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高功率放大器在卫星传输中的应用

摘要：近年来，随着社会建设的不断发展，卫星通信广泛地应用在国民经济、

军事和日常生活中的各个领域，而高功率放大器（以下简称高功放）是卫星通信

系统中重要的部件，其性能优劣对通信质量影响很大。高功放作为卫星数字地面

上行站的关键设备，其主要作用是功率放大，是卫星传输链路中的一个关键环节，

直接关系到传输系统的稳定性和可靠性，直接影响播出的安全，加之高功放设备

工作在高电压和大电流的工作状态，所以高功放设备的选型和设备维护就显得尤

为重要。主要从组成结构、工作原理以及分类和应用范围等方面入手，探索行波

管功放（TWTA）、速调管功放（KPA）和固态功放（SSPA）在卫星传输中的应用。

关键词：高功率放大器；卫星传输；应用

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。

1行波管功率放大器

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行波管功放原理和过程

利用电子束与沿慢波系统行进的电磁波之间的连续相互作用来实现对电磁波

的功率放大，行波管主要由电子枪、慢波系统和收集极组成，电子束穿过行波管

的长慢波结构，与慢波电路中的微波场发生相互作用。在长达6～40个波长的慢

波电路中，电子束连续不断地把动能交给微波信号场，从而使信号得到放大。在

电子束穿越行波管的过程中，由于微波场的作用时间长，因此增益很高，典型行

波管的增益在25～70dB范围内。行波管也没有谐振腔，因此工作带宽较宽。按

照频带宽度的定义即频带高低两端频率之差与中心频率的比值，典型行波管功放

的频带宽度可达100%以上，且低噪声行波管的噪声系数最低可达1～2dB。

1.3行波管功放结构组成

行波管功放主要由电源和射频单元组成，电源的作用是为整个功放系统提供

各级不同电压的电源，保证系统正常工作并提供电源电路的监测。射频单元完成

射频信号的放大，主要由中功放、行波管和冷却系统组成，放大后的射频信号通

过波导送至发射天线。行波管可以将输入的信号放大至几千瓦的水平，脉冲功率

可以达到10千瓦甚至兆瓦，且通信卫星和电视直播卫星采用的行波管，工作寿

命可达10年以上，特别适合用在卫星转发器这种工作环境中。

2速调管功放

2.1速调管概述

速调管是利用周期性调制电子束速度来实现振荡或放大的微波电子管，速调

管可用于广播电视的发射机和雷达等系统，具备功率大、增益高的优势，最大输

出功率可达兆瓦量级，广播电视发射机中使用的速调管，输出功率可达数千瓦到

数万瓦，工作频率可以涵盖整个微波波段。

2.2速调管分类及应用

目前国内卫星数字地面上行站基本都配备美国CPI公司的GENIV3kW大功率

速调管高功放。它是一个五腔速调管功率放大器，C波段功放有24个预置通道，

每一个预制通道的工作带宽为45MHz，整个功放的频率范围为5850MHz～6425MHz。

因此，它是一个窄带功率放大器，使用中要按照实际的工作频率选择一个合适的

功放预置通道的频率进行适当调整。CPIGENIV3kW速调管高功放采用模块