Harris 10 kW全固態(tài)數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機功放故障分析及維護(hù)

齊愛梅

（山西省廣播電視局老軍營發(fā)射中心，山西 太原 030012）

近年來，山西省廣播電視局先后購置多部哈里斯（Harris）10 kW全固態(tài)數(shù)字調(diào)頻廣播發(fā)射機，分別承擔(dān)著中央一、二、三套，山西系列臺多套調(diào)頻廣播節(jié)目的發(fā)射任務(wù)。該發(fā)射機是一套多功能、高效率的FM廣播發(fā)射機，使用了被稱為Z-Aixs三維電子設(shè)計理論，使用了Harris數(shù)字調(diào)頻激勵器（Digital FM Exciter）。Z-Axis將射頻電路元件如分配器、合成器、放大器分布于三維空間，以使它們之間有最有效的信號通路，可使發(fā)射機的放大器組合經(jīng)濟地分解成細(xì)小模塊，以便于進(jìn)行拆卸、維護(hù)和更換。經(jīng)過幾年的工作運行，山西音樂廣播94 MHz哈里斯數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機性能穩(wěn)定可靠，技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)高，音質(zhì)與CD可以相媲美，充分顯示了數(shù)字化發(fā)射機的優(yōu)越性。

1 功放組成

1.1 PA功率放大和IPA（中間）功率放大模塊

Z10（10 kW）調(diào)頻發(fā)射機有16個PA（功放）模塊和2個IPA（中間放大）模塊，所有模塊相同且可互換。每個模塊是由2個獨立的射頻放大器組成，每個射頻放大器有2個MOSFET器件固定在小型散熱部件上，能提供400 W功率。功放模塊直接插在隔離的合成器上，沒有使用敏感射頻線。散熱板的2個面各有1個放大器，稱為PAs，術(shù)語“模塊”是由散熱板和2個PAs組成。模塊是對稱的，即模塊可不分上下地插入發(fā)射機。功放模塊具有“熱插拔能力”，即當(dāng)發(fā)射機工作時模塊可移去或替換。在負(fù)載匹配，環(huán)境溫度低于50℃時，每個模塊（2個射頻放大器）可產(chǎn)生最大850 W的輸出功率。

IPA由2個標(biāo)準(zhǔn)功放模塊組成，這2個子模塊只有一邊工作，為5 kW PA組合提供驅(qū)動，意思就是每個5 kW組合有1個IPA備用。發(fā)射機含有檢測、邏輯和開關(guān)電路，可自動從有故障的IPA切換到正常的IPA。為了更進(jìn)一步地冗余，任一功放模塊，不用修改可用作IPA模塊。

1.2 射頻合成

每個功率放大器或功放（功放模塊的一半），首先在一個微型8路三維隔離合成器中合成。所謂隔離，意思是無論放大器有多少個模塊工作，仍然工作于50 Ω阻抗負(fù)載，即使故障情況下，對放大器無影響。每個5 kW功放組合中，有2個8路合成器，8路合成器的輸出到一個3 dB合成器中合成，2個5 kW功放組合輸出在另一個3 dB合成器中合成10 kW射頻輸出。3 dB合成器可改善射頻模塊的負(fù)載阻抗條件，吸收由天線接收的功率，以減少與其他相鄰調(diào)頻發(fā)射機產(chǎn)生互調(diào)。

1.3 PA控制器板

Z10調(diào)頻發(fā)射機有4個PA控制器，利用微處理控制器給主控制器提供信息，但可獨立于主控制器工作。每個PA控制器控制32個PA中的8個。表1顯示出各PA控制板控制哪些PA。PA控制器的作用為:通過PA的柵偏壓來開/關(guān)PA（使PA導(dǎo)通或截止）；測量PA和與其相鄰的隔離電阻的狀態(tài)和故障監(jiān)測；合成器隔離開關(guān)控制，與PA相鄰并受其控制；交叉保護(hù)（在故障情況下由另一個PA控制板控制封鎖PA）。%

表1 PA控制分配

表1是跟蹤PA控制器和每個IPA的控制、狀態(tài)和測量的幫助。第1列是按Z平面排列的PA組，第2列是具體PA的結(jié)構(gòu)和位置，與印在PA門后的一樣。第3列至第6列，每個PA控制器的標(biāo)識和可以控制的8個PA，即PA1～PA8。第7列是PA和PA控制器之間的具體連接路徑和給出了每個PA的結(jié)構(gòu)和接頭的數(shù)字。最后2列給出每個PA隔離開關(guān)和隔離電阻的元件編號。隔離開關(guān)和電阻位于固定在Z平面邊上的隔離板上。%

