高功率放大器在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

劉記都，楊 健，仲 成

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

0 引 言

高功率放大器是實(shí)現(xiàn)地基上行鏈路的重要器件，其作用是將被基帶調(diào)制后的射頻（Radio Frequency，RF）信號(hào)放大至一定的能量，再通過饋線傳輸至衛(wèi)星。過去，衛(wèi)星通信使用的高功率放大器都為微波電子管，如速調(diào)管放大器、行波管放大器以及場(chǎng)效應(yīng)管放大器等，隨著微波晶體管技術(shù)的發(fā)展，越來越多的固態(tài)放大器被應(yīng)用在衛(wèi)星通信。

1 速調(diào)管功放

1.1 概 述

速調(diào)管是一種通過對(duì)電子束速度進(jìn)行周期調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)或放大的微波電子管，可以廣泛應(yīng)用于廣播電視的發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等系統(tǒng)，具有功率大、增益強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，最大輸出功率可達(dá)兆瓦級(jí)別。在廣播電視發(fā)射機(jī)中所采用的速調(diào)管，輸出功率從數(shù)千瓦到數(shù)萬瓦不等，其工作頻帶范圍也可以覆蓋全微波波段。

1.2 組成及原理

速調(diào)管是一種利用周期性調(diào)整電子束的電流實(shí)現(xiàn)振動(dòng)與放大效應(yīng)的微波電子管。1937 年，美國(guó)的物理學(xué)家拉塞爾·瓦里安和西格德·瓦里安發(fā)明了可應(yīng)用于航空雷達(dá)的雙空腔速調(diào)管振動(dòng)器。速調(diào)管通常由電子槍、漂移管、輸入腔、輸出腔、中間腔以及收集極等部分構(gòu)成。速調(diào)管先對(duì)電子束進(jìn)行速度調(diào)制，經(jīng)過漂移后轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏日{(diào)制。群聚電子塊與輸出腔隙縫的微波場(chǎng)進(jìn)行能量交換，通過微波場(chǎng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)能放大。速調(diào)管的組成如圖1 所示。

圖1 速調(diào)管的組成

電子槍通過速調(diào)管內(nèi)加熱會(huì)發(fā)射出一股電流，再外加一個(gè)正壓，電流就會(huì)流向控制門。借助操控閘將電子聚集，形成完整的電子束，即便在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，也絲毫不會(huì)散開。該設(shè)備除了具備一個(gè)輸入室和一個(gè)輸出室，還有若干個(gè)中間室。在此基礎(chǔ)上，引入新的過渡態(tài)電子，可以增強(qiáng)其在傳輸過程的團(tuán)聚作用，從而提升其傳輸性能。當(dāng)一個(gè)電子在一個(gè)正向循環(huán)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)加快速度；當(dāng)其在一個(gè)負(fù)向循環(huán)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度會(huì)變慢。研究發(fā)現(xiàn)，這種新型的電子束所產(chǎn)生的交流電流與它所處的激勵(lì)波形的周期一致，表現(xiàn)出很強(qiáng)的密度調(diào)制特征。

1.3 應(yīng) 用

目前，國(guó)際上大部分衛(wèi)星通信地面接收機(jī)均使用美國(guó)西匹埃工程服務(wù)公司所研制的GENIV 型3 kW速調(diào)管高功率放大器，其工作于C 頻段，設(shè)計(jì)了24個(gè)預(yù)先設(shè)定的信道，每個(gè)信道具有45 MHz的工作頻帶，整體工作頻帶為5 850 ～6 425 MHz。該功率放大器屬于窄頻功率放大器，在使用時(shí)要依據(jù)工作的具體條件，適當(dāng)調(diào)整其預(yù)定的信道頻率。3 kW 速調(diào)管高功率放大器包括4 個(gè)模塊，即射頻模塊、高壓電源模塊、分布式控制模塊以及制冷系統(tǒng)。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是只需對(duì)單一組件進(jìn)行簡(jiǎn)單的維護(hù)，便能提高裝置的運(yùn)行可靠性，并減少裝置的維護(hù)工作量。此外，各模塊可單獨(dú)放置于獨(dú)立的儲(chǔ)物柜，便于維護(hù)。多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，GENIV 型3 kW 系列大功率放大電路性能優(yōu)異，工作穩(wěn)定。

2 行波管功率放大器

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

行波管放大器（Raveling-Wave Tube Amplifier，TWTA）由行波管（Traveling Wave Tube，TWT）與行波管電源（Electronic Power Conditioner，EPC）2 部分組成。空間TWTA作為一種用于星載通信的末級(jí)器件，其保密程度較高，在星載通信領(lǐng)域的發(fā)展前景十分廣闊[1]。其詳細(xì)參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 不同廠家空間TWT 典型產(chǎn)品參數(shù)

表2 空間EPC 典型產(chǎn)品參數(shù)

由表1 和2 可知，EPC 的研發(fā)主要集中在L-3和THALES 這2 家公司身上，而空間TWT 的使用年限已經(jīng)超過了15 年，即使是使用20 年，也是非?？煽康?。相關(guān)資料顯示，我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代便開始對(duì)空間行波管放大器進(jìn)行探索，經(jīng)過多年努力，現(xiàn)已設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)頻率范圍內(nèi)的空域行波放大器。以在導(dǎo)航衛(wèi)星上采用的太空TWTA 為例，代表性產(chǎn)品參數(shù)如表3、表4 所示。

表3 太空TWT 典型產(chǎn)品參數(shù)

表4 太空EPC 典型產(chǎn)品參數(shù)

