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【摘要】卫星新闻直播车系统即SNG（Satellite News Gathering），是以卫星通信系统作为传输平台，在新闻现场所采集到的视频及音频信号，通过卫星车系统处理，然后发射到同步通信卫星，再转送回电视台。高功率放大器（HPA High-power Amplifier简称高功放）是卫星上行系统中的核心设备，其功能是将上变频器变频放大后的信号进行功率放大，然后通过波导连接天线发射给卫星。
【关键词】饱和功率 增益 频带 1dB压缩点 SSPA TWTA KPA
中图分类号：TN94 文献标识码：A 文章编号：1673-0348（2020）017-113-04
Abstract： SNG（Satellite News Gathering） is a satellite communication system as a transmission platform. The video and audio signals collected at the news scene are processed by the satellite car system， then transmitted to synchronous communication satellites and then transmitted back to TV stations. HPA High-power Amplifier （HPA High-Power Amplifier for short） is the core equipment in satellite uplink system. Its function is to amplify the power of the signal amplified by the upconverter， and then transmit it to the satellite through waveguide connecting antenna.
Key words： saturated power gain band 1dB compression point SSPA TWTA KPA
由于卫星信号覆盖范围广、通信容量大、信道条件好、受自然和环境的因素影响较小，使得卫星通信系统可以及时、准确、有效地传输信息。在当前这个全媒体时代，直播卫星的超级强大的内容分发平台对新闻传播的时效性与及时性有着强有力的保障。因此，设计合适的卫星直播车系统进行新闻直播是电视媒体在全媒体时代竞争的一大手段。微弱的电视信号要安全可靠的传送到35786千米高的同步卫星上，这就需要用到功率放大器，同时系统设计的高功放设备必须具备性能稳定、输出功率大，易维护等特点。接下来我跟大家分享一下在卫星新闻直播车功放的选择方面的一些看法。
1. 系统设计：
以一个3+1+2（另外支持1路无线和2路外来信号接入）讯道的卫星直播车系统为例，天线直径DT=1.5m，设计容量为最多6路输入一路输出，传输链路使用Ku波段（卫星直播车有的也采用C波段的卫星车，相比之下Ku频段的卫星天线接收效率更高，尺寸可以做到更小，可以有效的降低成本，在此不再赘述），压缩编码采用H.264标准。
高清视频信号取16Mb/s（一般为8～16Mb/s）、2路立体声0.512 Mb/s、低速数据0.064 Mb/s、数据开销5%。经过计算可以知道上行带宽Bn=9MHz。为了使上行链路可用度不小于99.98%，经过反复验证，高功放法兰口功率需要约330W，考虑波导损耗，那么高功放功率采用400W较合适。高功放的功率确定以后就要选择合适的功率放大器。
2. 功率放大器的选择
2.1 功率放大器的种类
高功率放大器主要有两种：一种是固态晶体管放大器，即SSPA（Solid State Power Amplifier）;另一种是电子管放大器，电子管放大器包括TWTA （Travelling Wave Tube Amplifier） 行波管功率放大器和KPA （Klystron Power Amplifier） 速調管功率放大器。
2.1.1 固态晶体管放大器（SSPA）
固态晶体管放大器是利用一系列组合场效应管（FET）来放大信号，这些FET由砷化镓或氮化镓制成，它们的8个电子的共价键会产生大的带隙和高电子迁移率，使高功放的输出有更大的功率。固态功放具有体积小、线性好、寿命长、省电和维护方便等优点，因此其除了运用在卫星转发器外，还在卫星通信地球站上行链路中用作前置放大以推动数百瓦的电子管放大器。
如图1所示，SSPA放大器为内匹配模块结构，可以有效减少功放体积又便于级联。
