CN102571008B

CN102571008B - 弹性行波放大器

Info

Publication number: CN102571008B
Application number: CN201110393414.1A
Authority: CN
Inventors: E·屈涅; P·费; E·托内洛
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: RU2011142691A; EP2445102A1; EP2445104A3; CN102571008A; EP2445104B1; ES2432101T3; RU2564632C2; US20120268201A1; EP2445104A2; JP5877422B2; JP2012094517A; ES2432101T5; EP2445104B2; US8742840B2

Abstract

非常高效的弹性行波放大器，至少包括：行波管(226)，包括阴极，螺旋线，RF输入端，RF输出端，以及一组集电极；电子功率调节器，为所述行波管(226)提供电源供电和电极极化，其中所述电子功率调节器包括弹性控制装置(24)，其允许通过数据总线发送的控制命令校准所述螺旋线到阴极电压和集电极电压。

Description

弹性行波放大器

技术领域

本发明一般涉及非常高效的弹性行波放大器。它显著应用于通信卫星。

背景技术

通信卫星通常包括平台和有效载荷，后者包括所有设备，显著地是所有用来朝地面生成和发射高功率射频信号——此后称之为RF信号——的设备。不同的已知技术被用来发射高功率RF信号。

第一种技术是基于固态技术，包括固态功率放大器，通常称为SSPA(solidstatepoweramplifier)。SSPA显著地具有不能控制通常所请求的RF功率水平的缺点。

第二种技术是基于行波管放大器的使用，此后称之为TWTA(travelingwavetubeamplifier)。TWTA显著地包括行波管，此后称之为TWT(travelingwavetube)。当前，通信卫星有效载荷广泛使用TWTA。TWTA对于高功率RF发射信道来说是特别有效的设备，并且TWTA允许控制非常高的被发射的RF功率的水平。但是，TWTA依靠基于管(tube)的技术，不仅在制造水平上，也同样在电气接口的准确性上，都需要非常精确的调谐。以下参考图1更详细的描述了TWT，其基本包括RF输入端和RF输出端，螺旋线和电极，电极包括发射形成电子束的电子的阴极，将电子束聚焦的阳极，阳极通常称为“阳极零”或“阳极0”，以及多个集电极。

进一步，每个制造好的TWTA都是独特的，并且在被发射的频率、被发射的功率水平和效率方面针对独特的应用目的而被优化。一旦被设计、制造和可能的优化，TWTA及其相关的控制设备都必须在卫星的整个装配、整合和测试、以及其所在的卫星的飞行任务过程中保持以同样的方式操作。就是说：一旦通信卫星被组装好，这些设备就应该在它们已设计好的特定条件下操作。此外，TWTA的效率的表现取决于频率。因此，要通过多个信道发射的卫星，应该依据费用、重量和体积的相关结果包含许多并列的TWTA。同样，一个TWTA通常被用于在超过15年典型任务期间从一个给定信道发射，这使得有效载荷设计和TWTA制造被大大制约，并且带来在风险控制上的严峻制约。

宽带TWTA在现有技术中已知，但是与在窄RF带中优化的模拟TWTA相比，现有设备典型地忍受大约百分之二地效率退化。

由于上文提到的所有原因，针对最终用户按照信道数目、频率和功率分配、平台最小功率要求以及给定可靠性的需求，提出的在技术上的回应是通信卫星有效载荷开发中的一个时间非常长并昂贵的部分。

发明内容

本发明的一个目的是，通过提出一种TWTA来减轻至少上文提到的缺点，该TWTA表现出类似于已知的被调谐的窄带TWTA的效率，同时能够像宽带TWTA一样在大范围的多个频率操作。

