摘要：卫星电视具有很高的科技含量，不断应用新技术发展和提升自己，本文介绍速调管的工作原理，以及在卫星电视上行系统中，CPIGNE速调管高功放的构成，阐述组成高功放各单元的工作原理。
关键词：速调管;高功放;电子束;控制器
广播电视作为文化传播的媒体，在我国一直是党和政府的喉舌，深受大众的喜爱。卫视电视凭借先进的技术和覆盖面广的优势，深入到千家万户。卫星电视的上行系统是广播电视安全播出的关键环节，必须可靠性高，运行稳定，宽频带高增益。我国大部分卫星电视上行系统，逐步应用速调管功率放大器代替了行波管放大器(TWTA)或全固态放大器(SSPA)。本文简析了速调管在卫星电视上行系统中的应用。
1速调管的工作原理
高功放是地球站重要的播出设备,它的作用是将上变频器输出的高频信号放大到能满足通信卫星接收的大功率微波信号。完成此任务目前广泛使用速调管放大器。它的工作过程如图1所示。
从阴极发射的电子受到直流电场的作用加速，在电子抢入口处形成均匀的电子束。当这个电子束通过输入腔的栅网缝隙时，由于在输入腔加有经前置放大器放大的射频信号，在输入腔中激励高频振荡，因此就会在栅网缝隙间建立起高频电场。使得均匀的电子束受到高频电场的作用。在高频电场正半周通过缝隙的电子被加速;高频电场负半周通过缝隙的电子被减速;当电场为零的时候电子速度均匀不变。这样通过栅网缝隙的电子受到高频电场的作用，形成电子束受到高频电场的速度调制。
经过速度调制的电子束，在输入腔缝隙出来时，进入无电场的漂移空间。电子速度不同，速度高的电子逐步会赶上速度低的电子，电子形成群聚。这样电子速度调制就会形成疏密不同的电子团，变成密度调制。这时的电子流不再是直流，而是含射频谐波成分的交流信号，形成电子密度调制。
已调制的电子束，通过输出腔体的栅网缝隙时，会在输出腔中激励起高频感应电流。如果输出谐振腔的频率恰好是射频频率，并且处于最佳群聚位置。就会振荡起来。并在缝隙处产生很强的高频电场，该电场又会反过来作用电子束。当输出腔处于最佳调谐于输入信号频率时。便会自动满足电子束“遇到减速场”情况。就是多数电子聚集成的群聚块是在感应电场的负半周穿过缝隙。受到减速而动能减少，也就是电子的动能交给高频电场。正半周穿过缝隙受到加速，吸收了部分的高频能量。但总的来说，电子失去的能量大于获得的能量，两者之差就转换成高频电场的能量。高频电场获得能量并通过振荡腔与外电路耦合传输给波导管。这样就完成了高频信号的放大。电子束穿出剩余的能量被收集极接收转换为热能。
2速调管高功放的构成
CPIGNE3KW速调管功率放大器是美国CPI公司，专门为卫星电视地球站上行系统设计的高频(5.9-6.4GHZ)功率放大器。相对于传统的行波管放大器(TWTA)和全固态放大器(SSPA)，整机功耗低，节能效率高。由两个独立的机箱通过信号线、电源线、通信线链接构成。
CPIGNE3KW速调管功率放大器主要由四个单元组成：射频单元、电源电源、分布控制单元、冷却单元。
2.1射频单元
射频单元是高功放最重要的核心，将上变频器送来的小信号通过高功放单元能量变换，输出大功率的射频信号。承担稳定可靠的功率放大任务，在受到天气变化或恶意干扰时，能迅速提升功率。
首先将上变频器送来的射频信号经隔离器，输入到前置固态放大器，放大成20dBm左右的速调管激励信号。隔离器具有极性响应和良好线性的二极管衰减器，二极管衰减器可以在0～-20dB范围内可调，如图2所示。
