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摘 要： 摘要：衛(wèi)星電視具有很高的科技含量，不斷應(yīng)用新技術(shù)發(fā)展和提升自己，本文介紹速調(diào)管的工作原理，以及在衛(wèi)星電視上行系統(tǒng)中，CPIGNE速調(diào)管高功放的構(gòu)成，闡述組成高功放各單元的工作原理。 關(guān)鍵詞：速調(diào)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(wèi)星電視具有很高的科技含量，不斷應(yīng)用新技術(shù)發(fā)展和提升自己，本文介紹速調(diào)管的工作原理，以及在衛(wèi)星電視上行系統(tǒng)中，CPIGNE速調(diào)管高功放的構(gòu)成，闡述組成高功放各單元的工作原理。
關(guān)鍵詞：速調(diào)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(guó)一直是黨和政府的喉舌，深受大眾的喜愛。衛(wèi)視電視憑借先進(jìn)的技術(shù)和覆蓋面廣的優(yōu)勢(shì)，深入到千家萬(wàn)戶。衛(wèi)星電視的上行系統(tǒng)是廣播電視安全播出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定，寬頻帶高增益。我國(guó)大部分衛(wèi)星電視上行系統(tǒng)，逐步應(yīng)用速調(diào)管功率放大器代替了行波管放大器(TWTA)或全固態(tài)放大器(SSPA)。本文簡(jiǎn)析了速調(diào)管在衛(wèi)星電視上行系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1速調(diào)管的工作原理
高功放是地球站重要的播出設(shè)備,它的作用是將上變頻器輸出的高頻信號(hào)放大到能滿足通信衛(wèi)星接收的大功率微波信號(hào)。完成此任務(wù)目前廣泛使用速調(diào)管放大器。它的工作過(guò)程如圖1所示。
從陰極發(fā)射的電子受到直流電場(chǎng)的作用加速，在電子搶入口處形成均勻的電子束。當(dāng)這個(gè)電子束通過(guò)輸入腔的柵網(wǎng)縫隙時(shí)，由于在輸入腔加有經(jīng)前置放大器放大的射頻信號(hào)，在輸入腔中激勵(lì)高頻振蕩，因此就會(huì)在柵網(wǎng)縫隙間建立起高頻電場(chǎng)。使得均勻的電子束受到高頻電場(chǎng)的作用。在高頻電場(chǎng)正半周通過(guò)縫隙的電子被加速;高頻電場(chǎng)負(fù)半周通過(guò)縫隙的電子被減速;當(dāng)電場(chǎng)為零的時(shí)候電子速度均勻不變。這樣通過(guò)柵網(wǎng)縫隙的電子受到高頻電場(chǎng)的作用，形成電子束受到高頻電場(chǎng)的速度調(diào)制。
經(jīng)過(guò)速度調(diào)制的電子束，在輸入腔縫隙出來(lái)時(shí)，進(jìn)入無(wú)電場(chǎng)的漂移空間。電子速度不同，速度高的電子逐步會(huì)趕上速度低的電子，電子形成群聚。這樣電子速度調(diào)制就會(huì)形成疏密不同的電子團(tuán)，變成密度調(diào)制。這時(shí)的電子流不再是直流，而是含射頻諧波成分的交流信號(hào)，形成電子密度調(diào)制。
已調(diào)制的電子束，通過(guò)輸出腔體的柵網(wǎng)縫隙時(shí)，會(huì)在輸出腔中激勵(lì)起高頻感應(yīng)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(huì)振蕩起來(lái)。并在縫隙處產(chǎn)生很強(qiáng)的高頻電場(chǎng)，該電場(chǎng)又會(huì)反過(guò)來(lái)作用電子束。當(dāng)輸出腔處于最佳調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率時(shí)。便會(huì)自動(dòng)滿足電子束“遇到減速場(chǎng)”情況。就是多數(shù)電子聚集成的群聚塊是在感應(yīng)電場(chǎng)的負(fù)半周穿過(guò)縫隙。受到減速而動(dòng)能減少，也就是電子的動(dòng)能交給高頻電場(chǎng)。正半周穿過(guò)縫隙受到加速，吸收了部分的高頻能量。但總的來(lái)說(shuō)，電子失去的能量大于獲得的能量，兩者之差就轉(zhuǎn)換成高頻電場(chǎng)的能量。高頻電場(chǎng)獲得能量并通過(guò)振蕩腔與外電路耦合傳輸給波導(dǎo)管。這樣就完成了高頻信號(hào)的放大。電子束穿出剩余的能量被收集極接收轉(zhuǎn)換為熱能。