本发明的进一步的优点是，TWTA提供不仅在地面，也在卫星任务中的飞行操作期间易于控制的能力。

本发明的进一步的优点是，TWTA根据一个描述的实施例，采用控制电子器件，其适用于任何现有的高压电子电路。

本发明的进一步的优点是，它减少了给定应用对过多机载TWT的需求，因为所有本发明的下面的实施例中的TWTA中被控制的TWT可以在宽带中工作。

本发明的进一步的优点是，它允许在贯穿卫星有效载荷的寿命中，任务配置可调整，不会对整体有效载荷效率有影响。

本发明的进一步的优点是，它提供了一种相位弹性，能够在某些应用中替代专门的移相器硬件。

下文引用的全部优点表述了在调度、重量、费用和失败控制的优化上的优点。

为该目的，本发明提供了一种行波管放大器，包括至少一个行波管，该行波管包括阴极、螺旋线、RF输入端、RF输出端，以及多个集电极C_i；电子功率调节器提供电源供电和对所述行波管的电极极化；所述行波管放大器的特征在于，所述电子功率调节器包括弹性控制装置，允许通过控制命令校准所述螺旋线到阴极电压，从而允许校准TWT工作频率在具有优化效率的确定范围内。

在本发明的一个示例性的实施例中，所述弹性控制装置也可以被配置为校准集电极C_i电压、螺旋线到阴极电压与集电极C_i电压之间的比率保持恒定。

在本发明的一个示例性的实施例中，控制命令可以通过数据总线发送。

在本发明的一个示例性的实施例中，电子功率调节器可以包括初始控制装置，该初始控制装置包括驱动高压生成和控制装置的功率单元，高压生成和控制装置包括多级高压变压器，它的一次侧被所述功率单元200控制并生成至少一个所述集电极、阴极和螺旋线要求的高电压，所述弹性控制装置包括用于校准驱动电压控制环路的电压参考的装置，所述电压控制环路用于通过脉冲宽度调制来驱动功率单元。

在本发明的一个示例性的实施例中，高压生成和控制装置可以包括连接在所述多级高压变压器二次侧的校准器，该校准器提供螺旋线至阴极电压，所述螺旋线至阴极电压被校准到所述弹性控制装置中的螺旋线到阴极电压参考。

在本发明的一个示例性的实施例中，弹性控制装置可以进一步包括从所述控制命令中发出信号控制字的解码器，所述螺旋线到阴极电压参考可以包括第一数模转换器，基于所述数据总线发送的输入二进制字转换解码器生成的二进制输出字。

在本发明的一个示例性的实施例中，所述校准电压参考的装置可以包括第二数模转换器，基于所述数据总线发送的输入二进制字转换所述解码器生成的二进制输出字。

在本发明的一个示例性的实施例中，所述解码器可以基于从数字总线接收的n比特输入字，向所述螺旋线至阴极电压参考生成n比特输出字，向校准电压参考的装置生成m比特输出字，m比n小。

在本发明的一个示例性的实施例中，可以选择向用于校准电压参考的装置发出的输出字的比特数m，从而允许校准RF信号的相位。

在本发明的一个示例性的实施例中，高压生成和控制装置可以在高压生成和控制模块中实现，高压生成和控制模块包括在其输入端的高压变压器的二次侧，该二次侧也连接到由校准器驱动的双极型晶体管构成的螺旋线电压精确控制器，其发射器通过消耗元件连接到地。

附图说明

参见下文优选实施例的详细描述，本发明的这些和其它特征和优点将更加清楚，优选实施例仅仅提供了示例性和非限制性例子，附图亦然。

附图包括：

图1，现有技术中典型的TWT的透视图；

图2，根据本发明的一个示例性实施例，描述了包括在弹性行波管放大器或TWTA中的电子功率调节器或者EPC的功能框图；

图3，根据本发明的一个示例性实施例，描述了作为弹性行波管放大器一部分的EPC的简化电路图；

图4，根据本发明的一个示例性实施例，描述了作为弹性TWTA一部分的EPC中的高压级的部分的简化电路图；

图5，根据本发明的一个示例性实施例，描述了弹性TWTA中的弹性控制模块的简化电路图。

具体实施方式

图1描述了现有技术中典型的TWT的透视图。TWT是TWTA中的关键元件之一。

TWT10基本上是一个拉长的真空管，包括射频输入端12和射频输出端14，阴极15形成的电子枪生成的电子束17由阳极零13来聚焦和校准，再穿过螺旋线18向上达到多个集电极19。

