速調管在衛星電視上行系統中的應用

發布時間：2020-02-06所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：衛星電視具有很高的科技含量，不斷應用新技術發展和提升自己，本文介紹速調管的工作原理，以及在衛星電視上行系統中，CPIGNE速調管高功放的構成，闡述組成高功放各單元的工作原理。 關鍵詞：速調管;高功放;電子束;控制器 廣播電視作為文化傳播的媒體，

　　摘要：衛星電視具有很高的科技含量，不斷應用新技術發展和提升自己，本文介紹速調管的工作原理，以及在衛星電視上行系統中，CPIGNE速調管高功放的構成，闡述組成高功放各單元的工作原理。

　　關鍵詞：速調管;高功放;電子束;控制器

　　廣播電視作為文化傳播的媒體，在我國一直是黨和政府的喉舌，深受大眾的喜愛。衛視電視憑借先進的技術和覆蓋面廣的優勢，深入到千家萬戶。衛星電視的上行系統是廣播電視安全播出的關鍵環節，必須可靠性高，運行穩定，寬頻帶高增益。我國大部分衛星電視上行系統，逐步應用速調管功率放大器代替了行波管放大器(TWTA)或全固態放大器(SSPA)。本文簡析了速調管在衛星電視上行系統中的應用。

　　1速調管的工作原理

　　高功放是地球站重要的播出設備,它的作用是將上變頻器輸出的高頻信號放大到能滿足通信衛星接收的大功率微波信號。完成此任務目前廣泛使用速調管放大器。它的工作過程如圖1所示。

　　從陰極發射的電子受到直流電場的作用加速，在電子搶入口處形成均勻的電子束。當這個電子束通過輸入腔的柵網縫隙時，由于在輸入腔加有經前置放大器放大的射頻信號，在輸入腔中激勵高頻振蕩，因此就會在柵網縫隙間建立起高頻電場。使得均勻的電子束受到高頻電場的作用。在高頻電場正半周通過縫隙的電子被加速;高頻電場負半周通過縫隙的電子被減速;當電場為零的時候電子速度均勻不變。這樣通過柵網縫隙的電子受到高頻電場的作用，形成電子束受到高頻電場的速度調制。

　　經過速度調制的電子束，在輸入腔縫隙出來時，進入無電場的漂移空間。電子速度不同，速度高的電子逐步會趕上速度低的電子，電子形成群聚。這樣電子速度調制就會形成疏密不同的電子團，變成密度調制。這時的電子流不再是直流，而是含射頻諧波成分的交流信號，形成電子密度調制。

　　已調制的電子束，通過輸出腔體的柵網縫隙時，會在輸出腔中激勵起高頻感應電流。如果輸出諧振腔的頻率恰好是射頻頻率，并且處于最佳群聚位置。就會振蕩起來。并在縫隙處產生很強的高頻電場，該電場又會反過來作用電子束。當輸出腔處于最佳調諧于輸入信號頻率時。便會自動滿足電子束“遇到減速場”情況。就是多數電子聚集成的群聚塊是在感應電場的負半周穿過縫隙。受到減速而動能減少，也就是電子的動能交給高頻電場。正半周穿過縫隙受到加速，吸收了部分的高頻能量。但總的來說，電子失去的能量大于獲得的能量，兩者之差就轉換成高頻電場的能量。高頻電場獲得能量并通過振蕩腔與外電路耦合傳輸給波導管。這樣就完成了高頻信號的放大。電子束穿出剩余的能量被收集極接收轉換為熱能。

　　2速調管高功放的構成

　　CPIGNE3KW速調管功率放大器是美國CPI公司，專門為衛星電視地球站上行系統設計的高頻(5.9-6.4GHZ)功率放大器。相對于傳統的行波管放大器(TWTA)和全固態放大器(SSPA)，整機功耗低，節能效率高。由兩個獨立的機箱通過信號線、電源線、通信線鏈接構成。

　　CPIGNE3KW速調管功率放大器主要由四個單元組成：射頻單元、電源電源、分布控制單元、冷卻單元。

　　2.1射頻單元

　　射頻單元是高功放最重要的核心，將上變頻器送來的小信號通過高功放單元能量變換，輸出大功率的射頻信號。承擔穩定可靠的功率放大任務，在受到天氣變化或惡意干擾時，能迅速提升功率。

　　首先將上變頻器送來的射頻信號經隔離器，輸入到前置固態放大器，放大成20dBm左右的速調管激勵信號。隔離器具有極性響應和良好線性的二極管衰減器，二極管衰減器可以在0～-20dB范圍內可調，如圖2所示。