經(jīng)過對(duì)比可知，國(guó)內(nèi)的空間行波管放大器在性能上仍有較大的改進(jìn)空間。

2.2 應(yīng)用與發(fā)展

美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯的“格洛納斯”（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、歐洲的“伽利略”（Galileo Satellite Navigation System，GSNS）以及中國(guó)的“北斗星”（Beidou Navigation Satellite，BDS）都采用了L波段、S 波段、C 波段以及Ka 波段的空間行波管放大器，其輸出功率增長(zhǎng)至近200 W，輸出功率和效率的需求也越來越大[2]。

目前，我國(guó)空間行波管放大器在L 波段已經(jīng)取得200 W 連續(xù)輸出，轉(zhuǎn)換效率超過55 %，使用壽命超15 年，其主要有以下特點(diǎn)。一是更高的輸出功率，從150 W 提高到200 W，甚至250 W；二是更高的效率，效率由之前的55%提高至60%～65%；三是使用年限較久，行波放大裝置的使用年限超過20 年；四是各項(xiàng)指數(shù)線性化，實(shí)現(xiàn)了3 次交叉調(diào)制和相移指數(shù)的線性化，降低了信號(hào)畸變率和信號(hào)損耗；五是行波放大器的微型化；六是開發(fā)可調(diào)功率的行波放大器，能夠進(jìn)行在軌功率調(diào)節(jié)，并根據(jù)在軌操作模式的不同做出相應(yīng)的改變，對(duì)其輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠保證最大效率地工作；七是發(fā)展“一帶多”型行波放大器，一個(gè)高壓電源負(fù)責(zé)多個(gè)行波放大器，從而節(jié)省了在衛(wèi)星上的裝設(shè)面積，有利于太空電源的空間合成；八是寬帶空間行波放大器能與寬帶天線匹配，工作于多種工作頻段，完成多種工作頻段的同步定位和信號(hào)傳輸。

3 固態(tài)功放

3.1 概 述

目前，固體功放是一種新的發(fā)展方向。固態(tài)功放（Solid State Power Amplifier，SSPA）是指使用功率管（晶體管）作為功放元件的功率放大器。相比于傳統(tǒng)的微波電子管放大器，固態(tài)功放具有體積小、重量輕、效率高、無過沖、無過壓、無過熱、線性度好、失真度低以及可工作在高動(dòng)態(tài)范圍等顯著特點(diǎn)。

傳統(tǒng)的有源功放一般采用分立元件作為功率放大器的開關(guān)元件，但存在尺寸大、質(zhì)量重、效率低等缺陷。由于采用分立元件設(shè)計(jì)，使得功放在使用時(shí)的可靠性降低[3]。而固態(tài)功放就是采用晶體管作為功率放大器開關(guān)器件，將晶體管集成在一個(gè)芯片，既減小了體積、重量、功耗，又提高了功放回路的穩(wěn)定性。

固體功率放大器的放大部分由多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field-Effect Transistor，F(xiàn)ET）構(gòu)成，目前市面上的主要設(shè)備為GaAs FET 放大器。FET 放大器具有更高的電導(dǎo)率、更強(qiáng)的抗干擾能力以及更低的噪聲，更耐高壓和高溫，應(yīng)用范圍廣泛。同時(shí)具有更好的線性度，工作頻率可達(dá)45 GHz，尤其適用于高頻率的無線通信。

實(shí)際應(yīng)用中，為了提升功率，一臺(tái)固態(tài)高功放中會(huì)含有多個(gè)功率放大模塊，將其并聯(lián)組合，接著通過功率合成器把多個(gè)功放模組的輸出功率疊加在一起，這樣功率合成器不僅可以發(fā)揮功率合成的作用，還可以保證每一個(gè)功率放大模塊之間的相互隔離。當(dāng)其中一個(gè)功率放大模塊出現(xiàn)問題時(shí)，固態(tài)功放整體的狀態(tài)不會(huì)改變，合成輸出總功率會(huì)變小，但不會(huì)被打斷[4]。各個(gè)功率放大模塊之間既有一定的獨(dú)立性，又有一定的互換性。多塊模塊可相互替換，大大提高了運(yùn)行的安全性和維護(hù)的方便性。這種模塊化的設(shè)計(jì)提升了功率的上限，同時(shí)提高了固態(tài)功放的整體可靠性。

3.2 應(yīng)用價(jià)值

將固態(tài)功率放大器與微波管功率放大器對(duì)比后，可明顯看出固態(tài)功放具有良好的線性度。將多個(gè)功率模塊并聯(lián)輸出，就能起到代替遠(yuǎn)大于其功率的行波管或速調(diào)管功放的效果。同時(shí)，可以利用內(nèi)置的多個(gè)功率模塊來完成“1 ∶N”備用架構(gòu)，無須額外的備用功率放大器，取代了當(dāng)前各個(gè)地球站采用的“1 ∶1”備用架構(gòu)，從而大大降低采購成本，維修的便捷性也有了顯著的提高。

行波管與速調(diào)管是常見的故障元件，其故障概率較高。微波管功率放大器使用的是高壓電源，因此需要重點(diǎn)關(guān)注高壓打火等問題。在操作與維修時(shí)，也要時(shí)刻注意高壓?jiǎn)栴}。固態(tài)功率放大器電源模塊輸出通常為低壓電，整個(gè)設(shè)備更穩(wěn)定可靠，操作與維修時(shí)也更安全[5]。

4 結(jié) 論

對(duì)比速調(diào)管功放、行波管功放、固態(tài)功放可知，速調(diào)管功放與行波管功放的輸出功率更大。固態(tài)功放具有更好的互調(diào)特性，且能耗較低，使用壽命也較長(zhǎng)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)固態(tài)功放能實(shí)現(xiàn)功率無限制增加時(shí)，固態(tài)功放將會(huì)全面取代傳統(tǒng)的速調(diào)管功放與行波管功放，應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)更加廣泛，在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用也會(huì)更加普遍。