行波管高功放的維護(hù)與故障處理

上海廣播電視臺技術(shù)運(yùn)營中心衛(wèi)星地球站 韓 俊

一、引言

地球站信號上行需要使用能夠穩(wěn)定輸出大功率高頻信號的高功率放大器，目前衛(wèi)星地球站高功率放大器分為三大類：速調(diào)管高功率放大器（KHPA）、行波管高功率放大器（TWTA）和固態(tài)高功率放大器（SSPA），這三種功放各有特點(diǎn)，使用要求也不相同。行波管高功率放大器和固態(tài)高功率放大器具有寬頻帶的特點(diǎn)，可覆蓋整個發(fā)射頻段，可以同時放大多個載波，適用于需要更換頻率的多載波業(yè)務(wù)；在放大多個載波時，為了使交調(diào)產(chǎn)物控制在規(guī)定值內(nèi)，放大器應(yīng)工作在線性區(qū)，即功率不能用足，需要有一定的補(bǔ)償量，補(bǔ)償量視載波數(shù)量的多少，一般在4～7dB之間，因此，需要放大多個載波時，應(yīng)選用額定功率較大的行波管高功率放大器。

二、行波管高功放的應(yīng)用

國內(nèi)廣播電視衛(wèi)星地球站并沒有單一的使用某一種類型的高功放，而是根據(jù)實(shí)際使用情況，選擇適合自身業(yè)務(wù)發(fā)展的高功放。在微波頻段，目前千瓦級輸出的高功放一般采用行波管和速調(diào)管，其具有輸出功率大、工作電壓高等特點(diǎn)，適合廣播電視安全播出需要抗擊非法干擾的需求，因此，這兩種類型的高功放多用于地方衛(wèi)視等重要節(jié)目的上行播出使用。而節(jié)目交換、信息傳遞等普通業(yè)務(wù)需求則這三種高功放均能滿足要求。我站根據(jù)廣播電視安全播出和業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，采用了CPI VZC-6965B5型2250W行波管高功放。高功放配置為1+1功率合成方式，兩臺2250W的行波管功放合成功率輸出可以達(dá)到3500W左右，在抗擊非法干擾中能夠發(fā)揮更大的作用。而且在功率合成輸出的模式下，當(dāng)某一路高功放發(fā)生故障時，載波信號會損失部分功率，但不會影響播出。這樣配置既滿足正常播出條件下的安全備份需求，又滿足異常播出條件下的大功率需求。下面簡單介紹一下其工作原理。

高功放主要由射頻、電源、冷卻、控制等部分構(gòu)成。對于行波管高功放系統(tǒng)，輸入的射頻信號經(jīng)固態(tài)中功率放大器預(yù)放大后，送入行波管進(jìn)行高功率放大，再經(jīng)過諧波濾波器后輸出大功率的微波信號。上變頻器輸出的射頻信號功率一般在毫瓦級，當(dāng)高功放輸出功率達(dá)數(shù)千瓦時，要求管子輸入功率接近瓦級，因而需要在管子前面加固態(tài)中功率放大器，使高功率放大器的總增益達(dá)80dB左右。

行波管功放具有輸出功率大（Ku頻段可以到2kW、C頻段可以到3kW）、工作帶寬范圍寬（頻率范圍為5.85～6.65GHz）、效率高等特點(diǎn)，是目前固態(tài)功率放大器（SSPA）很難達(dá)到的性能指標(biāo)，但行波管功放與固態(tài)功放相比也有一些缺點(diǎn)，如平均無故障工作時間（MTBF）短（行波管功放為：3萬小時左右；固態(tài)功放為：5萬小時左右），多載波工作時功率回退大（行波管功放一般要回退4～7dB；固態(tài)一般只需回退3dB），同時，由于行波管功率放大器屬于真空電子管放大器，其工作在高壓環(huán)境中，因此，其工作的可靠性、穩(wěn)定性不如固態(tài)功率放大器。即便如此，在大功率（功率大于200W以上）應(yīng)用方面，行波管功放的性價比還是比固態(tài)功率放大器高的。

三、日常維護(hù)及故障處理

高功率放大器是上行站維護(hù)工作中的重中之重，因?yàn)橄鄬碚f它的故障率最高，維護(hù)工作涉及面較多，同時也最危險。正確使用和維護(hù)對高功放故障率的降低及運(yùn)行壽命的延長起著非常關(guān)鍵的作用。

1.日常維護(hù)工作

（1）功率讀數(shù)及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)記錄：由值班員每4小時對高功放功率讀數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)（螺流、螺壓等）進(jìn)行記錄，實(shí)際工作中不少故障隱患均能夠體現(xiàn)出來，及時處理做到防患于未然。

（2）每季度對空氣濾塵網(wǎng)、高壓模塊、機(jī)箱內(nèi)部電路以及行波管進(jìn)出風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行清潔維護(hù)，發(fā)現(xiàn)問題及時更換。尤其是高壓模塊是高功放的故障多發(fā)點(diǎn)，清潔無塵的工作環(huán)境能夠有效降低飛弧打火、電壓波動等故障率。

