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行波管放大器

行波管功率放大器(英文:Traveling-wave tube amplifier,简称TWTA)是卫星通信星载系统中重要的高功放元件,TWTA的非线性特性会使多载波信号产生交调成份,导致交调失真、邻道干扰,影响通信系统的性能。

AR的行波管高功率是由射频单元和电源单元两部分组成,三相电源从射频单元输入,它再通过接口J10将三相交流电源馈送给电源部分,电源部分提供给射频部分高、低压,同时完成对射频部分的监控功能。

行波管(TWT)是一种利用电子流与沿慢波系统行进的电磁波间的连续相互作用而放大超高频电磁波(微波)的电子管。

主要由电子枪、慢波系统和收集极等部分组成,常用的慢波系统是一螺旋线和梳形结构等,特点是工作频带宽,噪声低,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一种行波管,称为返波管,可用作一种频带很宽的微波振荡器。

行波管功率放大器是卫星地球站上行系统的关键部件,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,频率范围为5.85~6.65GHz;在高电压、大电流状态下工作,可以获得比固态放大器高得多的输出功率,在6 GHz工作频段,额定输出功率可达2.25kW,是地球站抗恶意干扰的有效武器。

AR的行波管高功率放大器采用固态中功率放大器作为激励器,一方面降低了行波管的增益要求,有助于提高效率、减少体积与重量;另一方面可极大地降低整个放大链路的噪声系数。

由于固态中功率放大器的引入,降低了行波管的增益要求,这不仅增强了其宽带功率的能力,而且降低了对电压的要求,提高了可靠性。

此外,行波管的散热能力要比固态放大器大得多,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,可极大地提高行波管的效率,效率可达45%。

行波管放大器,是通过电磁场与电子注发生能量交换使高频信号得以放大的微波真空器件,行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。行波管在结构上包括电子枪、慢波电路、集中衰减器、能量耦合器、聚焦系统和收集极等部分。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。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用,电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的微波场的相位传播速度(相速)略高,称为同步条件。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以后,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

行波管放大器的发展历史 [1] ,在广播电视卫星传输领域,大多采用行波管功率放大器(TWTA)作为上行传输功率放大器,行波管功放具有输出功率大(Ku频段可以到2KW、C频段可以到3KW)、工作带宽范围宽(一般为750MHz,可扩展至1250MHz)、效率高(一般可以达到25%左右)等特点,是当前固态功率放大器(SSPA)很难达到的性能指标,但行波管功放与固态功放相比也有一些缺点,行波管放大器相位噪声产生 [2] ,如平均无故障工作时间(MTBF)短(行波管功放为:3万小时左右;固态功放为:5万小时左右),多载波工作时功率回退大(行波管功放一般要回退4-6dB;固态一般只回退3dB),同时,由于行波管功率放大器属于真空电子管放大器,其工作在高压环境中,因此其工作的可靠性、稳定性不如固态功率放大器。即便如此,在大功率(功率大于200W以上)应用方面,行波管功放的性价比还是比固态功率放大器高的。


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