2 功放控制器故障

下面詳細(xì)介紹與PA控制板相關(guān)的故障。其中大部分用以處理PA以及隔離電阻的問題。

2.1 普通功放故障解決

一般的步驟，首先解決的方法就是更換功放或者整個模塊。如果問題隨著功放而動，就要確認(rèn)問題出在功放而不是它所連的槽。如果問題明顯發(fā)生在某個槽里面，那么就可進(jìn)一步查到問題在哪里。表1中有列出。

2.2 功放過電流

每個功放在沒有故障的情況下其標(biāo)準(zhǔn)的過流閾值為14.5 A，如果某個功放過電流，那個功放將被屏蔽，連接隔離開關(guān)將斷開隔離電阻和功率合成器的連接并且讓功放的輸出接地。這是使其他的功放得以優(yōu)化的最好方法。直到按下開機鍵使發(fā)射機重開，這將不屏蔽有故障的功放，如果電流仍然太高，那個功放將又一次關(guān)閉。

然而，應(yīng)注意到Z10控制系統(tǒng)是會自適應(yīng)的。由于壞了1個功放，其他3個功放會因為連接失配增加而減少功放電流的折返電平，如果第2個又壞了，還要看它和第1個壞的功放的位置關(guān)系來決定電流折返限制點。這基本意味著有2個功放出了故障。根據(jù)損壞功放的位置，發(fā)射機最高功率為100%，亦或是最壞的情況，功率為80%（可能更低，視工作環(huán)境而定）。具體情況見表2。

不工作的器件1個功放損壞2個功放損壞3個功放損壞拆除1個模塊拆除2個模塊1個電源損壞1個功放控制器損壞1個電源控制器損壞最好情況下輸出功率100100 100100 10030 3016 最壞情況下輸出功率10080 40100 7030 3016

表2中，1個功放控制器或電源損壞相當(dāng)于32個功放中有8塊發(fā)生故障。1個電源控制器損壞相當(dāng)于2個電源和32個功放中有16塊發(fā)生故障。

2.3 A，B，C或D#_UC功放弱電流

功放弱電流是與4個為1組的功放電流讀數(shù)相比較而言的。當(dāng)每個4組件的功放電流相同時，例如A1，A2，A3，A4，所有這些都被插入到1個4路功率合成器，若其中1個功放有電流讀數(shù)時，將是其他3個功放平均電流的10%以下，這時系統(tǒng)將被暫停工作120 ms，功放隔離開關(guān)也被激活，其余3個功放將又可以工作?？刂破髦鲗?dǎo)裝置真正檢測這個故障，因為功放控制器4組件的PA沒有電流讀數(shù)（每個功放控制器僅控制任意一組中的2個功放模塊）。當(dāng)?shù)碗娏鞴收媳粰z測到后，主導(dǎo)裝置給相關(guān)功放控制器發(fā)出一條命令，關(guān)閉該功放。這里的#是指數(shù)字1～8。

2.4 A，B，C或D#功放不輸出功率

無論功放何時不輸出功率，每個功放引起的電流都會被檢測到。如果功放不輸出功率后仍有電流流動，那么這種故障會導(dǎo)致發(fā)射機不工作，直至所有電流值在1 A之下。這種故障大部分可能都是測量故障，在故障記錄中會顯示出“A，B，C，D#-MUTE-FLT”（這里的“#”可以是數(shù)字1～8）。要判斷功放或者插槽是否有故障，可以關(guān)閉發(fā)射機，翻轉(zhuǎn)功放模塊后裝入或者其他的模塊替換。注意，當(dāng)功放不輸出功率故障發(fā)生時，要記得在拆除功放模塊前，一定要關(guān)閉發(fā)射機，這樣可以保護(hù)功放邊緣接頭不產(chǎn)生打火。

2.5 A，B，C或D#_OT功放溫度過高

每個功放的溫度通過熱敏電阻RT1（固定于單個的放大器板上）來感應(yīng)。如果溫度到達(dá)100℃，發(fā)射機將不工作，并通過隔離開關(guān)斷開這個有問題的功放。如果其中1個熱敏電阻或它的線路短路，溫度指示將達(dá)155℃或更高。