阴极15被加热并在其一端发射电子。生成充分围绕螺旋线18周围的磁场，从而包含作为聚焦的电子束17的电子。电子束沿着螺旋线18的中轴穿过。螺旋线18从RF输入端12向RF输出端14延伸。电子束17最终打在集电极19上。RF信号以接近于电子束17的速度沿螺旋线18行进。放大效果取决于螺旋线18中RF信号引起的电磁场和电子束17之间的通过量子现象的相互作用。为了在能量方面提高TWT收益，即：优化在电子束17的末端仍可用的能量的回收，可以采用多个集电极19，典型的：四或五个。

TWTA通常包括TWT，与附加电子功率调节器(ElectronicPowerConditioner)相关联，此后称为EPC，其目的在于向TWT提供被请求的电子工作条件。EPC通常是一个DC-DC转换器，通过总线提供能量，并用允许保证TWT性能(即功率转换的效率和稳定性)的精确电平来生成TWT中包含的每个电极上要求的电压供应电平。特别的，螺旋线18和阴极15之间的高压应该足够精确，因为它决定了TWT的性能。实际上，对于螺旋线-阴极电压：对于高达几千伏的电压要求精确度到1伏特量级；例如，对于在Ku带内的应用，螺旋线和阴极之间要求的电压典型地在6千伏到7.5千伏之间的量级。所述电压电平的控制由EPC管理。

被称为阳极零13或者“阳极0”的电极，允许控制阴极15生成的电子束17。

一个特殊的TWTA类型通常被称为LTWTA，代表“线性化TWTA”。LTWTA包括附加线性前置放大器，用于调节RF输入端12的RF信号电平，并提供对显著地由TWT带来的假性非线性现象的补偿。随后描述的本发明的实施例可以显著地应用于这两类TWT。

通常的，对于现有技术中已知的TWT，TWT制造商根据管的调谐参数设定EPC的极化参数。尤其地，螺旋线电压设定频率工作点，调谐集电极电压从而优化整个TWT的效率。一旦TWTA工作点被设定，TWTA不能在非工作点已经被调谐好的频率的其它频率以安全高效的条件工作。本发明提供了TWTA的弹性，通过控制螺旋线电压值在期待的频率漂移(frequencyexcursion)设定的范围内，协同集电极电压的相关校准，来保持效率最佳。控制可以例如在地面水平先于任务的发射来完成，也可以贯穿卫星飞行任务，例如通过卫星机载通讯数据总线远程地完成。

当螺旋线电压的控制覆盖了弹性的全部范围，例如允许转换TWT工作频率从允许的RF频带的较低段到更高段(或者相反)的弹性范围，控制的分辨率也允许提供由相关电压变化引起的RF信号相位的小变化。因此，被提出的弹性也提供了校准TWT输出相位的可能，这个特征可能在多端口放大器(通常被缩写为MPA)中尤为有用，其中并行的TWTA要求非常精确的相位调谐，其通常采用昂贵的移相器。MPA允许通过附加多个并行的TWTA生成的相位-相干信号来生成功率更高的信号。

根据本发明，调整螺旋线到阴极电压是可能的，从而允许优化效率，不用考虑TWT工作频率可能的变化，并且通过专门的控制，与控制螺旋线到阴极电压同时地控制集电极电压，从而保持放大器效率最佳。

本发明可以通过在TWTA的EPC上实施的适当的装置来实现。

根据本发明的一个示例性实施例，图2描述了包括在弹性行波管放大器或TWTA中的电子功率调节器或者EPC的功能框图。

在图示的非限制性的例子中，弹性TWTA包括初始功率控制装置20，其驱动高压生成和控制装置22并与弹性控制装置24接口。

初始功率控制装置20从初始功率总线接收初始功率，并包括功率单元200保证下文描述的高压变压器220的一次侧的控制，并从而控制功率校准，例如通过两个嵌套的回路，一个电流控制回路204通过脉冲宽度调制驱动功率单元，电流控制回路204被电流感应装置202和电压控制回路206驱动。本发明的一个特征是，电压控制回路206可以被可校准的电压参考208驱动。校准电压参考208的装置被包括在弹性控制装置24中并被下文进一步描述。初始功率控制装置20接着驱动高压生成和控制装置22。高压生成和控制模块的示例性实施例将参考图4在下文中描述。