模块化SSPA利用同相合成原理，可以使高功放最大输出功率大大提升，在Ku波段最大输出功率可达1KW以上，C波段输出可达3KW以上。模块化的SSPA在其中一个模块出现故障时，总输出功率也只下降几个dB，并不至于引起信号中断，因此可靠性大大增强。
2.1.2 行波管放大器（TWTA）
如图2所示，行波管主要由电子枪、磁聚焦系统、慢波结构、输入输出装置、收集极（还包括集中衰减器、能量耦合器、聚焦系统）等部分组成。常用的慢波系统是一螺旋线和梳形结构等，适宜于作为中、小功率的放大器。电磁波行进方向与电子流方向相反的行波管则称为返波管，可用作一种频带很宽的微波振荡器。 行波管放大器是通过电磁场与电子注发生能量交换，靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的的微波真空器件。
在行波管中，电子注与慢波电路中的微波场发生相互作用。微波场沿着慢波电路向前行进，输入的微波信号在慢波电路建立起微弱的电磁场。电子注进入慢波电路相互作用区域后，首先受到微波场的速度调制，电子在继续向前运动时逐渐形成密度调制。大部分电子群聚于减速场中，而且电子在减速场滞留时间比较长。因此，电子注动能有一部分转化为微波场的能量，从而使微波信号得到放大。现在的TWTA具有多级集电极，从而可以产生高效且体积更小的放大器。 由于行波管没有采用速调管的独立谐振腔结构，因此具有频带宽的特点，使用TWTA的高功放通道工作带宽宽——一般为750MHz，可扩展至1250MHz;行波管放大器另一特点是效率高——一般可以达到25%左右，AR的行波管高功率放大器采用多级降压收集极回收部分电子注能量，效率可达45%;此外，行波管放大器能够输出的功率更大（Ku波段可以达2KW以上，C波段可以达3KW以上）。
2.1.3 速调管功率放大器（KPA）
速调管分为直射速调管和反射速调管两类，通常将直射速调管简称为速调管。如图3所示，直射速调管在结构上包括以下几部分：电子枪、谐振腔、调谐系统、各腔之间的漂移管、能量耦合器、收集极和聚焦系统。具有两个谐振腔的速调管称为双腔速调管;具有两个以上谐振腔者称为多腔速调管。
速调管是利用周期性调制电子注速度来实现振荡或放大的一种微波电子管，其原理是先在输入腔中对电子注进行速度调制，经漂移后转变为密度调制，然后群聚的电子块与输出腔隙缝的微波场交换能量，电子将动能交给微波场，完成振荡或放大。使用KPA的高功放有增益高（可达80dB）的优点;但缺点是功耗大、通道带宽较窄。通常五腔速调管增益为45dB左右，C波段每通道带宽约为45MHz，输出功率可达3.3KW以上;Ku波段每通道带宽约为80 MHz，输出功率可达2.5KW以上。
新型速调管高功放采用多收集极速调管（MSDC），可以根据输出功率的大小自动调整管子束电压和灯丝电压，降低耗散功率，提高管子的使用寿命。
2.2 微波功率放大器的常用指标及含义
2.2.1 工作频带
指微波功率放大器在所有指标都满足的情况下的一个不间断的频率范围。在实际工程应用中我们常用RBW（相对带宽）来表示功率放大器的实际工作频段，其表示方法可用百分数表示法和倍数表示法，两者间可以相互转换。
百分数表示法：
其中（fH-fL）指绝对带宽，用BW表示，f0指中心频率，RBW为相对带宽。
倍数表示法：
其中fH为高频端的截止频率，fL指低频端截止频率。
2.2.2 饱和输出功率
饱和输出功率又叫高功放的最大输出功率，是指高功率放大器输出功率与输入功率的传递特性曲线上，输入功率增加而输出功率不再增加时对应的输出功率。如图4的A点。
2.2.3 增益
在微波功率放大器中，根据源阻抗与负载阻抗关系，我们经常需要用到实际增益G、可用功增益GA和转换增益GT，我们平常说的放大器增益指在负载端消耗功率与输入端功率之比，即实际功率增益，用G来表示。公式如下：
2.2.4 1dB压缩点
我们知道放大器有一个线性动态范围，在这个范围内放大器的输出功率随输入功率线性增加，在这个区域我们称之为线性区域。随着输入功率的增大，放大器进入非线性区域，其输出功率不再随输入功率呈线性变化，即输出功率会低于信号线性计算之增益，通常我们把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点。如图4所示之B点。
2.2.5 额定输出功率
通常固态高功放额定输出功率标定的是位于1dB压缩点的输出功率，而行波管、速调管高功放的额定输出功率标定的是饱和输出功率。
2.2.6 效率
功放的效率是用来衡量功率放大器将直流提供的电源功率转化为输出功率的能力，是功放的几大重要设计指标之一。常用的表示方法有功率附加效率和功率漏极效率两种。
当然，在系统的设计上也要考虑功放其它一些指标，如输入输出驻波比、回波损耗反射系数、交调失真等参数的影响。
3. 三种高功放优缺点比较
通过下表我们可以很直观的看出这几种高功放的优缺点，通过对比其相关指标与性能特点，再结合单位的需求与经济等各方面实际情况，我们就可以对卫星新闻直播车系统的高功放做出合适的选择。
