GEN IV速调管高功放工作原理及维护

2014-09-04刘建国

数字通信世界 2014年4期

刘建国

（国家新闻出版广电总局无线电台管理局，北京 100866）

1 引言

高功放是卫星通信系统上行链路中不可缺少的设备。射频信号通过高功放获得足够的上行功率，使载波可以克服长距离传输的损耗，且在到达卫星转发器时能够具有足够的载噪比。近年来，出于更好地传输卫星节目以及抗干扰的要求，实现不间断高质量的安全播出，各地球站均采用了CPI GEN IV系列3kW速调管高功放。本文将从高功放的实际应用为入手点，深入分析GEN IV速调管高功放的结构和工作原理，并由此探讨对速调管高功放的日常维护措施。

2 速调管的工作原理

典型的速调管功率放大器包括射频输入部分（含前置放大）、速调管放大、射频输出等部分。其核心部分是速调管，由发射电子束的阴极、耦合及调速腔体、电子收集极三部分组成。GEN IV速调管高功放主要特点是采用了多收集极速调管（MSDC），如图1所示。

图1 MSDC速调管

其工作的基本原理为：

从阴极发射出的电子受到直流电场的加速，在电子枪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，由于在输入腔加有频率为f0的高频信号，便在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，在高频的信号正半周期通过缝隙的电子被加速，在高频的信号负半周期通过缝隙的电子被减速，在电场为零时，电子速度不变。这就是所谓的电子束随高频电场的速度调制。

这些经过速度调制的电子，从输入腔的缝隙出来后，进入无电场的漂移空间，由于电子的速度不同，速度高的电子便逐渐赶上了前面的速度低的电子，于是电子束就变成了有疏有密的电子团，显然这时的电子流不再是直流，而是含有f0谐波成分的交流。这一过程称成为电子束的群聚过程，或者说产生了电子密度调制。

已群聚的电子束通过输出腔的栅网缝隙时，就会在输出腔中激励起高频感性电流，如果输出谐振腔的频率恰好是f0且位于最佳群聚位置，那么就与电子流中的f0调谐，则在输出腔的缝隙处建立起f0的高频电场。当然该电场又反过来作用电子束。理论上可以证明，当输出腔处于最佳群聚位置时，且谐振腔调谐于输入信号频率上，便会自动满足电子束“遇到减速场”情况，即多数的电子聚集成的群聚块是在感应场的负半周穿过缝隙，因而收到减速，其他少数的电子虽在正半周穿过缝隙受到加速，但总的说来，电子失去的能量将大于获得的能量，两者之差就是转换为高频场的能量。高频场获得了能量，并通过谐振腔与外电路的耦合被传输出去，于是就完成了高频信号的放大。电子束的剩余能量被收集极接收。

从以上分析可以看出，速调管的工作过程分为速度调制、电子束群聚和能量转换三个主要过程。同时，为了获得更高的增益，速调管往往采取增加高品质因数的中间腔，使电子多次群聚的方法。然而，中间腔的增加并不是无限制的，随着腔数的增加，频带也就越窄。目前，CPI GEN IV系列速调管高功放采用的是五腔的速调管，这样C波段的频带可以达到45MHz，Ku波段的频带可以达到80MHz。

MSDC速调管特色在于采用多个收集极来收集电子，通过收集极多种压降，可以有效降低速调管的热量耗散，从而提高了速调管效率，同时也从某种程度上降低了对速调管风冷系统的要求。因此，为保障该速调管正常工作，除了提供适当的阴极束高压和灯丝电压之外，还应为收集极间建立适当的电压差。

3 GEN IV速调管高功放的组成及工作原理

GEN IV速调管高功放从系统结构上可以分为四个主要的分系统：射频系统、电源系统、控制系统以及制冷系统。下面我们将分别概述这四个分系统的作用，并对其工作原理进行阐述。

3.1 射频系统

射频系统可以说是速调管高功放的核心部分。射频小信号通过射频系统，通过能量的交换被放大为大功率的射频信号。射频系统所要承担的任务，正是高功放要完成的最本质也是最核心的功能。射频系统框图如图2所示。

