高功放改造論證

【摘要】在衛(wèi)星導(dǎo)航地面應(yīng)用系統(tǒng)中，高功放設(shè)備承擔(dān)著出站信號(hào)放大的重要任務(wù)，直接關(guān)系著該系統(tǒng)的正常工作和穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)系統(tǒng)使用的速調(diào)管高功放壽命到期、故障率高、維修費(fèi)用高等問(wèn)題，對(duì)高功放改造與接入系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析研究，主要包括功放選型論證分析、功放接入方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容。通過(guò)研究實(shí)現(xiàn)了固態(tài)高功放接入系統(tǒng)使用，提高了該衛(wèi)星導(dǎo)航地面應(yīng)用系統(tǒng)可靠性。

【關(guān)鍵詞】地面應(yīng)用系統(tǒng)；高功放；接入；時(shí)延

1.引言

高功放承擔(dān)著衛(wèi)星導(dǎo)航地面控制系統(tǒng)出站信號(hào)放大的重要任務(wù)，其性能狀態(tài)直接關(guān)系著系統(tǒng)的正常工作和穩(wěn)定運(yùn)行。但通過(guò)長(zhǎng)期工作運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，原有的速調(diào)管高功放存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：可靠性低，故障率高，維修周期長(zhǎng)，維修成本較高；維護(hù)困難，噪音和散熱量大，需要專業(yè)的散熱維護(hù)；耗電量大，沒(méi)有充分使用全部資源。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文進(jìn)行了固態(tài)高功放接入系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究，主要包括功放選型論證分析、功放接入方案設(shè)計(jì)等內(nèi)容。通過(guò)研究實(shí)現(xiàn)了固態(tài)高功放接入系統(tǒng)，無(wú)論單機(jī)還是整體都提高了該衛(wèi)星導(dǎo)航地面應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。

2.功放改造需考慮的問(wèn)題

由于原有速調(diào)管高功放和新型固態(tài)功放在外部結(jié)構(gòu)上和硬件構(gòu)成上存在很大的差別，所以在高功放改造之前必須考慮以下點(diǎn)問(wèn)題。

（1）供電問(wèn)題

為保障替換下速調(diào)管功放能夠定期加電維護(hù)檢查，替換后為其保留原有供電，固態(tài)功放使用另外安裝的UPS線路供電，供電線路直接從UPS供電機(jī)柜接出。

（2）連接波導(dǎo)問(wèn)題

固態(tài)功放的安裝利用現(xiàn)有的高功放設(shè)備機(jī)柜，將速調(diào)管功放放在原機(jī)柜上位置整體下移，固態(tài)功放安裝在速調(diào)管功放上部，由于固態(tài)功放與速調(diào)管功放輸出口波導(dǎo)連接方式和位置均不同，需要重新定制波導(dǎo)進(jìn)行匹配，使用新定制波導(dǎo)替換下原功率合路器前端的連接波導(dǎo)。

（3）通風(fēng)問(wèn)題

原有的速調(diào)管功放機(jī)柜上安裝了進(jìn)風(fēng)通道和排風(fēng)通道，由于固態(tài)功放工作溫度較低，基本不需要外接冷卻風(fēng)道，使用連接軟管連接固態(tài)功放排風(fēng)口和速調(diào)管風(fēng)道進(jìn)行排風(fēng)。

（4）監(jiān)控問(wèn)題

改造后的高功放設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用原高功放的監(jiān)控系統(tǒng)改造完成。在原監(jiān)控系統(tǒng)中，速調(diào)管高功放的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已比較成熟，并經(jīng)過(guò)了實(shí)踐檢驗(yàn)，此部分不需要大的改動(dòng)。新監(jiān)控系統(tǒng)中需加入固態(tài)功放遠(yuǎn)程監(jiān)控，此項(xiàng)工作需對(duì)地面應(yīng)用系統(tǒng)的操作機(jī)、監(jiān)控服務(wù)器及相關(guān)軟件進(jìn)行部分改造，從而實(shí)現(xiàn)固態(tài)功放的監(jiān)視數(shù)據(jù)和控制命令與射頻機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)控的互聯(lián)。速調(diào)管高功放與固態(tài)功放的主備切換功能的實(shí)現(xiàn)仍然利用現(xiàn)有的高功放控制器控制完成。