速调管最终实现高频功率放大，是将固态集成放大器(SSPA)信号进行再放大，速调管灯丝加热阴极发射电子束在高压电场中被加速进入谐振腔中，谐振腔调谐在上行频率附近。固态放大器输出的激励信号产生的交变电磁场对电子束进行速度调制，不同速度的电子束产生群聚现象。通过能量变换，受控于输入射频激励信号的密度调制电子束，该密度调制电子束将在输出谐振腔中激发出射频电流，产生大功率射频信号。剩余能量在收集极变成热量，经冷却装置散发。整个射频单元可提供80dB左右的输出增益，高功放效率能达到80%~90%。经速调高放大的射频信号由波导器件输出到天线。在波导器件中装有电弧检测装置，能够检测到某种原因产生的电弧时，迅速切断固态放大器射频激励。波导隔离器能将速调管放大器输出的射频信号输送到天线，同时还能消耗反射功率。高功放运行时上各环节都有检测取样信号送至微处理器，保障放大器安全运行。
2.2电源单元
稳定安全可靠的电源是速调管正常运行的有力保障。在CPIGNE高功放系统中，CPI公司独特的设计，应用微处理器控制开关电源的激励方波，实现各组电压的稳定输出。输入的三相380V交流电源，首先进入到瞬态抑制器，防止过高电压对电源系统的影响，再通过滤波器，减少传导噪声。然后受高功放主断路开关CBI控制。380V交流电一路通过电源输出接口，送至速调管冷却风扇;一路接到缺相检测电路。在A相上接一路独立电源，输出24V直流供微处理器工作电源使用，如图3所示。
主用380V交流通过整流、滤波成为480V直流，再经受控于微处理器的开关电路，由输出变压器输出各种交流电压。通过整流、滤波成为高功放所需的灯丝、阴极、收集极电压。经电缆送至高功放。
CPIGNE高功放电源稳定可靠的关键是，采用独立的微处理器，它把电源输入和输出端的各种取样信号(电压、电流、过载、告警)。反馈到处理器进行逻辑判断;还要接收通信接口送来的高功放控制指令，微处理器通过运算处理、逻辑判断，产生开关电路振荡的激励方波信号，能够根据实际的发射功率，灵活控制输出电压的大小，以及切断电源输出的控制信号。
2.3分布式控制单元
高功放运行，离不开各单元的协调工作，必须有完整的控制系统。CPIGEN速调管功放采用分布式微处理器管理系统，CAN总线通信链接各单元，专门的操作软件，操作界面简单明了，可以灵活兼容其他通信方式。CPIGEN速调管功放控制单元由四个控制器组成：外部接口控制器(EIC)、射频控制器(RFC)、前面板控制器(FPC)、电源处理控制器(PPC)。另外还有一个远程监测以太网控制器。各控制器都有独立的微处理器，控制器相互通过总线通信，各控制器随时都可以发出或接收指令，有一套完善的通信协议，保证控制器管理顺畅。
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开机时高功放前面板控制器为本控操作模式，由前面板控制器发出开机指令，同时通过总线向其他控制器发出该指令，电源处理控制器协调各组电源输出送至射频单元，外部接口控制器(EIC)、射频控制器(RFC)同时监测各环节的工作：风机进出口温度、波导切换开关状态、电弧、射频功率、反射功率、衰减器和有关电压电平设置。并对监测数据记录存储。当某一控制器监测到故障时，通过总线广播故障指令，系统会自动运算处理和逻辑判断，发出指令：切断信号、或切换波导、或降低电压电平、或调整相应参数。以太网控制器可实现远程监测和操作。
2.4冷却单元
CPIGEN速调管功放冷却全部采用强制风冷方式。射频机箱安装风机、风扇，电源机箱安装直流风扇。电源机箱的直流风扇从前面板风口吸入室内自然风，通过机箱内部带出热能。射频机箱速调管收集极安装强大的风机，吸入的热能通过外导管排除室外。前置固态放大器和输出波导器件旁边安装直流风扇冷却。在射频机箱外部接口控制器中装有风压、温度探测器，随时监测冷却单元的工作状态。
了解速调管的原理，掌握高功放的构成和各单元的功能，能更好配置高功放的电气性能和参数设置。有利于卫星电视的安全播出，发挥更大的社会效益。
