СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ДЛЯ ДВОЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ НА ЛАМПАХ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
POWER CONTROL SYSTEM FOR TRAVELLING-WAVE TUBE DOUBLE AMPLIFIER

Настоящее изобретение относится к системе управления мощностью для двойного усилителя на лампах бегущей волны. В частности, оно относится к телекоммуникационным спутникам.
Телекоммуникационные спутники обычно содержат платформу и полезную нагрузку, причем последняя включает в себя все оборудование, в частности все устройства, предназначенные для генерирования и передачи радиочастотных сигналов большой мощности, далее называемых радиочастотными (RF) сигналами, в направлении к земле. Для передачи радиочастотных сигналов прибегают к различным известным методам.
Первый метод основан на твердотельной технологии и подразумевает твердотельные усилители мощности, обычно называемые SSPA. В частности, SSPA имеют недостаток, заключающийся в том, что они не в состоянии управлять требуемыми в обычном случае уровнями RF мощности.
Второй метод основан на использовании усилителей на лампах бегущей волны, далее в настоящем документе называемых TWTA. В частности, TWTA содержат лампу бегущей волны, далее в настоящем документе называемую TWT. В настоящее время, в полезной нагрузке телекоммуникационного спутника широко используются TWTA. TWTA являются особенно эффективными устройствами для каналов передачи радиочастот с высокой мощностью и позволяют управлять очень высокими уровнями передаваемой мощности радиочастот. TWTA основывается на ламповой технологии, которая требует очень точной настройки, не только на уровне, заданном при производстве, но также и относительно точности электрических интерфейсов. Более подробно TWT описывается ниже, со ссылкой на Фиг.1 и, в основном, содержит радиочастотный вход и радиочастотный выход, спираль и электроды, содержащие катод, испускающий электроны, формирующие электронный пучок, анод, обычно называемый "нулевым анодом" или "анодом 0", фокусирующий электронный пучок, и множество коллекторов. Обычно катодный ток связан с напряжением нулевого анода через коэффициент, обычно называемый "коэффициентом смещения". Следует заметить, что далее напряжение нулевого анода называется разностью электрических потенциалов между электродом нулевого анода и катодом. Однако следует понимать, что специалист в данной области техники может быть способен осуществлять изобретение посредством рассмотрения напряжения нулевого анода с опорой на электрический потенциал спирали или на любой другой опорный потенциал.
TWTA обычно содержит TWT, ассоциированную с электронным преобразователем мощности, далее называемым EPC, цель которого состоит в подаче на TWT требуемых электрических рабочих режимов и передаче требуемого уровня мощности от источника электрического напряжения на TWT. Обычно EPC является преобразователем мощности постоянного тока в постоянный, энергия на который подается через первичную шину, и генерирующим уровни напряжения, требуемые на каждом из электродов, содержащихся в TWT, с уровнем точности, позволяющим гарантировать рабочие характеристики TWT, то есть ее линейность, эффективность и стабильность передачи мощности.
Более конкретно, существуют известные TWTA, называемые LTWTA, что означает линеаризованные TWTA, которые дополнительно содержат дополнительный линеаризованный предварительный усилитель, нацеленный на преобразование для согласования уровня радиочастотного сигнала с радиочастотным входом TWT, и обеспечивающий компенсацию паразитных явлений нелинейности, в частности, привнесенных посредством TWT.
Двойные TWTA являются специфическими TWTA, состоящими, по существу, из двух TWT, которые возбуждаются посредством одного EPC. Тогда TWT могут использоваться одновременно и независимо или объединяться по RF для обеспечения выходных RF сигналов более высокой мощности. Следовательно, двойной TWTA может рассматриваться как совокупность следующих подфункций:
два TWT, нацеленных на передачу мощности постоянного тока радиочастотному сигналу через 2 независимых канала,
один EPC, нацеленный на обеспечение источника питания и поляризации электродов для обоих TWT.