（5）時(shí)延修正問(wèn)題

由于速調(diào)管功放和固態(tài)功放的設(shè)備時(shí)延存在差異，這就會(huì)影響到系統(tǒng)的定時(shí)和定位精度，更換功放后需要對(duì)系統(tǒng)時(shí)延進(jìn)行修改，所以在替換前應(yīng)測(cè)得速調(diào)管功放和固態(tài)功放的設(shè)備時(shí)延差異。

3.功放選型論證分析

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行情況看，速調(diào)管高功放輸出功率余量較大，但存在故障率高、維修周期長(zhǎng)、運(yùn)行環(huán)境要求高、維護(hù)費(fèi)用高、用電量大等缺點(diǎn)，影響了系統(tǒng)可靠性。綜合可靠性、維護(hù)費(fèi)用、用電量等因素進(jìn)行了高功放的選型，相比較固態(tài)功放有故障概率低、不需要預(yù)熱、設(shè)備環(huán)境要求低、維護(hù)保養(yǎng)方便、節(jié)約電能等優(yōu)點(diǎn)，考慮選擇固態(tài)功放進(jìn)行速調(diào)管高功放的更換工作，下面通過(guò)幾個(gè)方面對(duì)固態(tài)高功放和速調(diào)管高功放進(jìn)行比較。

（1）可靠性

原來(lái)系統(tǒng)1個(gè)波束采用兩臺(tái)速調(diào)管高功放1：1備份，由于速調(diào)管高功放連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，設(shè)備已到壽命末期、器件老化、增益降低、故障頻發(fā)，系統(tǒng)可靠性逐漸降低?，F(xiàn)階段速調(diào)管高功放的可靠性只有95%左右，兩臺(tái)互為備份的速調(diào)管高功放的可靠性為1-（1-95%）2=99.75%左右。而固態(tài)高功放的可靠性為99.8%左右，更換后使用固態(tài)高功放替換1臺(tái)速調(diào)管高功放，固態(tài)功放與速調(diào)管高功放相互備份的可靠性為1-（1-99.8%）×（1-95%）=99.9%。由此可見(jiàn)，無(wú)論從單機(jī)還是整體上使用固態(tài)功放進(jìn)行速調(diào)管高功放的更換都可以提高系統(tǒng)可靠性。

（2）用電量

3000W速調(diào)管高功放工作時(shí)用電量為11度/小時(shí)左右，400W固態(tài)功放工作時(shí)用電量為3度/小時(shí)左右，使用固態(tài)功放替換速調(diào)管高功放每臺(tái)每小時(shí)可節(jié)電8度左右，一年節(jié)省耗電28萬(wàn)余度。

（3）故障概率和維修費(fèi)用

速調(diào)管高功放連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，且又到壽命末期，故障率較高，而每次維修大約需人民幣5萬(wàn)元，系統(tǒng)每年速調(diào)管高功放維修費(fèi)用都在20萬(wàn)元以上，進(jìn)風(fēng)口空調(diào)、發(fā)射機(jī)房空調(diào)每年兩次清潔維護(hù)費(fèi)用也在1萬(wàn)元以上。而固態(tài)功放運(yùn)行穩(wěn)定，工作時(shí)設(shè)備溫度比較低，對(duì)環(huán)境要求較低，能夠節(jié)約機(jī)房空調(diào)維護(hù)費(fèi)用近萬(wàn)元。

4.功放接入方案設(shè)計(jì)

