一种大功率合成系统在卫星传输中的应用

国家新闻出版广电总局北京地球站 张金虎

一、引言

在卫星传输中，卫星上行地球站的任务是负责将前端送来的业务信号发送到卫星上，供用户接收。在这一系统中，上行地球站和接收用户之间是一个点对面的关系，如果这个点出现问题，整个面都将失去信号。高功率放大器是上行系统中的一个重要环节，它主要是将调制变频后的信号进行功率放大，通过天线发射到卫星上。

在卫星地球站上行系统中使用的高功率放大器主要有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)三种。它们各有特点：行波管高功放和固态高功放带宽宽（500MHz，行波管功放宽展频段可以做成800MHz带宽），适合多载波业务；速调管高功放带宽窄（C波段60MHz，Ku波段的可以做成80MHz），功率大、抗干扰强。目前，C波段速调管高功放的功率可以做到3.35kW，Ku波段可以做到2.45kW；行波管功放C波段可以做到3kW；固态功放功率更小，C波段最大能做到1kW。

随着我国卫星广播电视的发展，高清电视的逐渐普及，卫星广播电视必将迎来又一发展时代。上行业务的不断增加，各卫星上行地球站就要对上行系统进行增加，也就意味着需要资金的投入，选择一套上行系统，既能满足上行业务需要，还可以预留将来业务发展空间，同时还要考虑卫星通信的开放环境容易受到干扰的因素，尤其是经济因素，也就是说要选择一套上行功率大、频带宽的上行系统，既能满足多载波业务上行，又能满足受到干扰时的大功率需要，而且投入尽量小。

综合各方面因素考虑，采用超线性的行波管功放，利用相位合成技术对功放之间进行功率合成，可以在满足上行技术指标的前提下，既可上行多载波业务，又具备应急情况下的功率储备。

二、系统组成及各部分作用

这种大功率的上行系统主要由超线性的行波管功放及其配套的切换系统、移相器、功分器及合成器组成。系统构成如图1所示。

图1 系统组成

经过调制、变频后的射频信号（可以是多路信号合成），通过功分器分配给各个功放，各功放对信号进行放大后输出，通过合成器对功率进行合成，并通过天线发到卫星上。系统中的移相器对输入功放的信号相位进行调整，保证各功放输出信号相位相同，切换系统是完成高功放设备切换功能。

三、行波管工作原理

在大功率合成上行系统中，行波管高功放是个核心环节，下面对行波管的工作原理进行一下简单的介绍。行波管高功放的基本工作原理是射频信号经过初级放大，电平调整后，进入行波管放大器进行最后一级放大后输出。行波管高功放的特点是频带宽、输出功率大、线性好。

图2 TWT行波管结构图

在行波管功放中，行波管（TWT)是功放的核心部件，它是通过电子束和射频信号进行能量交换实现微波信号放大的。行波管的结构主要有：电子枪、慢波系统、收集极、输入输出装置、聚焦系统等。如图2所示。行波管的电子束与射频信号的能量变换只有在电子速度与射频信号传播速度接近的条件下才能实现。为使高频信号能有效地从电子束中获得能量而得到放大，就必须减慢行波管中电磁波的速度，完成这一功能的系统叫慢波系统，所谓慢波系统就是金属丝绕的螺旋线结构。

