且體積更小的放大器。? 由于行波管沒有采用速調(diào)管的獨(dú)立諧振腔結(jié)構(gòu)，因此具有頻帶寬的特點(diǎn)，使用TWTA的高功放通道工作帶寬寬——一般為750MHz，可擴(kuò)展至1250MHz;行波管放大器另一特點(diǎn)是效率高——一般可以達(dá)到25%左右，AR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，效率可達(dá)45%;此外，行波管放大器能夠輸出的功率更大（Ku波段可以達(dá)2KW以上，C波段可以達(dá)3KW以上）。

2.1.3 速調(diào)管功率放大器（KPA）

速調(diào)管分為直射速調(diào)管和反射速調(diào)管兩類，通常將直射速調(diào)管簡稱為速調(diào)管。如圖3所示，直射速調(diào)管在結(jié)構(gòu)上包括以下幾部分：電子槍、諧振腔、調(diào)諧系統(tǒng)、各腔之間的漂移管、能量耦合器、收集極和聚焦系統(tǒng)。具有兩個諧振腔的速調(diào)管稱為雙腔速調(diào)管;具有兩個以上諧振腔者稱為多腔速調(diào)管。

速調(diào)管是利用周期性調(diào)制電子注速度來實(shí)現(xiàn)振蕩或放大的一種微波電子管，其原理是先在輸入腔中對電子注進(jìn)行速度調(diào)制，經(jīng)漂移后轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏日{(diào)制，然后群聚的電子塊與輸出腔隙縫的微波場交換能量，電子將動能交給微波場，完成振蕩或放大。使用KPA的高功放有增益高（可達(dá)80dB）的優(yōu)點(diǎn);但缺點(diǎn)是功耗大、通道帶寬較窄。通常五腔速調(diào)管增益為45dB左右，C波段每通道帶寬約為45MHz，輸出功率可達(dá)3.3KW以上;Ku波段每通道帶寬約為80 MHz，輸出功率可達(dá)2.5KW以上。

新型速調(diào)管高功放采用多收集極速調(diào)管（MSDC），可以根據(jù)輸出功率的大小自動調(diào)整管子束電壓和燈絲電壓，降低耗散功率，提高管子的使用壽命。

2.2 微波功率放大器的常用指標(biāo)及含義

2.2.1 工作頻帶

指微波功率放大器在所有指標(biāo)都滿足的情況下的一個不間斷的頻率范圍。在實(shí)際工程應(yīng)用中我們常用RBW（相對帶寬）來表示功率放大器的實(shí)際工作頻段，其表示方法可用百分?jǐn)?shù)表示法和倍數(shù)表示法，兩者間可以相互轉(zhuǎn)換。

百分?jǐn)?shù)表示法：

其中（fH-fL）指絕對帶寬，用BW表示，f0指中心頻率，RBW為相對帶寬。

倍數(shù)表示法：

其中fH為高頻端的截止頻率，fL指低頻端截止頻率。

2.2.2 飽和輸出功率

飽和輸出功率又叫高功放的最大輸出功率，是指高功率放大器輸出功率與輸入功率的傳遞特性曲線上，輸入功率增加而輸出功率不再增加時對應(yīng)的輸出功率。如圖4的A點(diǎn)。

2.2.3 增益

在微波功率放大器中，根據(jù)源阻抗與負(fù)載阻抗關(guān)系，我們經(jīng)常需要用到實(shí)際增益G、可用功增益GA和轉(zhuǎn)換增益GT，我們平常說的放大器增益指在負(fù)載端消耗功率與輸入端功率之比，即實(shí)際功率增益，用G來表示。公式如下：

2.2.4 1dB壓縮點(diǎn)

我們知道放大器有一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內(nèi)放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加，在這個區(qū)域我們稱之為線性區(qū)域。隨著輸入功率的增大，放大器進(jìn)入非線性區(qū)域，其輸出功率不再隨輸入功率呈線性變化，即輸出功率會低于信號線性計算之增益，通常我們把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點(diǎn)。如圖4所示之B點(diǎn)。