Аналогично, существуют двойные LTWTA, которые содержат вышеописанные подфункции, а также два линеаризованных предварительных усилителя, нацеленных на преобразование RF сигнала для соответствующих входов обеих TWT и обеспечение компенсации ошибок их линейности.
Один главный недостаток двойного TWTA заключается в управлении включением второй TWT: действительно, для того чтобы избежать какого-либо расфокусирования электронного пучка TWT, высокие напряжения должны прикладываться, только если достигнута определенная температура катода. Следовательно, EPC для двойного TWTA обычно содержит средство для управления фазой предварительного нагрева катода. Таким образом, при включении второй TWT, канал, проходящий через первую TWT, прерывается на время, за которое катод второй TWT достигает своей рабочей температуры, которое может быть порядка нескольких минут. Следовательно, это явление подразумевает прерывание трафика, которое находится в противоречии с требованиями оператора касательно работоспособности канала спутника.
Одно существующее решение, нацеленное на смягчение упомянутых недостатков, может быть реализовано в LTWTA, и, в основном, состоит во включении второй TWT очень рано, во время полета спутника, и перевода ее в режим работы "без возбуждения" на все время, когда она не должна фактически использоваться в работе. Режим работы "без возбуждения" также может называться режимом "RF молчания" и управляется при помощи линеаризованных предварительных усилителей. Режим "RF молчания", по существу, является режимом, в котором через TWT не пропускается никакого RF сигнала. Это решение должно ставить в невыгодную позицию полезную нагрузку спутника, в частности ту, которая обусловлена нецелесообразным рассеянием мощности и связанными ограничениями по управлению температурой. Действительно, поскольку неиспользуемая вторая TWT работает в режиме без возбуждения, в то время как первая TWT работает, тем не менее, вторая TWT продолжает потреблять мощность постоянного тока и рассеивать тепло.
Еще одно существующее решение, по существу, состоит в использовании функциональных возможностей перестройки мощности EPC, которые, по существу, состоят в настройке мощности TWT посредством установки ее оптимальной рабочей точки, или точки насыщения, при помощи настройки катодного тока. Такое решение позволяет устанавливать команду выходной мощности на ее минимум, то есть, как правило, уменьшая ее на 3 дБ. Также это позволяет уменьшать мощность, но все еще не до той степени, которая предлагается объектом настоящего изобретения.
Одна из задач настоящего изобретения состоит в том, чтобы смягчать, по меньшей мере, вышеупомянутые недостатки посредством предложения системы управления мощностью для двойного усилителя на лампах бегущей волны или двойного TWTA, предотвращающего любое прерывание трафика при независимой работе двух TWT, без значительного воздействия на глобальное энергопотребление полезной нагрузки.
Одно дополнительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно может быть реализовано при помощи устройства с малой стоимостью и весом, тем самым не воздействующего в значительной степени на полезную нагрузку спутника.
Одно дополнительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно не затрагивает долговечность TWT.
С этой целью, настоящее изобретение предлагает систему управления мощностью, в частности, для двойного усилителя на лампах бегущей волны, содержащего, по меньшей мере, две лампы бегущей волны, причем каждая лампа бегущей волны содержит один электрод нулевого анода и электронный преобразователь мощности, причем система управления мощностью реализована в упомянутом электронном преобразователе мощности и отличается тем, что он содержит средство управления мощностью, связанное с каждой лампой бегущей волны, сконфигурированное для настройки напряжения электрода нулевого анода до определенного минимального значения, когда активирован режим ожидания, средство управления мощностью поддерживает рабочую мощность лампы бегущей волны ниже значения ее номинального рабочего диапазона.
В иллюстративном варианте осуществления изобретения, нижеследующая система управления мощностью может дополнительно содержать контур управления катодным током, возбуждаемый посредством средства установки катодного тока и средства обнаружения катодного тока, причем контур управления катодным током возбуждает модуль возбуждения нулевого анода, устанавливающий напряжение нулевого анода.