按照信号的流程，我们可以把射频系统分为三个部分：输入部分（含前置放大器）、速调管部分、输出部分。整个射频系统可提供80dB左右的输出增益。

⊙ 输入部分由一个输入同轴隔离器和一个固态前置放大器（IPA）以及一个输出同轴隔离器组

技术研究成。这一级的典型增益是35dB，同时IPA集成有一个25dB的可调压控PIN二极管衰减器。

⊙ 速调管部分由速调管放大器构成，其典型增益是45dB。

⊙ 输出部分主要由波导器件组成，包括2个弧光检测器、1个隔离器、1个谐波滤波器（可选配）和3个耦合器（输出耦合、输出功率检测，发射功率检测）。

3.2 电源系统

电源系统为速调管高功放的正常工作提供动力保障，是各个系统工作的基础。电源系统实现了对普通三相交流电的转变，其中包括通过变压、整流等处理产生速调管工作所需的高压、灯丝电压、风机风扇电压等。因此，电源系统的稳定与否直接关系到整台高功放是否能够正常工作。电源系统框图如图3所示。

三相交流电通过电源单元机箱J1端口接入高功放电源单元后，首先进入一个瞬态抑制器（Transient Suppressor）A8，它可以钳住交流电瞬间出现的高振幅电压；然后通过EMI滤波器FL1，它可以减少传导噪声；紧接着进入高功放的主断路开关CB1（位于电源单元机箱的前面板上）。交流电一路通过输出接口接到速调管风冷系统供电；一路接到缺相检测板；A相接到电源板，提供24VDC工作电压。

接着主交流电会通过步进启动电路（Step-Start Circuit）A1，它可以非常有效地限制速调管高功放在启动时候产生的浪涌电流。步进启动电路是GEN IV系列速调管高功放在电源系统中的一个重要改进，它的独特优势在于：这一电路可以对输入滤波器A6内的电容进行“软”充电，因此，有效地限制了浪涌电流的产生。起初，提供给A6的交流电要通过开关K1和电阻R2，R3，因此限制了充电电流。大约一秒钟之后，滤波器电容容量的80%已被充好，此时主开关K2闭合，步进启动电路开关K1断开。

然后由输入滤波器A6对三相交流电进行整流和滤波处理。它包括两个电感L1，L2，接着是4个电容C1～C4，这些安装在一个PCB板上。电阻R1～R4确保了直流电压在电容器上的分配（输入为380～480VAC），同样，在Standby状态下或者高功放关机时它们可以为电容器放电。

从A6输出的未经调节的直流电被送入电源处理器（Power Processor）A3，A3将直流电转变成逆变为严格控制的180VAC，50kHz的方波信号，送入使电压升高的高压变压/整流器A4中。

A4可以将180VAC的方波的电压升高到一个非常高的水平，典型值为9kVAC，然后对其进行整流。A4输出的是电子束电压，灯丝电压和收集极电压。

A4输出的电压峰峰值大约为20V，在经过高压滤波器（HV Filter）A5采样和滤波之后，峰峰值减小到大约1V，被直接送入射频单元为速调管提供高压。A5包含高压滤波器、反馈/监测、灯丝电源等组件，电子束和灯丝电压的采样从高压滤波器反馈至电源处理器A2。

电子束电压、电子束电流、体电流、灯丝电压和灯丝电流被嵌入式的控制系统－电源处理控制器A2所监控。A2的功能包括：控制电子束电压，控制灯丝电压，控制步进启动电路开关，监测电源单元中的各种参数，检测电源单元中的错误状态，与前面板控制器和射频控制器进行通信。

3.3 控制系统

控制系统主要由5块控制板组成，它们之间由CAN总线实现相互间的通信。其中位于射频机箱内的是外部接口控制器、射频控制器、以太网接口控制器，前面板控制器位于射频机箱前门；电源处理器控制器位于电源单元内。如图4所示。

