GEN IV速調管高功放工作原理及維護

劉建國

（國家新聞出版廣電總局無線電臺管理局，北京 100866）

1 引言

高功放是衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路中不可缺少的設備。射頻信號通過高功放獲得足夠的上行功率，使載波可以克服長距離傳輸的損耗，且在到達衛(wèi)星轉發(fā)器時能夠具有足夠的載噪比。近年來，出于更好地傳輸衛(wèi)星節(jié)目以及抗干擾的要求，實現不間斷高質量的安全播出，各地球站均采用了CPI GEN IV系列3kW速調管高功放。本文將從高功放的實際應用為入手點，深入分析GEN IV速調管高功放的結構和工作原理，并由此探討對速調管高功放的日常維護措施。

2 速調管的工作原理

典型的速調管功率放大器包括射頻輸入部分（含前置放大）、速調管放大、射頻輸出等部分。其核心部分是速調管，由發(fā)射電子束的陰極、耦合及調速腔體、電子收集極三部分組成。GEN IV速調管高功放主要特點是采用了多收集極速調管（MSDC），如圖1所示。

圖1 MSDC速調管

其工作的基本原理為：

從陰極發(fā)射出的電子受到直流電場的加速，在電子槍入口處形成均勻的電子束。當這個電子束通過輸入腔的柵網縫隙時，由于在輸入腔加有頻率為f0的高頻信號，便在縫隙間建立起高頻電場，使得均勻的電子束受到高頻電場的作用，在高頻的信號正半周期通過縫隙的電子被加速，在高頻的信號負半周期通過縫隙的電子被減速，在電場為零時，電子速度不變。這就是所謂的電子束隨高頻電場的速度調制。

這些經過速度調制的電子，從輸入腔的縫隙出來后，進入無電場的漂移空間，由于電子的速度不同，速度高的電子便逐漸趕上了前面的速度低的電子，于是電子束就變成了有疏有密的電子團，顯然這時的電子流不再是直流，而是含有f0諧波成分的交流。這一過程稱成為電子束的群聚過程，或者說產生了電子密度調制。

已群聚的電子束通過輸出腔的柵網縫隙時，就會在輸出腔中激勵起高頻感性電流，如果輸出諧振腔的頻率恰好是f0且位于最佳群聚位置，那么就與電子流中的f0調諧，則在輸出腔的縫隙處建立起f0的高頻電場。當然該電場又反過來作用電子束。理論上可以證明，當輸出腔處于最佳群聚位置時，且諧振腔調諧于輸入信號頻率上，便會自動滿足電子束“遇到減速場”情況，即多數的電子聚集成的群聚塊是在感應場的負半周穿過縫隙，因而收到減速，其他少數的電子雖在正半周穿過縫隙受到加速，但總的說來，電子失去的能量將大于獲得的能量，兩者之差就是轉換為高頻場的能量。高頻場獲得了能量，并通過諧振腔與外電路的耦合被傳輸出去，于是就完成了高頻信號的放大。電子束的剩余能量被收集極接收。

從以上分析可以看出，速調管的工作過程分為速度調制、電子束群聚和能量轉換三個主要過程。同時，為了獲得更高的增益，速調管往往采取增加高品質因數的中間腔，使電子多次群聚的方法。然而，中間腔的增加并不是無限制的，隨著腔數的增加，頻帶也就越窄。目前，CPI GEN IV系列速調管高功放采用的是五腔的速調管，這樣C波段的頻帶可以達到45MHz，Ku波段的頻帶可以達到80MHz。

MSDC速調管特色在于采用多個收集極來收集電子，通過收集極多種壓降，可以有效降低速調管的熱量耗散，從而提高了速調管效率，同時也從某種程度上降低了對速調管風冷系統(tǒng)的要求。因此，為保障該速調管正常工作，除了提供適當的陰極束高壓和燈絲電壓之外，還應為收集極間建立適當的電壓差。

3 GEN IV速調管高功放的組成及工作原理

GEN IV速調管高功放從系統(tǒng)結構上可以分為四個主要的分系統(tǒng)：射頻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及制冷系統(tǒng)。下面我們將分別概述這四個分系統(tǒng)的作用，并對其工作原理進行闡述。

3.1 射頻系統(tǒng)

射頻系統(tǒng)可以說是速調管高功放的核心部分。射頻小信號通過射頻系統(tǒng)，通過能量的交換被放大為大功率的射頻信號。射頻系統(tǒng)所要承擔的任務，正是高功放要完成的最本質也是最核心的功能。射頻系統(tǒng)框圖如圖2所示。