2.6 A，B，C或D#_OUT功放輸出閉鎖

閉鎖故障可能發(fā)生在任一功放。有2個頂端連接件與每個功放相連，J1-A和J1-V，要比其他的短。除非功放全部插入連接件，否則2個連接件不會接通。如果沒有插入功放，這2個連接件開路，控制器將從系統(tǒng)中斷開此功放，并在故障記錄中報告:A，B，C，D#_OUT（這里的“#”可以是數(shù)字1～8）。這些信息在診斷顯示屏“Status Menus”中功放狀態(tài)下顯示?？砂矗跾TAUS C］（狀態(tài)C）后選擇所需的Z形平面板。

2.7 A，B，C或D#_ISO功放隔離故障

此故障門限使功放隔離電阻溫度是150℃，這些電阻被固定安放在5 kW功率模塊底座的隔離板上。正常時隔離電阻有很小的電流并保持在40～100℃，如果在4個為1組的放大器組中，跟隔離電阻相接的放大器與其他3個放大器比較，存在相位或幅度差異，那么電阻會消除不平衡因數(shù)，增加它的溫度。越不平衡，溫度上升得越快。每個電阻器都接有一個特殊環(huán)氧樹脂制成的熱敏電阻，來感應(yīng)溫度，當(dāng)溫度超過150℃（或預(yù)測值高于此溫度），故障記錄將登記“A，B，C或D#_ISO”故障。發(fā)射機被抑制120 ms，此功放被關(guān)閉，故障釋放。此過載預(yù)示是由隔離負(fù)載有規(guī)則的溫度升高，超過規(guī)定時間限制而引起，這意味著在系統(tǒng)出錯之前，隔離電阻不會到150℃，但是如果溫度由電阻熱度引起升高，系統(tǒng)將關(guān)閉該問題功放。監(jiān)視隔離電阻溫度可在顯示面板中按［METERING C，C］，從屏幕上可由Z平面板監(jiān)控所有的隔離電阻溫度。

注意，獨立的功放電阻的溫度會有一些變化，但是如果它們在75℃以下的環(huán)境中，那么就可認(rèn)為是正常的。

2.8 PA_ISO_OT功放隔離電阻溫度過高

這是一種普通的溫度過高故障，如果合成器中的功放隔離電阻確實達(dá)到150℃（非預(yù)測值），發(fā)射機將停止運行。這樣可防止因沒有把隔離電阻從電路中切斷，而使合成器系統(tǒng)發(fā)生故障。主要原因是電阻有關(guān)的隔離開關(guān)存在故障。但是，1個短路的熱敏電阻（每個功放隔離都有相連的1個熱敏電阻，用來傳感溫度）也能引起此故障，因為它會使溫度達(dá)到最大的讀數(shù)，甚至超過150℃。

如果產(chǎn)生此故障，所有的功放隔離電阻溫度都應(yīng)被檢查。因為發(fā)射機被關(guān)閉，溫度應(yīng)降下來。如果其中1個仍然極熱，大約在150℃，那么有1個熱敏電阻可能短路。如果所有的溫度讀數(shù)都冷卻下來，也可能是射頻開關(guān)的問題。找出正確的射頻開關(guān)或隔離負(fù)載，得到A，B，C或D＃_ISO故障號（故障記錄也有），并參見表1。

2.9 PA_ISO_SW功放隔離開關(guān)故障

在系統(tǒng)測試期間，如果發(fā)現(xiàn)功放隔離開關(guān)有問題，這種故障就將出現(xiàn)。在系統(tǒng)測試時，每發(fā)現(xiàn)一處故障，相應(yīng)的功放和功放相屬的隔離電阻將被切斷。因為功放中的隔離開關(guān)并未真正斷開相應(yīng)的隔離電阻，系統(tǒng)自檢將中斷，并在故障記錄中報告。

2.10 合成器ISO（合成器隔離）故障

有3種隔離故障:

1）PAC_ISO AZ，BZ，CZ或DZ（R9在隔離板上）。這是位于Z-Plan上的2組4組件之間輸出不平衡引起的溫度故障。如果其中1組負(fù)載接近145℃，功放控制器將抑制所有功放，可通過按開機鍵重啟系統(tǒng)。如果主控制器不工作或者由主控制器觸發(fā)的隔離功放控制器反饋程序不能使隔離負(fù)載降溫，這種故障就會產(chǎn)生。