高功放种类 优点 缺点
1 固态晶体管放大器（SSPA） 体积小、重量轻、可靠性高、线性好 散热不佳、抗击穿弱、更耗电
2 行波管放大器
（TWTA） 宽频带、高增益、高效率、输出功率大、散热强、性价比高 多载波功率回退大（4-6DB）、相位噪声、故障时间短、可靠性稳定性一般、省电
3 速调管功率放大器（KPA） 增益高（多腔）、效率高、线性好、高功率、稳定性好 体积大、功耗大、通道带宽较窄
从目前看，在卫星广播电视的上行站中，固态功放放大器、行波管放大器、速调管大放器这三种高功放均有运用;同步卫星上则为行波管放大器和固态功放放大器。
一方面，经过计算和反复论证得出所需之高功放的实际输出功率要大于400W;另一方面，根据整套直播车系统（包括车体、系统相关设备）预算，我们使用Ku波段的1.5m天线，因此需要用到的高功放要有高增益、高效率的特点，同时限于车体大小，放大器则需要做到更小且散热要强。再结合今后使用场合（包括地理位置、工作环境）、后期使用的技术维護等各方面考虑，我们在设计中选择了400W行波管高功率放大器。
4. 结束语
真空管和固态电子器件之间的争论已经持续了几十年，速调管功放曾被断言最多只有几年的市场，但是直到今天，速调管功放和行波管功放依然有着稳健的市场。行波管技术更是因为其稳定性被持续多年用于工业、地面和太空通信中。当然固态技术这些年的发展也非常快，低功率（200W以下）几乎是固态的天下。对于这几种高功放的争论点其实就是对它们性能的比较（功率、效率及带宽大小等性能的选择）。作为广播电视行业，对高功率放大器选择除了考虑高功放本身的性能，还要考虑自身的实际情况，例如，工作环境的恶劣程度、应用带宽及功率大小的需求、预算的多少、操作和维护的要求及经济支撑能力等。
参考文献：
[1]郭开周. 行波管物理及理论问题[M].电子工业出版社，2011.6
[2]孙学康，张政.微波与卫星通信.人民邮电出版社[M]，2003.6
[3]龙忠琪.模拟集成电路教程.科学出版社[M]，2004.1.
[4]丁耀根，等.大功率速调管的设计制造和应用. 国防工业出版社，2010.12
[5]A.S.Gilmour，Jr.Klystrons Traveling Wave Tubes，Magnetrons，Crossed-Field Amplifiers，andGyrotrons[M].丁耀根，张兆传等.国防工业出版社，2012.12.
[6]Franco Sechi Marina Bujatti.Solid-State Microwave High-Power Amplifiers[M].董士伟，董亚洲，黄普明，等.国防工业出版社，2015.1.
【关键词】饱和功率 增益 频带 1dB压缩点 SSPA TWTA KPA
中图分类号：TN94 文献标识码：A 文章编号：1673-0348（2020）017-113-04
Abstract： SNG（Satellite News Gathering） is a satellite communication system as a transmission platform. The video and audio signals collected at the news scene are processed by the satellite car system， then transmitted to synchronous communication satellites and then transmitted back to TV stations. HPA High-power Amplifier （HPA High-Power Amplifier for short） is the core equipment in satellite uplink system. Its function is to amplify the power of the signal amplified by the upconverter， and then transmit it to the satellite through waveguide connecting antenna.
Key words： saturated power gain band 1dB compression point SSPA TWTA KPA
由于卫星信号覆盖范围广、通信容量大、信道条件好、受自然和环境的因素影响较小，使得卫星通信系统可以及时、准确、有效地传输信息。在当前这个全媒体时代，直播卫星的超级强大的内容分发平台对新闻传播的时效性与及时性有着强有力的保障。因此，设计合适的卫星直播车系统进行新闻直播是电视媒体在全媒体时代竞争的一大手段。微弱的电视信号要安全可靠的传送到35786千米高的同步卫星上，这就需要用到功率放大器，同时系统设计的高功放设备必须具备性能稳定、输出功率大，易维护等特点。接下来我跟大家分享一下在卫星新闻直播车功放的选择方面的一些看法。