按照信號的流程，我們可以把射頻系統(tǒng)分為三個部分：輸入部分（含前置放大器）、速調管部分、輸出部分。整個射頻系統(tǒng)可提供80dB左右的輸出增益。

⊙ 輸入部分由一個輸入同軸隔離器和一個固態(tài)前置放大器（IPA）以及一個輸出同軸隔離器組

技術研究成。這一級的典型增益是35dB，同時IPA集成有一個25dB的可調壓控PIN二極管衰減器。

⊙ 速調管部分由速調管放大器構成，其典型增益是45dB。

⊙ 輸出部分主要由波導器件組成，包括2個弧光檢測器、1個隔離器、1個諧波濾波器（可選配）和3個耦合器（輸出耦合、輸出功率檢測，發(fā)射功率檢測）。

3.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)為速調管高功放的正常工作提供動力保障，是各個系統(tǒng)工作的基礎。電源系統(tǒng)實現了對普通三相交流電的轉變，其中包括通過變壓、整流等處理產生速調管工作所需的高壓、燈絲電壓、風機風扇電壓等。因此，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定與否直接關系到整臺高功放是否能夠正常工作。電源系統(tǒng)框圖如圖3所示。

三相交流電通過電源單元機箱J1端口接入高功放電源單元后，首先進入一個瞬態(tài)抑制器（Transient Suppressor）A8，它可以鉗住交流電瞬間出現的高振幅電壓；然后通過EMI濾波器FL1，它可以減少傳導噪聲；緊接著進入高功放的主斷路開關CB1（位于電源單元機箱的前面板上）。交流電一路通過輸出接口接到速調管風冷系統(tǒng)供電；一路接到缺相檢測板；A相接到電源板，提供24VDC工作電壓。

接著主交流電會通過步進啟動電路（Step-Start Circuit）A1，它可以非常有效地限制速調管高功放在啟動時候產生的浪涌電流。步進啟動電路是GEN IV系列速調管高功放在電源系統(tǒng)中的一個重要改進，它的獨特優(yōu)勢在于：這一電路可以對輸入濾波器A6內的電容進行“軟”充電，因此，有效地限制了浪涌電流的產生。起初，提供給A6的交流電要通過開關K1和電阻R2，R3，因此限制了充電電流。大約一秒鐘之后，濾波器電容容量的80%已被充好，此時主開關K2閉合，步進啟動電路開關K1斷開。

然后由輸入濾波器A6對三相交流電進行整流和濾波處理。它包括兩個電感L1，L2，接著是4個電容C1～C4，這些安裝在一個PCB板上。電阻R1～R4確保了直流電壓在電容器上的分配（輸入為380～480VAC），同樣，在Standby狀態(tài)下或者高功放關機時它們可以為電容器放電。

從A6輸出的未經調節(jié)的直流電被送入電源處理器（Power Processor）A3，A3將直流電轉變成逆變?yōu)閲栏窨刂频?80VAC，50kHz的方波信號，送入使電壓升高的高壓變壓/整流器A4中。

A4可以將180VAC的方波的電壓升高到一個非常高的水平，典型值為9kVAC，然后對其進行整流。A4輸出的是電子束電壓，燈絲電壓和收集極電壓。

A4輸出的電壓峰峰值大約為20V，在經過高壓濾波器（HV Filter）A5采樣和濾波之后，峰峰值減小到大約1V，被直接送入射頻單元為速調管提供高壓。A5包含高壓濾波器、反饋/監(jiān)測、燈絲電源等組件，電子束和燈絲電壓的采樣從高壓濾波器反饋至電源處理器A2。

電子束電壓、電子束電流、體電流、燈絲電壓和燈絲電流被嵌入式的控制系統(tǒng)－電源處理控制器A2所監(jiān)控。A2的功能包括：控制電子束電壓，控制燈絲電壓，控制步進啟動電路開關，監(jiān)測電源單元中的各種參數，檢測電源單元中的錯誤狀態(tài)，與前面板控制器和射頻控制器進行通信。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由5塊控制板組成，它們之間由CAN總線實現相互間的通信。其中位于射頻機箱內的是外部接口控制器、射頻控制器、以太網接口控制器，前面板控制器位于射頻機箱前門；電源處理器控制器位于電源單元內。如圖4所示。

外部接口控制器（EIC）為高功放與外部設備之間提供了接口。它的主要作用是：監(jiān)測風機風量；進風口與出風口的溫度；監(jiān)測和控制最多至10個波導倒換開關；監(jiān)測和控制非同步串口；接受數字量輸入（供用戶用于高功放控制）；提供數字量輸出（供用戶用于監(jiān)視）。