2）PAC_ISO AB或PAC_ISO CD（隔離負(fù)載或抵抗負(fù)載位于5 kW混合合成器）。這是由Z-Planes的A和B之間或C和D之間輸出不平衡造成的溫度故障。如果其中1個負(fù)載接近145℃，功放控制器將關(guān)閉所有功放輸出。這些負(fù)載的溫度也由主控制器感應(yīng)。所以在故障產(chǎn)生之前，主控制器將會啟動隔離功放控制器反饋程序不能使負(fù)載溫度降低，那么功放控制器將會保護(hù)系統(tǒng)。

3）ISO_ABCD（隔離負(fù)載在10 kW合成器上，10 kW合成器合成了2路5 kW功率塊的輸出）這是由2路5 kW功率塊A和B或C和D之間輸出不平衡（相位或幅度）引起的溫度故障?？赡苁怯赡K故障或是IPAs輸出不平衡造成的。電阻溫度由主控制器和4個功放控制器來傳感。如果主控制器不工作或反饋程序不能使負(fù)載溫度降低，那么功放控制器將會保護(hù)系統(tǒng)。

AB，CD的整體ABCD負(fù)載可用電阻表測量。

2.11 PAC#_VOLTS電源故障

如果受獨立功放控制器控制功放電壓小于30 V（直流）或大于65 V（直流）會產(chǎn)生此故障。執(zhí)行3次故障清除，如故障仍存在，功放在電源控制器控制下將被抑制和關(guān)閉。受功放控制器1控制的所有8個功放由電源1供電，2號電源給2號功放控制器供電，依次類推。

2.12 PAC#_-15 V故障

這是關(guān)鍵性故障，因為如果失去-15 V電壓，受影響的功放控制器基本失去輸出能力，從而引起電路故障。故障被檢測到后，受影響的功放控制器要求其他功放控制器抑制它的功放（XOVER），并將其關(guān)閉。這將引起較嚴(yán)重的系統(tǒng)失衡，發(fā)射機在大多數(shù)情況下其輸出功率約為正常輸出功率的30%。注意，交流電相間不平衡或缺相會產(chǎn)生這種故障。如果交流缺相故障幾乎同時被記錄下來，則此故障應(yīng)該忽略。

3 日常維護(hù)

Z10發(fā)射機的日常維護(hù)主要包括:定期清潔，對溫度、電壓、電流工作情況進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 清潔

適當(dāng)?shù)貙︼L(fēng)機進(jìn)行清潔是維護(hù)工作中最基本的。如果空氣是來自室外，那么應(yīng)經(jīng)常過濾，以保證室內(nèi)及發(fā)射機的清潔。

模塊上的散熱片效率較高，模塊應(yīng)定期清潔，模塊的清潔應(yīng)當(dāng)在指定的場所，根據(jù)空氣流通系統(tǒng)、過濾器、濕度等情況而定清潔周期。既可通過直觀觀察，又可通過數(shù)字顯示屏上模塊溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)來決定是否進(jìn)行模塊清潔。

電源部分清潔可通過吸塵器或充氣機來進(jìn)行。發(fā)射機機頂?shù)恼髌靼l(fā)熱片可用充氣機來清潔，待灰塵沉淀后，中間的間隔部分用吸塵器除塵。移動線纜進(jìn)行清潔時應(yīng)格外小心，移動任何一根電纜，均有可能令線路出現(xiàn)短路或斷路，因此電纜應(yīng)可能少移動。

3.2 測試

3.2.1 常規(guī)測試

測試應(yīng)作為常規(guī)維護(hù)的一部分，每年至少進(jìn)行1次。如果主要的功率合成器元件，如Z-Plane或隔離板，進(jìn)行拆卸或更換，或者將連接以上2個板的連接線斷開或重接，都要進(jìn)行測試。

3.2.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試的目的是功率合成器配置、電纜情況和完整性進(jìn)行測試。系統(tǒng)測試時間長度將在顯示屏顯示。測試時將功率減小到標(biāo)稱功率的40%，即4 kW，并將完成每個功放的抑制周期。測試時，天線的駐波比必須小于1.2，且沒有故障出現(xiàn)。若駐波比太高，測試將被中斷。在測試的過程中，“HIGH ON”和“LOW ON”將不會工作，在功率高于50%的任何時間，此檢測系統(tǒng)都可以啟動。在測試的時候，檢測到了錯誤，測試將會停止。注意，若發(fā)射機在正常的操作溫度下進(jìn)行測試的話，測試效果將會比較理想。如果測試失敗，應(yīng)至少啟動2次，以驗證每次是否出現(xiàn)同一故障。