外部接口控制器（EIC）为高功放与外部设备之间提供了接口。它的主要作用是：监测风机风量；进风口与出风口的温度；监测和控制最多至10个波导倒换开关；监测和控制非同步串口；接受数字量输入（供用户用于高功放控制）；提供数字量输出（供用户用于监视）。

射频控制器（RFC）的主要作用是：监测和控制波导弧光探测器；监测射频输出功率的平均值和峰值；监测反射功率、机箱温度和循环O/T开关；控制衰减器和与射频功率水平相关的功能；控制前置放大器（IPA），当射频部分出现相关的错误时，射频控制器会立即关闭前置放大器；监测和控制数字调谐系统（DFTS）、线性器、上变频器等选件。

前面板控制器（FPC）为用户的计算机下载软件、上载系统配置、保存测量日志提供了接口。其主要作用是：监测和控制全系统的操作；监测用户从面板键盘输入的内容；控制640×480彩色LCD显示器；储存用户设置。

电源处理控制器（PPC）的主要作用是：监测电源单元的模拟和数字输入；控制电子束的开启和关闭；控制电子束和灯丝电压。如果高功放电源单元出现相关错误，PPC将立即关掉高压。

以太网接口控制器（EIH）的主要功能是：为外部以太网端口和内部CAN总线之间提供接口；提供以太网远控高功放的方式；提供通过以太网控制高功放固件闪存程序；提供快照文件（Snapshot）的以太网输出。

3.4 制冷系统

GEN IV系列速调管高功放的制冷全部都是采用强制风冷的方式。所有的风机和风扇都是安装在射频和电源单元机箱中的。每一台高功放系一共有三个制冷系统：一个位于电源单元中，两个位于射频单元中。

（1）电源单元制冷：电源单元的散热依靠的是位于其后面板上的直流风机实现的。这个风机从电源单元的前面板吸入空气。在正常的操作情况下，风机是不需要管道的，并且风机与机柜后板之间要有15cm的余量。在某些恶劣的工作条件下，需要高功放长时间处在接近饱和输出，这时原有的空调制冷能力无法承受如此大的功率产生的热量，此时电源单元就需要外加风道。如果要长时间在这种条件下工作，电源单元前面板的滤网要及时清理。

（2）射频单元制冷：在射频单元中利用一个大的、内置的交流风机对速调管收集级进行冷却，在风机进风口一定要有空气滤网，长时间的使用后要进行清洁除尘。在射频机箱内也有一个直流风扇安装在后面板上，从前面板吸入空气，并用于冷却固态前置放大器IPA，输出元件和速调管管体。在机箱内还有两个更小的直流风扇用于对速调管管体进行冷却。

4 GEN IV速调管高功放的维护

为了保证GEN IV速调管高功放可以长时间的稳定运行，并保持较高的工作效率，定期维护是高功放使用过程中的必不可少的环节。这种定期维护包括的主要内容有：检查、清理、测试和校准。维护的周期根据维护的内容的不同以及所维护的部件的不同而有所差异，一般的周期为一个月至六个月。良好的维护习惯对降低高功放的故障率，延长高功放及速调管寿命有着极其重要的意义。

4.1 预防性维护

结合厂家的建议和长期实际使用经验，我们对GEN IV速调管高功放的日常预防性的维护内容和周期做了总结，如表1所示。

4.1.1 检查表头告警及故障日志

值班员每天认真进行巡机检查是十分必要的，有助于第一时间发现和处理异态。

4.1.2 目测检查

每间隔一个月，用户应该对高功放进行物理上的检查，即所谓的目测。如果高功放的工作环境比较恶劣，那么检查的间隔周期应该缩短。测量日志是反映高功放工作状态的重要依据。同时，反射功率的增加、不能解释的错误的发生都是高功放工作状况劣化的重要体现，而造成这些问题的原因很可能在目测检查中发现。在进行目测检查的时候，必须保证主电源是关闭的，并按照如下步骤进行检查。