射頻控制器（RFC）的主要作用是：監(jiān)測和控制波導弧光探測器；監(jiān)測射頻輸出功率的平均值和峰值；監(jiān)測反射功率、機箱溫度和循環(huán)O/T開關；控制衰減器和與射頻功率水平相關的功能；控制前置放大器（IPA），當射頻部分出現相關的錯誤時，射頻控制器會立即關閉前置放大器；監(jiān)測和控制數字調諧系統(tǒng)（DFTS）、線性器、上變頻器等選件。

前面板控制器（FPC）為用戶的計算機下載軟件、上載系統(tǒng)配置、保存測量日志提供了接口。其主要作用是：監(jiān)測和控制全系統(tǒng)的操作；監(jiān)測用戶從面板鍵盤輸入的內容；控制640×480彩色LCD顯示器；儲存用戶設置。

電源處理控制器（PPC）的主要作用是：監(jiān)測電源單元的模擬和數字輸入；控制電子束的開啟和關閉；控制電子束和燈絲電壓。如果高功放電源單元出現相關錯誤，PPC將立即關掉高壓。

以太網接口控制器（EIH）的主要功能是：為外部以太網端口和內部CAN總線之間提供接口；提供以太網遠控高功放的方式；提供通過以太網控制高功放固件閃存程序；提供快照文件（Snapshot）的以太網輸出。

3.4 制冷系統(tǒng)

GEN IV系列速調管高功放的制冷全部都是采用強制風冷的方式。所有的風機和風扇都是安裝在射頻和電源單元機箱中的。每一臺高功放系一共有三個制冷系統(tǒng)：一個位于電源單元中，兩個位于射頻單元中。

（1）電源單元制冷：電源單元的散熱依靠的是位于其后面板上的直流風機實現的。這個風機從電源單元的前面板吸入空氣。在正常的操作情況下，風機是不需要管道的，并且風機與機柜后板之間要有15cm的余量。在某些惡劣的工作條件下，需要高功放長時間處在接近飽和輸出，這時原有的空調制冷能力無法承受如此大的功率產生的熱量，此時電源單元就需要外加風道。如果要長時間在這種條件下工作，電源單元前面板的濾網要及時清理。

（2）射頻單元制冷：在射頻單元中利用一個大的、內置的交流風機對速調管收集級進行冷卻，在風機進風口一定要有空氣濾網，長時間的使用后要進行清潔除塵。在射頻機箱內也有一個直流風扇安裝在后面板上，從前面板吸入空氣，并用于冷卻固態(tài)前置放大器IPA，輸出元件和速調管管體。在機箱內還有兩個更小的直流風扇用于對速調管管體進行冷卻。

4 GEN IV速調管高功放的維護

為了保證GEN IV速調管高功放可以長時間的穩(wěn)定運行，并保持較高的工作效率，定期維護是高功放使用過程中的必不可少的環(huán)節(jié)。這種定期維護包括的主要內容有：檢查、清理、測試和校準。維護的周期根據維護的內容的不同以及所維護的部件的不同而有所差異，一般的周期為一個月至六個月。良好的維護習慣對降低高功放的故障率，延長高功放及速調管壽命有著極其重要的意義。

4.1 預防性維護

結合廠家的建議和長期實際使用經驗，我們對GEN IV速調管高功放的日常預防性的維護內容和周期做了總結，如表1所示。

?

4.1.1 檢查表頭告警及故障日志

值班員每天認真進行巡機檢查是十分必要的，有助于第一時間發(fā)現和處理異態(tài)。

4.1.2 目測檢查

每間隔一個月，用戶應該對高功放進行物理上的檢查，即所謂的目測。如果高功放的工作環(huán)境比較惡劣，那么檢查的間隔周期應該縮短。測量日志是反映高功放工作狀態(tài)的重要依據。同時，反射功率的增加、不能解釋的錯誤的發(fā)生都是高功放工作狀況劣化的重要體現，而造成這些問題的原因很可能在目測檢查中發(fā)現。在進行目測檢查的時候，必須保證主電源是關閉的，并按照如下步驟進行檢查。