在其输入水平，高压生成和控制装置22包括多级高压变压器220。多级高压变压器220可以进一步包括整流器和滤波器。多级高压变压器220生成行波管226要求的高压；显著地，多级高压变压器220可以为i个集电极C_i生成i个电压；此外，多级高压变压器220也可以生成“阳极0”电极电压A0，以及可能的，生成允许通过图中未示出的校准器来校准发射功率的“阳极1”电极电压A1。本发明另一特征是，螺旋线到阴极电压V_KH可以通过校准器222来提供，校准器222连接在多级高压变压器220的二次侧，并由螺旋线到阴极电压设置模块224驱动。螺旋线到阴极电压V_KH设置模块224被校准到弹性控制装置24中包括的螺旋线到阴极电压参考244。螺旋线到阴极电压参考244可以例如包括DAC，其示例性的实施例将参考图5进一步描述。

弹性控制装置24进一步包括从数据总线接收二进制字的n比特解码器240。数据总线可以例如是通常用于当前机载通信卫星中的通信数据总线。解码器240可以通过地绝缘模块242，生成n比特二进制字给螺旋线到阴极电压参考244，也可以给上文提到的电压参考208生成m比特(m比n小)字。

根据本发明的一个示例性实施例，图3描述了作为弹性线性行波管放大器一部分的EPC的简化电路图。

EPC300包括与卫星功率总线接口的输入滤波器302，提供了电压V_BUS。输入滤波器302接下来通过构成参考上文图2中描述的功率单元200的一部分的降压(buck)型校准器304被连接在反相器306上。降压型校准器304例如实现典型的组件，例如包括开关晶体管3041和续流二极管3042的降压开关单元，以及基于与输出电容3045相关联的降压电感3044的输出滤波器。专门的电流测量装置，例如，基于电阻3043，可以用于返回电流控制回路3055的目的。由开关晶体管3041和续流二极管3042构成的降压型校准器功率单元可以被校准模块305中包括的专门的校准电子器件驱动。在校准模块305中，来自校准环路的控制信号可以被数字化，例如通过比较器3052，比较信号和专门的锯齿波信号3053，并通过专门驱动器3051然后可能通过栅极电阻3059向降压晶体管3041栅极提供脉冲宽度调制命令。校准模块305实现了下文参考图2引用的嵌套电压控制环路206和电流控制环路204。

包括在模块305中的校准电子器件可以基于输出电压环路驱动的返回电流控制回路3055。电压回路包括提供降压输出电压的测量的电阻桥3057、3058，降压输出电压可以与设置电压V_KCi相比较，例如通过电压控制回路模块3056中包括的误差放大器。电压控制回路的增益可以被专门的增益控制模块K_V3054控制。电压控制回路输出信号可以用作电流控制回路的参考。包括在电压控制回路中的齐纳二极管V_limit可以提供电压控制回路信号输出的充分的箝位并且从而设定电流控制回路允许的最大值。

根据本发明的一个特征，校准模块305可以进一步包括电压控制校准装置3056，图5中将随后详细描述其工作。

反相器306连接在高压变压器308上，形成下文参考图2引用的多级高压变压器220或作为其一部分。高压信号整形模块310加在高压变压器308上，用于提供TWT312要求的高DC电压。高压信号整形模块310可以，例如，包括高压电容器和桥二极管。TWT312包括RF信号输入端，并向RF负载314输出输出RF信号。