2.2.5 額定輸出功率

通常固態(tài)高功放額定輸出功率標(biāo)定的是位于1dB壓縮點(diǎn)的輸出功率，而行波管、速調(diào)管高功放的額定輸出功率標(biāo)定的是飽和輸出功率。

2.2.6 效率

功放的效率是用來衡量功率放大器將直流提供的電源功率轉(zhuǎn)化為輸出功率的能力，是功放的幾大重要設(shè)計指標(biāo)之一。常用的表示方法有功率附加效率和功率漏極效率兩種。

當(dāng)然，在系統(tǒng)的設(shè)計上也要考慮功放其它一些指標(biāo)，如輸入輸出駐波比、回波損耗反射系數(shù)、交調(diào)失真等參數(shù)的影響。

3. 三種高功放優(yōu)缺點(diǎn)比較

通過下表我們可以很直觀的看出這幾種高功放的優(yōu)缺點(diǎn)，通過對比其相關(guān)指標(biāo)與性能特點(diǎn)，再結(jié)合單位的需求與經(jīng)濟(jì)等各方面實(shí)際情況，我們就可以對衛(wèi)星新聞直播車系統(tǒng)的高功放做出合適的選擇。

高功放種類 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)

1 固態(tài)晶體管放大器（SSPA） 體積小、重量輕、可靠性高、線性好 散熱不佳、抗擊穿弱、更耗電

2 行波管放大器

（TWTA） 寬頻帶、高增益、高效率、輸出功率大、散熱強(qiáng)、性價比高 多載波功率回退大（4-6DB）、相位噪聲、故障時間短、可靠性穩(wěn)定性一般、省電

3 速調(diào)管功率放大器（KPA） 增益高（多腔）、效率高、線性好、高功率、穩(wěn)定性好 體積大、功耗大、通道帶寬較窄

從目前看，在衛(wèi)星廣播電視的上行站中，固態(tài)功放放大器、行波管放大器、速調(diào)管大放器這三種高功放均有運(yùn)用;同步衛(wèi)星上則為行波管放大器和固態(tài)功放放大器。

一方面，經(jīng)過計算和反復(fù)論證得出所需之高功放的實(shí)際輸出功率要大于400W;另一方面，根據(jù)整套直播車系統(tǒng)（包括車體、系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備）預(yù)算，我們使用Ku波段的1.5m天線，因此需要用到的高功放要有高增益、高效率的特點(diǎn)，同時限于車體大小，放大器則需要做到更小且散熱要強(qiáng)。再結(jié)合今后使用場合（包括地理位置、工作環(huán)境）、后期使用的技術(shù)維護(hù)等各方面考慮，我們在設(shè)計中選擇了400W行波管高功率放大器。

4. 結(jié)束語

真空管和固態(tài)電子器件之間的爭論已經(jīng)持續(xù)了幾十年，速調(diào)管功放曾被斷言最多只有幾年的市場，但是直到今天，速調(diào)管功放和行波管功放依然有著穩(wěn)健的市場。行波管技術(shù)更是因為其穩(wěn)定性被持續(xù)多年用于工業(yè)、地面和太空通信中。當(dāng)然固態(tài)技術(shù)這些年的發(fā)展也非?？?，低功率（200W以下）幾乎是固態(tài)的天下。對于這幾種高功放的爭論點(diǎn)其實(shí)就是對它們性能的比較（功率、效率及帶寬大小等性能的選擇）。作為廣播電視行業(yè)，對高功率放大器選擇除了考慮高功放本身的性能，還要考慮自身的實(shí)際情況，例如，工作環(huán)境的惡劣程度、應(yīng)用帶寬及功率大小的需求、預(yù)算的多少、操作和維護(hù)的要求及經(jīng)濟(jì)支撐能力等。

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