设电子速度为Ve，行波管中电磁波的相速为Vp。行波管中的电子束是由电子枪产生的，在电子枪中的电子通过加热阴极而被发射出来，经过阳极聚焦形成高动能电子束进入螺旋线，为保证电子束穿过螺旋线时保持一条平行束，尽量减少打在螺旋线上的电子数量，在螺旋线的区域加上聚焦装置，这种聚焦装置常采用周期性永磁聚焦装置，用来保证电子束的“聚束”效果。在螺旋线的入端由于电场的作用，以匀速飞入螺旋线的电子受到减速场作用，电子速度逐渐下降，经过一段时间后，当螺旋线输入端电场变为加速场时，飞入螺旋的电子受到加速场作用下，电子速度上升。因此，后续受到加速电子赶上前面受到减速的电子，形成电子团，即产生群聚，这一过程叫“电子群聚”。当Ve大于Vp时，即电子比螺旋线中行波跑得快，因此进入螺旋线的电子将很快脱离加速场而进入减速场，电子群聚将出现在减速场中；当Ve等于Vp时，穿过螺旋线的电子束和由输入装置进入螺旋线中传输的射频信号相互作用，从而完成能量转换，将电子束的能量传递给射频信号，从而实现信号的放大作用，经放大后的射频信号通过输出装置送到下一级，而穿过螺旋线的电子束则进入了内部呈空心状的收集极，在这里，剩余的能量转化为热能而被耗散掉。

四、系统工作原理

功率合成的实质是多个矢量相加，使得总输出低于多路输出之和，是实现高功率的廉价而实际的方法。这套大功率合成系统充分考虑了多载波业务上行时的系统性能指标和系统的功率储备。系统中采用的行波管是经过处理的2.25kW的行波管放在1kW功放上使用，上行业务时无需考虑功率回退，而且有较好的线性特性，系统主要原理如下：

变频放大后的射频信号，经过一个四口射频功分器将信号分配给三个高功放输入，功分器输出的信号为等幅同相的射频信号，其中高功放A的输入信号为合成器输出信号直接接入，高功放B的输入信号经过移相器1进行相位调整，在高功放同轴切换开关SW1和SW2上串接了移相器2和移相器3，这主要是考虑在高功放A或高功放B故障时切换至备用功放C，两个功放输出相位相同，正常工作时，高功放A和高功放B通过合成器合成输出，高功放C输出至假负载，当高功放A或高功放B故障时，高功放C通过切换开关切换输出至合成器，故障功放切至假负载。切换前后的工作状态如图3所示。要想达到合成输出功率最大，必须调整各个功放的衰减使合成的两个高功放输出的信号幅度相等，从而使合成的两个信号等幅、同相，经过合成后总的输出功率为两个单机功率之和的80%左右，大大提高了上行功率。

图3 系统切换前后工作情况

系统安装调试时的工作重点在于对系统的调整，主要是对高功放设备的输出信号的相位和幅度进行调整，使进入合成器的信号尽量为等幅、同相的信号，以达到合成输出功率最大，二者缺一不可。目前高功放和成系统去除合成器本身的影响和管子的个体差异，合成效率可以达到80%，甚至更高。

五、系统的优点

这套大功率合成上行系统，能够满足目前我国卫星广播电视的上行需要，也将成为国内上行站主流配置，系统具有以下特点：

⊙系统频带宽、线性好。系统采用了宽频带的1kW超线性行波管（TWT）功放，频带带宽可到800MHz（扩展频段），功放的行波管采用了2.25kW的行波管，上行业务时，无需考虑功率回退。

⊙抗干扰能力强。系统采用了多台1kW高功放合成，输出功率至少可达1800W左右（2台合成时），具有较强的抗干扰功能。

⊙适合多载波业务上行。系统采用了行波管功放，带宽较宽能上行多个载波业务，特别适合目前国内各省的高标清业务同时上星播出需要。

⊙系统保护性强。系统采用了合成系统上行，当某一功放出现故障时，不会影响业务上行，且故障设备会自动倒换至备用系统播出，系统保护性强。

⊙系统可宽展性好。系统采用了功率合成技术，同理可以采用多台功放进行合成，以达到更高功率上行。

六、结束语

系统投入运行三年多，运行稳定，有效地保证了卫星广播电视业务的正常上行，这种合成上行方式简单易行，且适合于多载波上行，这种合成方式也可以移植到Ku波段上，也将成为我国卫星广播电视上行站的一种主流配置。