В иллюстративном варианте осуществления изобретения, двойной усилитель на лампах бегущей волны может являться двойным усилителем на лампах бегущей волны, в частности, содержащим линейные предварительные усилители, способные реализовать режим RF молчания, одновременно с активацией упомянутого режима ожидания.
В иллюстративном варианте осуществления изобретения, упомянутый модуль возбуждения нулевого анода может дополнительно содержать регулятор, выход которого соединяется с базой транзистора через базовый резистор в общей конфигурации эмиттера,и эмиттер которого соединяется с коллектором через первый стабилитрон, устанавливающий минимальное значение катодного тока, если активирован упомянутый режим ожидания, причем затем транзистор насыщается в выключенном состоянии.
В иллюстративном варианте осуществления изобретения, упомянутый режим ожидания может быть активирован при помощи замыкания переключателя команды режима ожидания, ассоциированного с упомянутым средством установки катодного тока, причем средство установки катодного тока формируется посредством настраиваемого напряжения.
В иллюстративном варианте осуществления изобретения, система управления мощностью может дополнительно содержать средство фильтрации, позволяющее медленно устанавливать опорное напряжение с постоянной времени больше, чем время реакции регулятора.
В иллюстративном варианте осуществления изобретения, упомянутое средство фильтрации может быть сформировано посредством фильтра первого порядка.
В иллюстративном варианте осуществления изобретения, второй стабилитрон может быть помещен последовательно, между коллектором транзистора и поляризационным резистором нулевого анода и устанавливает максимальное значение тока.
Настоящее изобретение предлагает установку катодного тока, который представляет потребление тока TWT, каждой TWT независимо, на его минимальный нерегулируемый уровень. Для ясности данного описания, режим работы TWT, ассоциированный с упомянутым минимальным нерегулируемым уровнем, называется режимом ожидания. Используемый в соединении с режимом RF молчания, режим ожидания позволяет экономить большую долю потребления тока посредством TWT, у которой RF канал бездействует.
В связи с этим, настоящее изобретение предлагает реализовать систему управления мощностью в пределах EPC, при помощи соответствующей электронной схемы, которая обеспечивает возможность насыщения контура управления катодным током таким образом, чтобы минимизировать, не сокращая до нуля, потребление неработающей TWT и управлять надлежащим возвратом, при необходимости, к регулированию.
Эти и другие характеристики и преимущества изобретения будут более понятны с учетом данного ниже подробного описания предпочтительного варианта осуществления, предоставленного исключительно посредством иллюстративного и неограничивающего примера, а также иллюстрирующих чертежей, которые представляют:
Фиг.1 - представление в перспективе, изображающее типичную TWT, известную из предшествующего уровня техники;
Фиг.2 - функциональная блок-схема, изображающая систему управления мощностью, следующую из иллюстративного варианта осуществления изобретения;
Фиг.3 - упрощенная электрическая схема, изображающая систему управления мощностью, следующую из иллюстративного варианта осуществления изобретения.
Фиг.1 представляет представление в перспективе, описывающее обычную TWT, известную из предшествующего уровня техники. TWT является одним из ключевых элементов, являющихся частью TWTA.
По сути, TWT 10 является вытянутой вакуумной лампой, содержащей радиочастотный вход 12 и радиочастотный выход 14, катод 15, формирующий электронную пушку, генерирующую электронный пучок 17, фокусируемый и настраиваемый посредством нулевого анода 13 и проходящий через спираль 18 до множества коллекторов 19.