1. 系统设计：
以一个3+1+2（另外支持1路无线和2路外来信号接入）讯道的卫星直播车系统为例，天线直径DT=1.5m，设计容量为最多6路输入一路输出，传输链路使用Ku波段（卫星直播车有的也采用C波段的卫星车，相比之下Ku频段的卫星天线接收效率更高，尺寸可以做到更小，可以有效的降低成本，在此不再赘述），压缩编码采用H.264标准。
高清视频信号取16Mb/s（一般为8～16Mb/s）、2路立体声0.512 Mb/s、低速数据0.064 Mb/s、数据开销5%。经过计算可以知道上行带宽Bn=9MHz。为了使上行链路可用度不小于99.98%，经过反复验证，高功放法兰口功率需要约330W，考虑波导损耗，那么高功放功率采用400W较合适。高功放的功率确定以后就要选择合适的功率放大器。
2. 功率放大器的选择
2.1 功率放大器的种类
高功率放大器主要有两种：一种是固态晶体管放大器，即SSPA（Solid State Power Amplifier）;另一种是电子管放大器，电子管放大器包括TWTA （Travelling Wave Tube Amplifier） 行波管功率放大器和KPA （Klystron Power Amplifier） 速調管功率放大器。
2.1.1 固态晶体管放大器（SSPA）
固态晶体管放大器是利用一系列组合场效应管（FET）来放大信号，这些FET由砷化镓或氮化镓制成，它们的8个电子的共价键会产生大的带隙和高电子迁移率，使高功放的输出有更大的功率。固态功放具有体积小、线性好、寿命长、省电和维护方便等优点，因此其除了运用在卫星转发器外，还在卫星通信地球站上行链路中用作前置放大以推动数百瓦的电子管放大器。
如图1所示，SSPA放大器为内匹配模块结构，可以有效减少功放体积又便于级联。
模块化SSPA利用同相合成原理，可以使高功放最大输出功率大大提升，在Ku波段最大输出功率可达1KW以上，C波段输出可达3KW以上。模块化的SSPA在其中一个模块出现故障时，总输出功率也只下降几个dB，并不至于引起信号中断，因此可靠性大大增强。
2.1.2 行波管放大器（TWTA）
如图2所示，行波管主要由电子枪、磁聚焦系统、慢波结构、输入输出装置、收集极（还包括集中衰减器、能量耦合器、聚焦系统）等部分组成。常用的慢波系统是一螺旋线和梳形结构等，适宜于作为中、小功率的放大器。电磁波行进方向与电子流方向相反的行波管则称为返波管，可用作一种频带很宽的微波振荡器。 行波管放大器是通过电磁场与电子注发生能量交换，靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的的微波真空器件。
在行波管中，电子注与慢波电路中的微波场发生相互作用。微波场沿着慢波电路向前行进，输入的微波信号在慢波电路建立起微弱的电磁场。电子注进入慢波电路相互作用区域后，首先受到微波场的速度调制，电子在继续向前运动时逐渐形成密度调制。大部分电子群聚于减速场中，而且电子在减速场滞留时间比较长。因此，电子注动能有一部分转化为微波场的能量，从而使微波信号得到放大。现在的TWTA具有多级集电极，从而可以产生高效且体积更小的放大器。 由于行波管没有采用速调管的独立谐振腔结构，因此具有频带宽的特点，使用TWTA的高功放通道工作带宽宽——一般为750MHz，可扩展至1250MHz;行波管放大器另一特点是效率高——一般可以达到25%左右，AR的行波管高功率放大器采用多级降压收集极回收部分电子注能量，效率可达45%;此外，行波管放大器能够输出的功率更大（Ku波段可以达2KW以上，C波段可以达3KW以上）。
2.1.3 速调管功率放大器（KPA）
速调管分为直射速调管和反射速调管两类，通常将直射速调管简称为速调管。如图3所示，直射速调管在结构上包括以下几部分：电子枪、谐振腔、调谐系统、各腔之间的漂移管、能量耦合器、收集极和聚焦系统。具有两个谐振腔的速调管称为双腔速调管;具有两个以上谐振腔者称为多腔速调管。
速调管是利用周期性调制电子注速度来实现振荡或放大的一种微波电子管，其原理是先在输入腔中对电子注进行速度调制，经漂移后转变为密度调制，然后群聚的电子块与输出腔隙缝的微波场交换能量，电子将动能交给微波场，完成振荡或放大。使用KPA的高功放有增益高（可达80dB）的优点;但缺点是功耗大、通道带宽较窄。通常五腔速调管增益为45dB左右，C波段每通道带宽约为45MHz，输出功率可达3.3KW以上;Ku波段每通道带宽约为80 MHz，输出功率可达2.5KW以上。
新型速调管高功放采用多收集极速调管（MSDC），可以根据输出功率的大小自动调整管子束电压和灯丝电压，降低耗散功率，提高管子的使用寿命。