图4，根据本发明的一个示例性实施例，描述了作为弹性线性行波管放大器一部分的EPC中的高压级部分的简化电路图。

参考图2，实现了高压生成和控制装置22的高压生成和控制模块40，包括在它输入端的高压变压器220的二次侧402。二次侧402的特定输出可以在整型和滤波后直接被引导到TWT的集电极C_i。每个集电极与它专门的线圈相关联，同样显著地与它的滤波电容相关联。针对所有集电极C_i的电容器电容值的和在图中用等效电容C_equiv来表示。同样，整型二极管D被表示在图中，与高压变压器220的二次侧402串联，与等效电容C_equiv支路并联。二次侧402也可以被连接到螺旋线电压精确控制器V3上，被校准器222驱动。螺旋线电压控制器V3连接在消耗元件403上，消耗元件自己例如连接在地上。校准器222被螺旋线到阴极电压V_KH设置。螺旋线电压精度控制器V3可以用双极型晶体管构造，其射极连接在可以由电阻构成的消耗元件403上。然后，双极型晶体管的集电极连接高压变压器220的二次侧402。螺旋线到阴极电压V_KH设置可以，例如，通过用适当的电压校准装置校准齐纳二极管的电压来完成。

本发明目的在于，通过初始功率转换器20的控制，例如，通过降压型校准器304，直接向高压变压器220的一次侧401发送弹性范围中的一部分，参见图3。事实上，直接通过校准器222向螺旋线电压提供全部弹性范围，在螺旋线电压控制器V3施加了高度压力，并且引起很多消耗。这里清楚的是，高电压组件经常被封装在绝缘树脂中，旨在防止任何由于打火现象引发的爆炸危险。例如，如果螺旋线到阴极电压必须要在一个非常大范围内被控制，这会施加太多要被消耗的热能量，然后施压在螺旋线电压控制器V3上。归功于高压变压器220的一次侧401电压的降低，这种现象会减少，例如可以通过由例如降压型校准器304校准初始功率转换器20来实现。校准初始功率转换器20可以通过校准模块305完成，参考图3，更具体的通过参考电压V_KCi校准装置，例如由其电压可以通过适当的装置被校准的齐纳二极管形成的参考电压V_KCi校准装置。换言之，降压校准器设置电压V_KCi作用于一次侧401，以及随后通过它们专门的线圈作用于所有集电极C_i电压。

有利的是，高压变压器220的输出电压可以以相同的比例改变，在减少螺旋线串联校准器222上压力水平时，使螺旋线到阴极电压与集电极电压之间的比率V_KH/V_KCi恒定。保持螺旋线到阴极电压与集电极电压之间的比率V_KH/V_KCi恒定允许保证TWT的稳定性并特别有利于在大范围的螺旋线到阴极电压上的工作，例如工作在Ku频带内的TWT的超过50伏特的电压范围。另一个保持这个比率恒定的优点是，它允许保持TWT的输出(即：RF功率和消耗功率之间的比率)在整个工作范围内实质上恒定。

图5根据本发明的一个实施例，描述了弹性线性行波放大器中的弹性控制模块的简化电路图。

实现了下文参考图2描述的弹性控制装置24的弹性控制模块50，在一个实施例中可以包括通过数据总线接收控制数据并且输出两个二进制字的解码器240。输入控制二进制字可以为n比特字，并且解码器240可以传送一个V_KH设置控制字到连接到第一整型电路505的第一DAC504，由此生成螺旋线到阴极参考电压V_KH的模拟设置值；并行地，解码器240可以发送一个V_KCi设置控制字到第二DAC506，例如，通过流电绝缘体503，第二DAC506也连接第二整型电路507，为降压校准器参考电压V_KCi生成模拟设置值。第一和第二整型电路505，507可以例如包括放大器和滤波器。

如更具体的例子，数据总线可以向解码器240输入8比特控制字。解码器可以例如发送8比特控制字到第一DAC504，并向第二DAC506发送4比特控制字，例如，包括8比特字中4个最重要的比特。因此，降压型校准器参考电压被适当的设置，分辨率比螺旋线到阴极参考电压V_KH低。