　　速調管最終實現高頻功率放大，是將固態集成放大器(SSPA)信號進行再放大，速調管燈絲加熱陰極發射電子束在高壓電場中被加速進入諧振腔中，諧振腔調諧在上行頻率附近。固態放大器輸出的激勵信號產生的交變電磁場對電子束進行速度調制，不同速度的電子束產生群聚現象。通過能量變換，受控于輸入射頻激勵信號的密度調制電子束，該密度調制電子束將在輸出諧振腔中激發出射頻電流，產生大功率射頻信號。剩余能量在收集極變成熱量，經冷卻裝置散發。整個射頻單元可提供80dB左右的輸出增益，高功放效率能達到80%~90%。經速調高放大的射頻信號由波導器件輸出到天線。在波導器件中裝有電弧檢測裝置，能夠檢測到某種原因產生的電弧時，迅速切斷固態放大器射頻激勵。波導隔離器能將速調管放大器輸出的射頻信號輸送到天線，同時還能消耗反射功率。高功放運行時上各環節都有檢測取樣信號送至微處理器，保障放大器安全運行。

　　2.2電源單元

　　穩定安全可靠的電源是速調管正常運行的有力保障。在CPIGNE高功放系統中，CPI公司獨特的設計，應用微處理器控制開關電源的激勵方波，實現各組電壓的穩定輸出。輸入的三相380V交流電源，首先進入到瞬態抑制器，防止過高電壓對電源系統的影響，再通過濾波器，減少傳導噪聲。然后受高功放主斷路開關CBI控制。380V交流電一路通過電源輸出接口，送至速調管冷卻風扇;一路接到缺相檢測電路。在A相上接一路獨立電源，輸出24V直流供微處理器工作電源使用，如圖3所示。

　　主用380V交流通過整流、濾波成為480V直流，再經受控于微處理器的開關電路，由輸出變壓器輸出各種交流電壓。通過整流、濾波成為高功放所需的燈絲、陰極、收集極電壓。經電纜送至高功放。

　　CPIGNE高功放電源穩定可靠的關鍵是，采用獨立的微處理器，它把電源輸入和輸出端的各種取樣信號(電壓、電流、過載、告警)。反饋到處理器進行邏輯判斷;還要接收通信接口送來的高功放控制指令，微處理器通過運算處理、邏輯判斷，產生開關電路振蕩的激勵方波信號，能夠根據實際的發射功率，靈活控制輸出電壓的大小，以及切斷電源輸出的控制信號。

　　2.3分布式控制單元

　　高功放運行，離不開各單元的協調工作，必須有完整的控制系統。CPIGEN速調管功放采用分布式微處理器管理系統，CAN總線通信鏈接各單元，專門的操作軟件，操作界面簡單明了，可以靈活兼容其他通信方式。CPIGEN速調管功放控制單元由四個控制器組成：外部接口控制器(EIC)、射頻控制器(RFC)、前面板控制器(FPC)、電源處理控制器(PPC)。另外還有一個遠程監測以太網控制器。各控制器都有獨立的微處理器，控制器相互通過總線通信，各控制器隨時都可以發出或接收指令，有一套完善的通信協議，保證控制器管理順暢。

　　期刊推薦：《甘肅科技》是甘肅省科技廳主管、甘肅省科技情報研究所主辦的面向國內外公開發行的綜合性指導類科技期刊。設有決策參考、技術創新、信息技術、情報工作、研究與探討、建設科技、醫學研究、農林園地等欄目。該刊被列入《中國期刊方陣雙效期刊》和國家級火炬計劃項目、中國學術期刊綜合評價數據庫來源期刊、中國學術期刊全文收錄。

　　開機時高功放前面板控制器為本控操作模式，由前面板控制器發出開機指令，同時通過總線向其他控制器發出該指令，電源處理控制器協調各組電源輸出送至射頻單元，外部接口控制器(EIC)、射頻控制器(RFC)同時監測各環節的工作：風機進出口溫度、波導切換開關狀態、電弧、射頻功率、反射功率、衰減器和有關電壓電平設置。并對監測數據記錄存儲。當某一控制器監測到故障時，通過總線廣播故障指令，系統會自動運算處理和邏輯判斷，發出指令：切斷信號、或切換波導、或降低電壓電平、或調整相應參數。以太網控制器可實現遠程監測和操作。

　　2.4冷卻單元

　　CPIGEN速調管功放冷卻全部采用強制風冷方式。射頻機箱安裝風機、風扇，電源機箱安裝直流風扇。電源機箱的直流風扇從前面板風口吸入室內自然風，通過機箱內部帶出熱能。射頻機箱速調管收集極安裝強大的風機，吸入的熱能通過外導管排除室外。前置固態放大器和輸出波導器件旁邊安裝直流風扇冷卻。在射頻機箱外部接口控制器中裝有風壓、溫度探測器，隨時監測冷卻單元的工作狀態。

　　了解速調管的原理，掌握高功放的構成和各單元的功能，能更好配置高功放的電氣性能和參數設置。有利于衛星電視的安全播出，發揮更大的社會效益。