2.2 微波功率放大器的常用指标及含义
2.2.1 工作频带
指微波功率放大器在所有指标都满足的情况下的一个不间断的频率范围。在实际工程应用中我们常用RBW（相对带宽）来表示功率放大器的实际工作频段，其表示方法可用百分数表示法和倍数表示法，两者间可以相互转换。
百分数表示法：
其中（fH-fL）指绝对带宽，用BW表示，f0指中心频率，RBW为相对带宽。
倍数表示法：
其中fH为高频端的截止频率，fL指低频端截止频率。
2.2.2 饱和输出功率
饱和输出功率又叫高功放的最大输出功率，是指高功率放大器输出功率与输入功率的传递特性曲线上，输入功率增加而输出功率不再增加时对应的输出功率。如图4的A点。
2.2.3 增益
在微波功率放大器中，根据源阻抗与负载阻抗关系，我们经常需要用到实际增益G、可用功增益GA和转换增益GT，我们平常说的放大器增益指在负载端消耗功率与输入端功率之比，即实际功率增益，用G来表示。公式如下：
2.2.4 1dB压缩点
我们知道放大器有一个线性动态范围，在这个范围内放大器的输出功率随输入功率线性增加，在这个区域我们称之为线性区域。随着输入功率的增大，放大器进入非线性区域，其输出功率不再随输入功率呈线性变化，即输出功率会低于信号线性计算之增益，通常我们把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点。如图4所示之B点。
2.2.5 额定输出功率
通常固态高功放额定输出功率标定的是位于1dB压缩点的输出功率，而行波管、速调管高功放的额定输出功率标定的是饱和输出功率。
2.2.6 效率
功放的效率是用来衡量功率放大器将直流提供的电源功率转化为输出功率的能力，是功放的几大重要设计指标之一。常用的表示方法有功率附加效率和功率漏极效率两种。
当然，在系统的设计上也要考虑功放其它一些指标，如输入输出驻波比、回波损耗反射系数、交调失真等参数的影响。
3. 三种高功放优缺点比较
通过下表我们可以很直观的看出这几种高功放的优缺点，通过对比其相关指标与性能特点，再结合单位的需求与经济等各方面实际情况，我们就可以对卫星新闻直播车系统的高功放做出合适的选择。
高功放种类 优点 缺点
1 固态晶体管放大器（SSPA） 体积小、重量轻、可靠性高、线性好 散热不佳、抗击穿弱、更耗电
2 行波管放大器
（TWTA） 宽频带、高增益、高效率、输出功率大、散热强、性价比高 多载波功率回退大（4-6DB）、相位噪声、故障时间短、可靠性稳定性一般、省电
3 速调管功率放大器（KPA） 增益高（多腔）、效率高、线性好、高功率、稳定性好 体积大、功耗大、通道带宽较窄
从目前看，在卫星广播电视的上行站中，固态功放放大器、行波管放大器、速调管大放器这三种高功放均有运用;同步卫星上则为行波管放大器和固态功放放大器。
一方面，经过计算和反复论证得出所需之高功放的实际输出功率要大于400W;另一方面，根据整套直播车系统（包括车体、系统相关设备）预算，我们使用Ku波段的1.5m天线，因此需要用到的高功放要有高增益、高效率的特点，同时限于车体大小，放大器则需要做到更小且散热要强。再结合今后使用场合（包括地理位置、工作环境）、后期使用的技术维護等各方面考虑，我们在设计中选择了400W行波管高功率放大器。
4. 结束语
真空管和固态电子器件之间的争论已经持续了几十年，速调管功放曾被断言最多只有几年的市场，但是直到今天，速调管功放和行波管功放依然有着稳健的市场。行波管技术更是因为其稳定性被持续多年用于工业、地面和太空通信中。当然固态技术这些年的发展也非常快，低功率（200W以下）几乎是固态的天下。对于这几种高功放的争论点其实就是对它们性能的比较（功率、效率及带宽大小等性能的选择）。作为广播电视行业，对高功率放大器选择除了考虑高功放本身的性能，还要考虑自身的实际情况，例如，工作环境的恶劣程度、应用带宽及功率大小的需求、预算的多少、操作和维护的要求及经济支撑能力等。
参考文献：
[1]郭开周. 行波管物理及理论问题[M].电子工业出版社，2011.6
[2]孙学康，张政.微波与卫星通信.人民邮电出版社[M]，2003.6
[3]龙忠琪.模拟集成电路教程.科学出版社[M]，2004.1.
[4]丁耀根，等.大功率速调管的设计制造和应用. 国防工业出版社，2010.12
[5]A.S.Gilmour，Jr.Klystrons Traveling Wave Tubes，Magnetrons，Crossed-Field Amplifiers，andGyrotrons[M].丁耀根，张兆传等.国防工业出版社，2012.12.
[6]Franco Sechi Marina Bujatti.Solid-State Microwave High-Power Amplifiers[M].董士伟，董亚洲，黄普明，等.国防工业出版社，2015.1.