⊙ 在主電源關閉的條件下，檢查所有連接插頭是否連接完好并沒有損壞，更換所有損壞的連接插頭。

⊙ 檢查線纜是否有褪色、破損或者絕緣不良的情況，對不良的線纜進行更換。

⊙ 檢查所有的連接器是否被腐蝕、開裂、粘有污垢，予以清潔更換。

⊙ 查看器件是否有粘上水分或污漬的跡象（水分或污漬可以造成短路、打火、腐蝕或過熱的狀況），用不起毛的布、小的真空吸塵器、低風壓的吹風機等對污漬進行清潔。

⊙ 檢查所有的波導是否有變色、開裂、連接器松動和密封不嚴的情況，如有必要應對波導進行更換和維修。

4.1.3 檢查和清洗空氣濾網

速調管收集極散熱風機的進風口空氣濾網、電源單元前面板的空氣濾網和射頻單元前面板的空氣濾網應該每個月做一次清潔。一般可用大功率吸塵器除去濾網上的灰塵，如果需要的話，可用熱水和溫和的洗滌劑清洗，徹底風干才能裝上。

4.1.4 外部清潔

速調管高功放的外部面板需要每三個月進行一次清潔，環(huán)境較臟的情況下需要增加清潔頻率。用干凈的布和溫和的、無腐蝕成分的洗滌劑清潔即可。

4.1.5 LED、顯示面板顏色測試

每一個月就要對速調管高功放進行一次LED測試，以確保所有顯示都能正常工作。對于用戶而言，周期性的“顏色測試”是必要的，這可以保證TFTLCD顯示屏功能正常。

4.1.6 波導弧光測試

這個測試通常狀況下會在POST過程中自動進行。如果速調管高功放并不是每天都使用的話，波導弧光測試應該每個月進行一次。LED測試、顯示面板顏色測試和波導弧光測試都可以在高功放面板菜單中找到，通過相應的操作即可完成所要求的測試內容。

4.1.7 運行功能測試

主要功能檢驗包括以下內容：輸出功率設定、增益設定; 電源特性檢查（高壓電壓、束電流、體電流、燈絲電壓、燈絲電流）；射頻抑制功能、自動電平控制功能、功率跟隨功能、遠程本地控制切換；保護性報警、故障功能檢查（電弧保護、反射功率過大保護、管子冷卻設施故障保護）、保護性故障條件設定及功能檢查；主要電性能指標測試：飽和點功率、1dB壓縮點、噪聲特性、 增益線性、交調特性、幅頻特性等。

4.2 速調管散熱系統(tǒng)維護

速調管是整個高功放的核心部件，它的正常工作與否直接關系到信號放大的功率、效率、電力消耗情況等等。同時，速調管，尤其是速調管的收集級工作時會產生比較大的熱量，都是采用強制風冷的方式對其進行冷卻。

盡管現在各個地球站對高功放的進風系統(tǒng)做了很大的改進，高功放本身的進風口處也有相應的空氣濾網，但是做到絕對的無塵幾乎是不可能的。在為速調管收集極進行強制風冷的同時，少量灰塵也在此時被帶入其中，而且很容易被帶有靜電的收集極所吸引。日積月累，收集極上、速調管風機上等地方都會堆積大量的灰塵。這些灰塵會影響散熱效果，引起低風量告警，收集極上的灰塵甚至會帶來高壓打火的隱患，這對高功放的使用是極其不利的。

根據在實際使用過程中總結的經驗，收集極清潔應該每六個月執(zhí)行一次，如果高功放機房的進風系統(tǒng)濾塵不佳，或者當地風沙較大，這種清潔應該更加頻繁的進行。

4.3 高功放使用中的注意事項

⊙ 保持風機正常工作及出風口的暢通。

⊙ 機房溫度控制在22℃左右為宜，機房制冷空調應有備份或冗余，避免出現單臺制冷空調故障的隱患。

⊙ 設備關機時，應去掉風管，最好密封進出風口。

⊙ 如果出現低風量故障，首先檢查出風口溫度。如果溫度沒有變化，用無水酒精清洗射頻單元后的風壓檢測開關。

4.4 如何延長速調管使用壽命

速調管作為核心放大器件，價格十分昂貴，應盡可能延長其使用壽命。根據我們對GEN IV系列速調管高功放特點的深入了解，以及使用多年的經驗，認為選擇正確的工作狀態(tài)，對延長速調管的使用壽命有著很大的幫助。從另一方面說，速調管壽命的延長，也是對成本的一種變相節(jié)約。我們總結了速調管使用壽命與工作狀態(tài)的關系，如表2所示。

?

5 結束語

本文從高功放的實際使用入手，闡述了MSDC速調管的工作原理，重點分析了CPI GEN IV系列速調管高功放的組成和工作原理，并提出了高功放的日常維護措施。希望我們的應用經驗總結，能夠為各地球站在速調管高功放的運行和維護方面提供良好的借鑒。

[1]Gen Iv Klystron High Power Amplifier Installation and Operation Manual.2007