⊙ 在主电源关闭的条件下，检查所有连接插头是否连接完好并没有损坏，更换所有损坏的连接插头。

⊙ 检查线缆是否有褪色、破损或者绝缘不良的情况，对不良的线缆进行更换。

⊙ 检查所有的连接器是否被腐蚀、开裂、粘有污垢，予以清洁更换。

⊙ 查看器件是否有粘上水分或污渍的迹象（水分或污渍可以造成短路、打火、腐蚀或过热的状况），用不起毛的布、小的真空吸尘器、低风压的吹风机等对污渍进行清洁。

⊙ 检查所有的波导是否有变色、开裂、连接器松动和密封不严的情况，如有必要应对波导进行更换和维修。

4.1.3 检查和清洗空气滤网

速调管收集极散热风机的进风口空气滤网、电源单元前面板的空气滤网和射频单元前面板的空气滤网应该每个月做一次清洁。一般可用大功率吸尘器除去滤网上的灰尘，如果需要的话，可用热水和温和的洗涤剂清洗，彻底风干才能装上。

4.1.4 外部清洁

速调管高功放的外部面板需要每三个月进行一次清洁，环境较脏的情况下需要增加清洁频率。用干净的布和温和的、无腐蚀成分的洗涤剂清洁即可。

4.1.5 LED、显示面板颜色测试

每一个月就要对速调管高功放进行一次LED测试，以确保所有显示都能正常工作。对于用户而言，周期性的“颜色测试”是必要的，这可以保证TFTLCD显示屏功能正常。

4.1.6 波导弧光测试

这个测试通常状况下会在POST过程中自动进行。如果速调管高功放并不是每天都使用的话，波导弧光测试应该每个月进行一次。LED测试、显示面板颜色测试和波导弧光测试都可以在高功放面板菜单中找到，通过相应的操作即可完成所要求的测试内容。

4.1.7 运行功能测试

主要功能检验包括以下内容：输出功率设定、增益设定; 电源特性检查（高压电压、束电流、体电流、灯丝电压、灯丝电流）；射频抑制功能、自动电平控制功能、功率跟随功能、远程本地控制切换；保护性报警、故障功能检查（电弧保护、反射功率过大保护、管子冷却设施故障保护）、保护性故障条件设定及功能检查；主要电性能指标测试：饱和点功率、1dB压缩点、噪声特性、增益线性、交调特性、幅频特性等。

4.2 速调管散热系统维护

速调管是整个高功放的核心部件，它的正常工作与否直接关系到信号放大的功率、效率、电力消耗情况等等。同时，速调管，尤其是速调管的收集级工作时会产生比较大的热量，都是采用强制风冷的方式对其进行冷却。

尽管现在各个地球站对高功放的进风系统做了很大的改进，高功放本身的进风口处也有相应的空气滤网，但是做到绝对的无尘几乎是不可能的。在为速调管收集极进行强制风冷的同时，少量灰尘也在此时被带入其中，而且很容易被带有静电的收集极所吸引。日积月累，收集极上、速调管风机上等地方都会堆积大量的灰尘。这些灰尘会影响散热效果，引起低风量告警，收集极上的灰尘甚至会带来高压打火的隐患，这对高功放的使用是极其不利的。

根据在实际使用过程中总结的经验，收集极清洁应该每六个月执行一次，如果高功放机房的进风系统滤尘不佳，或者当地风沙较大，这种清洁应该更加频繁的进行。

4.3 高功放使用中的注意事项

⊙ 保持风机正常工作及出风口的畅通。

⊙ 机房温度控制在22℃左右为宜，机房制冷空调应有备份或冗余，避免出现单台制冷空调故障的隐患。

⊙ 设备关机时，应去掉风管，最好密封进出风口。

⊙ 如果出现低风量故障，首先检查出风口温度。如果温度没有变化，用无水酒精清洗射频单元后的风压检测开关。

4.4 如何延长速调管使用寿命

速调管作为核心放大器件，价格十分昂贵，应尽可能延长其使用寿命。根据我们对GEN IV系列速调管高功放特点的深入了解，以及使用多年的经验，认为选择正确的工作状态，对延长速调管的使用寿命有着很大的帮助。从另一方面说，速调管寿命的延长，也是对成本的一种变相节约。我们总结了速调管使用寿命与工作状态的关系，如表2所示。