Катод 15 нагревается и испускает электроны с одного из его концов. Магнитное поле генерируется, по существу, вокруг спирали 18 таким образом, чтобы содержать электроны в виде сфокусированного электронного пучка 17. Электронный пучок проходит вдоль средней оси спирали 18. Спираль 18 продолжается от радиочастотного входа 12 к радиочастотному выходу 14. В результате, электронный пучок 17 попадает на коллекторы 19. Радиочастотный сигнал распространяется вдоль спирали 18 со скоростью, которая является близкой к скорости электронного пучка 17. Эффект усиления возникает вследствие взаимодействия между электромагнитным полем, индуцированным посредством RF сигнала в спирали 18, и электронным пучком 17 при помощи эффекта квантования. В целях улучшения выхода TWT касательно энергии, то есть оптимизации повторного использования энергии, все еще доступной на конце электронного пучка 17, может быть использовано множество коллекторов 19, как правило четыре или пять.
Обычно, TWTA содержит TWT, ассоциированную с дополнительным электронным преобразователем мощности, далее называемым EPC, цель которого состоит в питании TWT при требуемых электрических рабочих условиях. Обычно, EPC является преобразователем постоянного тока в постоянный, в который энергия подается через шину, и генерирует уровни напряжения питания, требуемые на каждом из электродов, содержащихся в TWT, с уровнем точности, позволяющим гарантировать частотные характеристики TWT, то есть эффективность и стабильность передачи энергии. В частности, высокое напряжение между спиралью 18 и катодом 15 должно быть достаточно точным, поскольку оно определяет эффективность TWT. Действительно, что касается напряжения между спиралью и катодом: точности порядка 1 вольт требуются для напряжений в диапазоне до нескольких киловольт; например, требуемые напряжения между спиралью и катодом для применений в пределах Ku-диапазона, как правило, имеют порядок от 6 киловольт до 7.5 киловольт. Управление упомянутыми уровнями напряжения осуществляется посредством EPC.
Электрод, называемый нулевым анодом 13 или "анодом 0", позволяет управлять электронным пучком 17, сгенерированным посредством катода 15.
Система управления мощностью, дополнительно описанная более подробно далее со ссылкой на Фиг.2 и 3, предлагает воздействовать на "анод 0" каждой TWT при помощи команд управления, внесенных посредством средства регулирования. TWT, которая не должна работать, полностью не выключается, но ее электронный пучок устанавливается на минимум, что, другими словами, соответствует сокращению до минимума мощности, потребляемой посредством TWT. Каждая TWT ассоциирована со средством регулирования. В режиме ожидания, средство регулирования системы управления мощностью может регулировать нулевой анод каждой TWT для насыщения средства регулирования, тем самым доводя катодный ток до очень низкого уровня. Таким образом, настоящее изобретение, ассоциированное с режимом RF молчания, как правило, позволяет уменьшать, по меньшей мере, на 90% энергопотребление неиспользуемой TWT, которая, в противном случае, потребляла бы мощность бесполезно.
Следует заметить, что благодаря системе управления мощностью следующего одного из описанных в настоящем документе вариантов осуществления изобретения, нагревание катода остается номинальным, и все еще протекающий малый катодный ток устраняет деградацию поверхности катода. Тем самым, долговечность TWT, которая возбуждается посредством системы управления мощностью, может быть сохранена.
Фиг.2 представляет функциональную блок-схему, изображающую систему управления мощностью, следующую из иллюстративного варианта осуществления изобретения.
В неограничивающем примере, проиллюстрированном на чертеже, система управления мощностью может быть реализована в пределах EPC двойного TWTA и содержит первичное средство 20 управления мощностью, которое возбуждает средство 21 генерирования высокого напряжения, и взаимодействует при помощи средства 22 управления мощностью с TWT 24, причем обе TWT 24 ассоциированы с их собственными средствами 22 управления мощностью, хотя только одно средство 22 управления мощностью изображено на чертеже для большей ясности.