固態(tài)高功放接入系統(tǒng)本著不改變?cè)兴僬{(diào)管高功放設(shè)備布局結(jié)構(gòu)和不影響系統(tǒng)正常工作的原則，采用1臺(tái)固態(tài)功放替換原來(lái)速調(diào)管高功放設(shè)備的A套，形成速調(diào)管高功放B套與固態(tài)功放1：1的備份形式，固態(tài)功放接入系統(tǒng)設(shè)備連接如圖1所示。更換后，高可靠性的固態(tài)功放主用，速調(diào)管高功放備份。當(dāng)固態(tài)功放出現(xiàn)故障或功率不夠（大雨、大雪、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器因老化而增益不夠）時(shí)，再切換到備份的速調(diào)管高功放作為主用。這樣既可以發(fā)揮固態(tài)功放穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也發(fā)揮了速調(diào)管高功放功率大、增益高的優(yōu)勢(shì)，從而保證了地面應(yīng)用系統(tǒng)的高可靠性。

5.關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)注入時(shí)延修改補(bǔ)償

由功放時(shí)延差異引起的對(duì)注入時(shí)延進(jìn)行修改涉及到多個(gè)基準(zhǔn)時(shí)延表的修改，包括系統(tǒng)注入雙向基準(zhǔn)時(shí)延表、發(fā)射信道時(shí)延差異表、單向時(shí)延修正表和單向定時(shí)時(shí)延基準(zhǔn)表等修改。

（1）系統(tǒng)雙向時(shí)延基準(zhǔn)修改

要將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1、2、3、4波束A套高功放更換為固態(tài)功放，需要對(duì)系統(tǒng)注入的發(fā)1、發(fā)2、發(fā)3、發(fā)4波束的所有雙向基準(zhǔn)時(shí)延進(jìn)行修改。

（2）發(fā)射信道時(shí)延差異修改

因?yàn)?、2、3、4波束A套高功放更換為固態(tài)功放，系統(tǒng)注入基準(zhǔn)時(shí)延進(jìn)行了調(diào)整，發(fā)射信道涉及到的功放主備差異也要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。在使用固態(tài)功放主用時(shí)，變頻器、發(fā)射終端主備時(shí)延差異不變。在使用B套速調(diào)管主用工作時(shí)，B套速調(diào)管高功放時(shí)延相對(duì)于原A套速調(diào)管高功放時(shí)延的修正值為。A套高功放更換為固態(tài)功放后，B套速調(diào)管高功放時(shí)延相對(duì)于A套固態(tài)功放時(shí)延的修正值為，因而得出。

（3）系統(tǒng)單向時(shí)延基準(zhǔn)修改

在系統(tǒng)單向定時(shí)過(guò)程中，需要扣除設(shè)備單向時(shí)延。設(shè)備單向時(shí)延包含系統(tǒng)單向時(shí)延基準(zhǔn)值、出站轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延和定時(shí)設(shè)備的單向時(shí)延，這個(gè)值存儲(chǔ)在定時(shí)設(shè)備中。由于1波束高功放1A更換為固態(tài)功放，致使系統(tǒng)單向時(shí)延發(fā)生變化，為此必須對(duì)所有單向定時(shí)設(shè)備存儲(chǔ)的設(shè)備單向時(shí)延進(jìn)行調(diào)整，相應(yīng)減小18ns。對(duì)于單向定時(shí)用戶以公函形式通知進(jìn)行相應(yīng)修改。

（4）系統(tǒng)單向時(shí)延修正修改

系統(tǒng)各波束的單向時(shí)延是以1波束設(shè)備全A為基準(zhǔn)修正的，現(xiàn)在高功放1A更換為固態(tài)功放，時(shí)延較原速調(diào)管高功放減小18ns，所以其他波束和1波束功放主備組合狀態(tài)下的單向時(shí)延修正值需要進(jìn)行調(diào)整。

a.1A高功放使用固態(tài)功放后，基準(zhǔn)單向時(shí)延相應(yīng)減小18ns，當(dāng)1B速調(diào)管高功放主用時(shí)，與發(fā)射信道時(shí)延差異修改相同，新的單向時(shí)延時(shí)延修正等于原單向時(shí)延時(shí)延修正加上固態(tài)功放與速調(diào)管高功放的時(shí)延差異值18ns。