2速調(diào)管高功放的構(gòu)成
CPIGNE3KW速調(diào)管功率放大器是美國(guó)CPI公司，專門為衛(wèi)星電視地球站上行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高頻(5.9-6.4GHZ)功率放大器。相對(duì)于傳統(tǒng)的行波管放大器(TWTA)和全固態(tài)放大器(SSPA)，整機(jī)功耗低，節(jié)能效率高。由兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)箱通過(guò)信號(hào)線、電源線、通信線鏈接構(gòu)成。
CPIGNE3KW速調(diào)管功率放大器主要由四個(gè)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(lái)的小信號(hào)通過(guò)高功放單元能量變換，輸出大功率的射頻信號(hào)。承擔(dān)穩(wěn)定可靠的功率放大任務(wù)，在受到天氣變化或惡意干擾時(shí)，能迅速提升功率。
首先將上變頻器送來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)隔離器，輸入到前置固態(tài)放大器，放大成20dBm左右的速調(diào)管激勵(lì)信號(hào)。隔離器具有極性響應(yīng)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(nèi)可調(diào)，如圖2所示。
速調(diào)管最終實(shí)現(xiàn)高頻功率放大，是將固態(tài)集成放大器(SSPA)信號(hào)進(jìn)行再放大，速調(diào)管燈絲加熱陰極發(fā)射電子束在高壓電場(chǎng)中被加速進(jìn)入諧振腔中，諧振腔調(diào)諧在上行頻率附近。固態(tài)放大器輸出的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)對(duì)電子束進(jìn)行速度調(diào)制，不同速度的電子束產(chǎn)生群聚現(xiàn)象。通過(guò)能量變換，受控于輸入射頻激勵(lì)信號(hào)的密度調(diào)制電子束，該密度調(diào)制電子束將在輸出諧振腔中激發(fā)出射頻電流，產(chǎn)生大功率射頻信號(hào)。剩余能量在收集極變成熱量，經(jīng)冷卻裝置散發(fā)。整個(gè)射頻單元可提供80dB左右的輸出增益，高功放效率能達(dá)到80%~90%。經(jīng)速調(diào)高放大的射頻信號(hào)由波導(dǎo)器件輸出到天線。在波導(dǎo)器件中裝有電弧檢測(cè)裝置，能夠檢測(cè)到某種原因產(chǎn)生的電弧時(shí)，迅速切斷固態(tài)放大器射頻激勵(lì)。波導(dǎo)隔離器能將速調(diào)管放大器輸出的射頻信號(hào)輸送到天線，同時(shí)還能消耗反射功率。高功放運(yùn)行時(shí)上各環(huán)節(jié)都有檢測(cè)取樣信號(hào)送至微處理器，保障放大器安全運(yùn)行。
2.2電源單元
穩(wěn)定安全可靠的電源是速調(diào)管正常運(yùn)行的有力保障。在CPIGNE高功放系統(tǒng)中，CPI公司獨(dú)特的設(shè)計(jì)，應(yīng)用微處理器控制開關(guān)電源的激勵(lì)方波，實(shí)現(xiàn)各組電壓的穩(wěn)定輸出。輸入的三相380V交流電源，首先進(jìn)入到瞬態(tài)抑制器，防止過(guò)高電壓對(duì)電源系統(tǒng)的影響，再通過(guò)濾波器，減少傳導(dǎo)噪聲。然后受高功放主斷路開關(guān)CBI控制。380V交流電一路通過(guò)電源輸出接口，送至速調(diào)管冷卻風(fēng)扇;一路接到缺相檢測(cè)電路。在A相上接一路獨(dú)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(guò)整流、濾波成為480V直流，再經(jīng)受控于微處理器的開關(guān)電路，由輸出變壓器輸出各種交流電壓。通過(guò)整流、濾波成為高功放所需的燈絲、陰極、收集極電壓。經(jīng)電纜送至高功放。