Первичное средство 20 управления мощностью принимает первичную мощность из первичной шины мощности. Первичное средство управления, например, может содержать элемент питания, гарантирующий регулирование мощности при помощи двух вложенных контуров, один контур управления током, возбуждаемый посредством средства обнаружения тока, и посредством контура управления напряжением. Затем, первичное средство 20 управления мощностью подает питание на средство 21 генерирования высокого напряжения. Например, средство 21 генерирования высокого напряжения может содержать многоступенчатый преобразователь высокого напряжения. Дополнительно, многоступенчатый преобразователь высокого напряжения может быть связан с выпрямителями и фильтрами. Многоступенчатый преобразователь высокого напряжения, являющийся частью средства 21 генерирования высокого напряжения, позволяет генерировать высокие напряжения, требуемые лампой 24 бегущей волны, в частности, многоступенчатый преобразователь высокого напряжения может генерировать подачу питания между спиралью и катодом, и катодный ток может управляться посредством поляризации нулевого анода 13.
Средство 22 управление мощностью может содержать модуль 220 обнаружения катодного тока, модуль 222 установки опорного катодного тока, причем модуль 220 обнаружения катодного тока и модуль 222 установки опорного катодного тока возбуждает контур 226 управления катодным током. Модуль 220 обнаружения катодного тока может, как правило, измерять напряжение, возникающее вследствие катодного тока. Модуль 226 управления катодным током и модуль 220 обнаружения катодного тока могут возбуждать модуль 228 возбуждения нулевого анода, выведенный на нулевой анод A0 TWT 24. Переключатель 224 команды режима ожидания может шунтировать модуль 222 установки опорного катодного тока и, например, управляется при помощи соответствующих дистанционно передаваемых сообщений, например, через бортовую коммуникационную шину передачи данных спутника.
k
k
k min
k max
Предпочтительно, модуль 228 возбуждения нулевого анода может дополнительно содержать средство ограничения, позволяющее минимизировать и/или максимизировать напряжение нулевого анода и, следовательно, катодного тока i, соответственно, посредством установки катодного тока i между предварительно определенными минимальным i и максимальным i значениями. Более подробный вариант осуществления средства 22 управления мощностью описывается далее в данном документе со ссылкой на Фиг.3.
Фиг.3 представляет упрощенную электрическую схему, изображающую систему управления мощностью, следующую из иллюстративного варианта осуществления изобретения.
ref
Средство 21 генерирования высокого напряжения в его входе может содержать трансформатор высокого напряжения, содержащий первичную обмотку 210 и вторичную обмотку 211. Вторичная обмотка 211 может быть нагружена непосредственно на схему полнопериодного мостового выпрямителя, например, содержащего диодный мост 212 и параллельный конденсатор 213, причем схема мостового выпрямителя подает катодный ток на катод K. Как иллюстрировано посредством Фиг.3, в качестве иллюстративного варианта осуществления, модуль 228 возбуждения нулевого анода может содержать регулятор 2280, выход которого соединяется со средством 2286 распределения. Например, регулятор 2280 может являться усилителем с большим коэффициентом усиления. Например, средство 2286 распределения может быть образовано транзистором, в конфигурации с общим эмиттером, база которого поляризуется при помощи базового резистора 2282. Средство ограничения, упомянутое выше со ссылкой на Фиг.2, может быть присоединено к средству 2286 распределения. Например, средство ограничения может быть образовано первым стабилитроном 2288, расположенным параллельно со средством 2286 распределения, то есть: в иллюстрированном примере, между эмиттером и коллектором транзистора, и вторым стабилитроном 2284 последовательно с коллектором транзистора, и последовательно с поляризационным сопротивлением 34 нулевого анода электрода A0. Например, защитный резистор 36 может быть реализован последовательно с нулевым анодом таким образом, чтобы ограничивать ток нулевого анода, например, в случае расфокусирования TWT. Например, модуль 222 установки опорного катодного тока на входе регулятора 2280 может быть сформирован настраиваемым опорным напряжением V, изображенным посредством стабилитрона.