（3）LED和數(shù)字顯示檢查：及時發(fā)現(xiàn)各種面板顯示錯誤。

（4）每3個月進(jìn)行一次功放加電程序，該程序包括了加電自檢、加熱延時、確認(rèn)功放工作狀態(tài)和故障告警設(shè)置、確認(rèn)功率輸出等功能。

（5）RF輸出計(jì)量確認(rèn)：使用功率計(jì)、定向耦合器和假負(fù)載準(zhǔn)確測量RF輸出實(shí)際值，再觀察功放前面板顯示的輸出功率讀數(shù)，記錄兩數(shù)值之間的差值。

（6）技術(shù)參數(shù)測試：每半年對高功放飽和輸出功率、1dB壓縮點(diǎn)功率、增益、三階互調(diào)等性能指標(biāo)進(jìn)行測試，并做好記錄。為每臺高功放建立運(yùn)行檔案，了解高功放的健康狀況。

（7）備品備件測試：長期儲存的高功放備件應(yīng)當(dāng)每6個月取出進(jìn)行一次加電啟用，確保在設(shè)備故障時能夠立即替換，確保短期內(nèi)恢復(fù)正常播出不受影響。

2.故障分析與處理案例

故障類型：HPA突然報警，高壓跌落。HPA面板故障顯示：Helix Under Voltage Fault，復(fù)位后報警消除，重新上高壓后發(fā)現(xiàn)螺旋電壓工作值不穩(wěn)定，呈逐漸下降趨勢，一段時間后再次跌至螺旋電壓下限報警。環(huán)境溫/濕度：23℃，80%。

處理措施：類似故障均發(fā)生在夏季濕度較高的時間段，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)為高壓電源模塊某元件在潮濕的環(huán)境下工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致螺旋電壓值漂移，無法穩(wěn)定提供高壓。對故障高功放的高壓模塊元器件針腳涂抹防水硅膠進(jìn)行處理，重新上電運(yùn)行后故障排除。

故障類型：HPA突然報警，高壓跌落。HPA面板故障顯示：TWT OVER TEMP FAULT，復(fù)位后報警消除，過10分鐘后再次上高壓，高功放穩(wěn)定工作了5分鐘左右再次報警高壓跌落，報警仍顯示：TWT OVER TEMP FAULT。檢查高功放進(jìn)出風(fēng)口，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)不工作，判斷為風(fēng)機(jī)故障，導(dǎo)致行波管溫度過高。

處理措施：拆下風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)軸承損壞，無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。更換風(fēng)機(jī)軸承后恢復(fù)正常工作。大功率高功放的散熱系統(tǒng)是設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，廣播電視播出通常為24小時不停運(yùn)轉(zhuǎn)，散熱風(fēng)機(jī)的負(fù)荷也相當(dāng)大，其壽命通常為3～4年。在日常運(yùn)維中，要定期給風(fēng)機(jī)軸承上油，減少磨損，同時巡視中多聽聽風(fēng)機(jī)是否有異響，發(fā)現(xiàn)問題及時更換。

故障類型：巡視抄表中發(fā)現(xiàn)高功放功率輸出值上下漂移范圍達(dá)到4dB左右，高功放沒有報警記錄。

處理措施：檢測發(fā)現(xiàn)輸入信號電平穩(wěn)定無異常，則判定為高功放內(nèi)部放大存在問題。更換CPI行波管備件，功率仍無法穩(wěn)定。跳開線性器，故障依舊，排除線性器問題。最后懷疑問題出在固態(tài)放大器，更換后故障排除。此類故障情況比較少見。

故障類型：高功放正常運(yùn)行當(dāng)中突然下高壓，高功放倒換器紅燈顯示該高功放故障，2～3秒后又自動恢復(fù)高壓，并且工作正常，檢查此高功放卻無報警記錄。此故障現(xiàn)象無規(guī)律的出現(xiàn)多次。

處理措施：檢測發(fā)現(xiàn)高功放并無任何報警記錄，恢復(fù)工作后各項(xiàng)指標(biāo)均無異常。從現(xiàn)象看類似于人為對高功放進(jìn)行了一次下高壓后再上高壓的操作。懷疑高功放電腦控制模塊存在問題，在無人為操作的情況下自行發(fā)出了下高壓并加高壓的指令。更換電腦控制模塊后故障排除。

三、結(jié)束語

綜上所述，行波管功率放大器具有寬頻帶、高功率的放大特性，可覆蓋800MHz帶寬，增益可達(dá)76dB以上。行波管功率放大器可以實(shí)現(xiàn)幾瓦至數(shù)千瓦的輸出功率，適用范圍很廣，可以實(shí)現(xiàn)多載波上行，在實(shí)際應(yīng)用中可將有限的資源利用最大化。特別是在地球站高頻、寬帶、大功率應(yīng)用領(lǐng)域，行波管功率放大器具有其他類型功放不可替代的優(yōu)勢。它的維護(hù)工作十分關(guān)鍵，能夠有效地提高行波管功放的工作穩(wěn)定性并提高其使用壽命，也有效地節(jié)約了運(yùn)維成本?！?/p>