CPIGNE高功放電源穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵是，采用獨(dú)立的微處理器，它把電源輸入和輸出端的各種取樣信號(hào)(電壓、電流、過(guò)載、告警)。反饋到處理器進(jìn)行邏輯判斷;還要接收通信接口送來(lái)的高功放控制指令，微處理器通過(guò)運(yùn)算處理、邏輯判斷，產(chǎn)生開關(guān)電路振蕩的激勵(lì)方波信號(hào)，能夠根據(jù)實(shí)際的發(fā)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(hào)。
2.3分布式控制單元
高功放運(yùn)行，離不開各單元的協(xié)調(diào)工作，必須有完整的控制系統(tǒng)。CPIGEN速調(diào)管功放采用分布式微處理器管理系統(tǒng)，CAN總線通信鏈接各單元，專門的操作軟件，操作界面簡(jiǎn)單明了，可以靈活兼容其他通信方式。CPIGEN速調(diào)管功放控制單元由四個(gè)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(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以太網(wǎng)控制器。各控制器都有獨(dú)立的微處理器，控制器相互通過(guò)總線通信，各控制器隨時(shí)都可以發(fā)出或接收指令，有一套完善的通信協(xié)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(bào)研究所主辦的面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性指導(dǎo)類科技期刊。設(shè)有決策參考、技術(shù)創(chuàng)新、信息技術(shù)、情報(bào)工作、研究與探討、建設(shè)科技、醫(yī)學(xué)研究、農(nóng)林園地等欄目。該刊被列入《中國(guó)期刊方陣雙效期刊》和國(guó)家級(jí)火炬計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源期刊、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊全文收錄。
開機(jī)時(shí)高功放前面板控制器為本控操作模式，由前面板控制器發(fā)出開機(jī)指令，同時(shí)通過(guò)總線向其他控制器發(fā)出該指令，電源處理控制器協(xié)調(diào)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(shí)監(jiān)測(cè)各環(huán)節(jié)的工作：風(fēng)機(jī)進(jìn)出口溫度、波導(dǎo)切換開關(guān)狀態(tài)、電弧、射頻功率、反射功率、衰減器和有關(guān)電壓電平設(shè)置。并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)。當(dāng)某一控制器監(jiān)測(cè)到故障時(shí)，通過(guò)總線廣播故障指令，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)算處理和邏輯判斷，發(fā)出指令：切斷信號(hào)、或切換波導(dǎo)、或降低電壓電平、或調(diào)整相應(yīng)參數(shù)。以太網(wǎng)控制器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和操作。
2.4冷卻單元
CPIGEN速調(diào)管功放冷卻全部采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式。射頻機(jī)箱安裝風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇，電源機(jī)箱安裝直流風(fēng)扇。電源機(jī)箱的直流風(fēng)扇從前面板風(fēng)口吸入室內(nèi)自然風(fēng)，通過(guò)機(jī)箱內(nèi)部帶出熱能。射頻機(jī)箱速調(diào)管收集極安裝強(qiáng)大的風(fēng)機(jī)，吸入的熱能通過(guò)外導(dǎo)管排除室外。前置固態(tài)放大器和輸出波導(dǎo)器件旁邊安裝直流風(fēng)扇冷卻。在射頻機(jī)箱外部接口控制器中裝有風(fēng)壓、溫度探測(cè)器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻單元的工作狀態(tài)。
了解速調(diào)管的原理，掌握高功放的構(gòu)成和各單元的功能，能更好配置高功放的電氣性能和參數(shù)設(shè)置。有利于衛(wèi)星電視的安全播出，發(fā)揮更大的社會(huì)效益。