k min
ksetting
Когда посылается команда режима ожидания, то есть когда переключатель 224 команды режима ожидания закрыт, модуль 222 установки опорного катодного тока шунтируется, и регулятор 2280 имеет тенденцию к уменьшению катодного тока до нуля, другими словами, регулятор 2280 находится в рабочей точке низкого насыщения. Таким образом, транзистор 2286 насыщается и работает как открытый коммутатор. Следовательно, первый стабилитрон 2288 фиксирует напряжение между коллектором и эмиттером транзистора 2286, и, следовательно, стабилитрон 2288 фиксирует минимальное напряжение нулевого анода. Нулевой анод, также определяет катодный ток Ik, причем последний в этой ситуации имеет минимальное значение I, в то время как его настройка опорного тока I равняется нулю, причем переключатель 224 команды режима ожидания закрывается, следовательно, регулятор 2280 остается в нижней точке состояния насыщения, а также средство 22 управления мощностью в целом может рассматриваться в нижней точке состояния насыщения. Однако даже в режиме ожидания катодный ток фактически никогда не уменьшается до нулевого значения, что означает, что TWT поддерживается в рабочем состоянии при мощности ниже ее номинального рабочего диапазона, и ее катод поддерживается при номинальной рабочей температуре. Следовательно, допускается, что TWT может, при необходимости, стать доступной немедленно, без необходимости выполнения фаз инициализации и предварительного подогрева, как это требовалось бы в случае полного отключения TWT.
ref
k
ref
k
При нормальной работе, средство 22 управления мощностью не насыщается, и напряжение нулевого анода имеет промежуточное значение, соответствующее требуемому выходному уровню TWT 24. Действительно, если переключатель 224 команды режима ожидания открыт, то значение напряжения V, в примере, проиллюстрированном на чертеже, определяет значение напряжения, которое должно получаться в результате измерения катодного тока I при помощи модуля 220 обнаружения катодного тока. В таком случае, регулятор 2280 работает таким образом, чтобы поддерживать напряжение, измеряемое посредством модуля 220 обнаружения катодного тока, равным опорному напряжению V. С этой целью, резистор 2282 в цепи базы поляризуется таким образом, что нулевой анод поляризуется с требуемым значением для лампы бегущей волны для обеспечения требуемого катодного тока I, причем тогда средство 22 управления мощностью действует в качестве контура регулирования.
k max
k max
В предпочтительном варианте осуществления может использоваться второй стабилитрон 2284, который позволяет устанавливать максимальное напряжение нулевого анода A0, а также максимальное значение I катодного тока. Следует заметить, что при нормальной работе транзистор 2286 не насыщается, чтобы поддерживать контур регулирования, сформированный посредством средства 22 управления мощностью. Следовательно, рабочие пределы определяются переключением транзистора 2286 как насыщаемого в выключенном состоянии во время режима ожидания, так и во включенном состоянии, причем этот последний режим определяет максимальное значение I катодного тока.
ref
ref
Также следует заметить, что при выходе из режима ожидания, в частности, должно быть предпочтительным надлежащим образом управлять изменениями установки опорного катодного тока, например, при помощи установки V таким образом, чтобы препятствовать выходу регулятора на его оптимальную рабочую точку после высоких колебаний амплитуды, которые, вероятно, повредили бы лампу. Предпочтительно, средство фильтрации может быть предложено таким образом, чтобы позволить опорному напряжению V медленно достигать рабочего значения, то есть более медленно, чем время реакции регулятора 2280, так что регулятор 2280 может надлежащим образом следовать опорной установке и надлежащим образом стабилизироваться на требуемом значении без нежелательного обгона или колебаний. Например, фильтр первого порядка может быть использован с постоянной времени намного более высокой, чем время реакции регулятора 2280.
Предпочтительно, параллельно с командой режима ожидания, режим RF молчания может быть активирован при помощи команды, которая может быть отправлена в линеаризованный предварительный усилитель радиочастотного сигнала, нацеленный на отключение RF сигнала, причем эта команда обычно называется командой "бланкирования".