b.如果2、3、4波束A套仍使用原來(lái)速調(diào)管高功放，由于1A單向基準(zhǔn)時(shí)延減小18ns，單向時(shí)延時(shí)延修正值等于原單向時(shí)延時(shí)延修正值加上1A固態(tài)功放與速調(diào)管高功放的時(shí)延差異值18ns?，F(xiàn)在2、3、4波束A套更換成固態(tài)功放，則有新的單向時(shí)延時(shí)延修正值等于原單向時(shí)延時(shí)延修正值加上1A固態(tài)功放與速調(diào)管高功放的時(shí)延差異值18ns，再減去相應(yīng)功放間的時(shí)延差值。

c.在2、3、4波束使用B套速調(diào)管高功放主用時(shí)，新的單向時(shí)延時(shí)延修正等于原單向時(shí)延時(shí)延修正加上1A固態(tài)功放與速調(diào)管高功放的時(shí)延差異值18ns。

d.系統(tǒng)其余波束沒(méi)有進(jìn)行高功放的更換，新的單向時(shí)延時(shí)延修正值等于原單向時(shí)延時(shí)延修正加上1A固態(tài)功放與速調(diào)管高功放的時(shí)延差異值18ns。

5.2 低耗電纜時(shí)延差異補(bǔ)償

根據(jù)固態(tài)功放比速調(diào)管高功放時(shí)延小的實(shí)際情況，采用串接電纜的方式解決了時(shí)延差異問(wèn)題，即在固態(tài)功放輸入口接入低耗電纜來(lái)補(bǔ)償與原速調(diào)管高功放間的時(shí)延差異。定制的電纜時(shí)延與衰減如表2。

由表1和表2可知補(bǔ)償后時(shí)延差異最大為0.4ns，鑒于系統(tǒng)測(cè)距精度可認(rèn)為0.4ns沒(méi)有差別，即接入的電纜實(shí)現(xiàn)了固態(tài)功放與原速調(diào)管高功放間時(shí)延差異的補(bǔ)償。但時(shí)延補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)引入了衰減，通過(guò)減小上變頻器的衰減值，使固態(tài)功放保持原有功率輸出并有一定的上調(diào)空間。

綜上分析，如果采用修改系統(tǒng)注入時(shí)延的方法來(lái)解決功放接入后的時(shí)延差異問(wèn)題，需要分別修改系統(tǒng)單向時(shí)延基準(zhǔn)值、雙向時(shí)延基準(zhǔn)值、發(fā)射信道時(shí)延修正表和單向時(shí)延修正表，特別是單向時(shí)延基準(zhǔn)值的修改還涉及到所有的單向定時(shí)設(shè)備的設(shè)置調(diào)整。而采用低耗電纜的補(bǔ)償方法使得補(bǔ)償后固態(tài)功放加電纜時(shí)延與原速調(diào)管高功放的時(shí)延基本相同，從而能夠繼續(xù)使用系統(tǒng)當(dāng)前注入時(shí)延，因此高功放接入實(shí)施過(guò)程中采用低耗電纜來(lái)進(jìn)行固態(tài)功放的時(shí)延差異補(bǔ)償。

6.應(yīng)用情況

通過(guò)固態(tài)高功放改造與接入系統(tǒng)技術(shù)研究，由原先采用的兩臺(tái)速調(diào)管高功放互為主備模式更換為速調(diào)管與固態(tài)功放互為主備模式，無(wú)論單機(jī)還是整體都使該地面應(yīng)用系統(tǒng)功放設(shè)備的可靠性得到很大程度提高。固態(tài)功放投入使用以來(lái)，沒(méi)有出現(xiàn)任何故障，也確保了該系統(tǒng)的定位精度，并且更換后每臺(tái)固態(tài)功放相比速調(diào)管功放每年節(jié)省7萬(wàn)余度電，在提高可靠度的同時(shí)做到了節(jié)能。同時(shí)，該研究對(duì)于其它系統(tǒng)新型高功放選型、改造和接入使用具有重要參考價(jià)值。

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