有利的是，为了避免在瞬变相位中TWT226上的压力，当在EPC上转换时，设置点可以强置到所述弹性范围的中间值。

例如，EPC300可以经由卫星机载通信数据总线通过远程命令控制高达8千伏的螺旋线电压，同时控制集电极高电压在500到3500伏特范围，同时保持TWT效率。螺旋线电压可以例如被弹性设置在围绕额定工作点的0到550伏特之间的范围内，8比特控制字使其分辨率低于2.5伏特。这里应当清楚的是，额定设置工作点可以典型的在2.5和7.7千伏之间变化，根据想要的应用要求的频带——例如在C频带，Ku频带，Ka频带等。这里应当清楚的是，这样得到的很好的用于校准螺旋线到阴极电压的分辨率，允许很好的TWT的相位响应的适配，典型的，为每伏特1度的量级，因此提供了很好的输出RF信号相位调谐的机会。

Claims

1.一种行波管放大器，至少包括：

行波管(10，226)，包括阴极(15)，螺旋线(18)，RF输入端(12)，RF输出端(14)，以及多个集电极C_i(19)；

电子功率调节器(300)，为所述行波管(10，226)提供电源供电和电极极化；

其特征在于，所述电子功率调节器(300)包括弹性控制装置(24)，该弹性控制装置通过控制命令校准螺旋线到阴极电压，从而允许校准所述行波管(10，226)的工作频率范围，

所述电子功率调节器(300)包括初始控制装置(20)，该初始控制装置(20)包括驱动高压生成和控制装置(22)的功率单元(200)，该高压生成和控制装置(22)包括多级高压变压器(220)，该多级高压变压器的一次侧被所述功率单元(200)控制并生成集电极(19)中的至少一个集电极、阴极(15)和螺旋线(18)要求的高电压，所述弹性控制装置(24)包括用于校准驱动电压控制环路(206)的电压参考的装置(208)，所述电压控制环路(206)用于通过脉冲宽度调制来驱动功率单元(200)。

2.如权利要求1所述的行波管放大器，其中所述弹性控制装置还被配置为校准集电极C_i电压、所述螺旋线到阴极电压与集电极C_i电压之间的比率保持恒定。

3.如前面任意一项权利要求所述的行波管放大器，其中所述控制命令通过数据总线被发送。

4.如权利要求1所述的行波管放大器，其中高压生成和控制装置(22)包括校准器(222)，校准器(222)与所述多级高压变压器(220)的二次侧(402)连接，并且提供螺旋线到阴极电压(V_KH)，该螺旋线到阴极电压被校准到被包括在所述弹性控制装置(24)中的螺旋线到阴极电压参考(244)上。

5.如权利要求4所述的行波管放大器，其中弹性控制装置(24)进一步包括发送来自所述控制命令的信号控制字的解码器(240)，所述螺旋线到阴极电压参考(244)包括第一数模转换器(504)，该第一数模转换器(504)将由解码器(240)生成的二进制输出字转换为模拟信号，该模拟信号控制所述螺旋线到阴极电压(V_KH)。

6.如权利要求5所述的行波管放大器，其中所述校准电压参考的装置(208)包括第二数模转换器(506)，该第二数模转换器基于数据总线发送的输入二进制字转换所述解码器(240)生成的二进制输出字。

7.如前面权利要求5和6中任意一项所述的行波管放大器，其中所述解码器(240)基于从数据总线接收的n比特输入字，向所述螺旋线到阴极电压参考(244)生成n比特输出字，以及向所述校准电压参考的装置(208)生成m比特输出字，m比n小。

8.如权利要求7所述的行波管放大器，其中选择向所述校准电压参考的装置(208)发出的输出字的比特数m从而允许校准RF信号的相位。

9.如权利要求4所述的行波管放大器，其中高压生成和控制装置(22)由高压生成和控制模块(40)实现，该高压生成和控制模块包括在输入端的高压变压器(220)的二次侧(402)，该二次侧还连接到由所述校准器(222)驱动的双极型晶体管构成的螺旋线电压精确控制器(V3)，并且其发射端与地通过消耗元件(403)连接。