Harris 10 kW全固態數字調頻發射機功放故障分析及維護

齊愛梅

（山西省廣播電視局老軍營發射中心，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全固態數字調頻廣播發射機，分別承擔著中央一、二、三套，山西系列臺多套調頻廣播節目的發射任務。該發射機是一套多功能、高效率的FM廣播發射機，使用了被稱為Z-Aixs三維電子設計理論，使用了Harris數字調頻激勵器（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，可使發射機的放大器組合經濟地分解成細小模塊，以便于進行拆卸、維護和更換。經過幾年的工作運行，山西音樂廣播94 MHz哈里斯數字調頻發射機性能穩定可靠，技術質量指標高，音質與CD可以相媲美，充分顯示了數字化發射機的優越性。

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）調頻發射機有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射機。功放模塊具有“熱插拔能力”，即當發射機工作時模塊可移去或替換。在負載匹配，環境溫度低于50℃時，每個模塊（2個射頻放大器）可產生最大850 W的輸出功率。

IPA由2個標準功放模塊組成，這2個子模塊只有一邊工作，為5 kW PA組合提供驅動，意思就是每個5 kW組合有1個IPA備用。發射機含有檢測、邏輯和開關電路，可自動從有故障的IPA切換到正常的IPA。為了更進一步地冗余，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載阻抗條件，吸收由天線接收的功率，以減少與其他相鄰調頻發射機產生互調。

1.3 PA控制器板

Z10調頻發射機有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PA（使PA導通或截止）；測量PA和與其相鄰的隔離電阻的狀態和故障監測；合成器隔離開關控制，與PA相鄰并受其控制；交叉保護（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的結構和位置，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的結構和接頭的數字。最后2列給出每個PA隔離開關和隔離電阻的元件編號。隔離開關和電阻位于固定在Z平面邊上的隔離板上。%

2 功放控制器故障

下面詳細介紹與PA控制板相關的故障。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，就要確認問題出在功放而不是它所連的槽。如果問題明顯發生在某個槽里面，那么就可進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準的過流閾值為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化的最好方法。直到按下開機鍵使發射機重開，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閉。

然而，應注意到Z10控制系統是會自適應的。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。根據損壞功放的位置，發射機最高功率為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于32個功放中有8塊發生故障。1個電源控制器損壞相當于2個電源和32個功放中有16塊發生故障。

2.3 A，B，C或D#_UC功放弱電流

功放弱電流是與4個為1組的功放電流讀數相比較而言的。當每個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個功放有電流讀數時，將是其他3個功放平均電流的10%以下，這時系統將被暫停工作120 ms，功放隔離開關也被激活，其余3個功放將又可以工作。控制器主導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（每個功放控制器僅控制任意一組中的2個功放模塊）。當低電流故障被檢測到后，主導裝置給相關功放控制器發出一條命令，關閉該功放。這里的#是指數字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，那么這種故障會導致發射機不工作，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“#”可以是數字1～8）。要判斷功放或者插槽是否有故障，可以關閉發射機，翻轉功放模塊后裝入或者其他的模塊替換。注意，當功放不輸出功率故障發生時，要記得在拆除功放模塊前，一定要關閉發射機，這樣可以保護功放邊緣接頭不產生打火。

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。如果溫度到達100℃，發射機將不工作，并通過隔離開關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“#”可以是數字1～8）。這些信息在診斷顯示屏“Status Menus”中功放狀態下顯示。可按［STAUS C］（狀態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，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氧樹脂制成的熱敏電阻，來感應溫度，當溫度超過150℃（或預測值高于此溫度），故障記錄將登記“A，B，C或D#_ISO”故障。發射機被抑制120 ms，此功放被關閉，故障釋放。此過載預示是由隔離負載有規則的溫度升高，超過規定時間限制而引起，這意味著在系統出錯之前，隔離電阻不會到150℃，但是如果溫度由電阻熱度引起升高，系統將關閉該問題功放。監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℃以下的環境中，那么就可認為是正常的。

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到150℃（非預測值），發射機將停止運行。這樣可防止因沒有把隔離電阻從電路中切斷，而使合成器系統發生故障。主要原因是電阻有關的隔離開關存在故障。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，因為它會使溫度達到最大的讀數，甚至超過150℃。

如果產生此故障，所有的功放隔離電阻溫度都應被檢查。因為發射機被關閉，溫度應降下來。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都冷卻下來，也可能是射頻開關的問題。找出正確的射頻開關或隔離負載，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功放隔離開關故障

在系統測試期間，如果發現功放隔離開關有問題，這種故障就將出現。在系統測試時，每發現一處故障，相應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并未真正斷開相應的隔離電阻，系統自檢將中斷，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。如果主控制器不工作或者由主控制器觸發的隔離功放控制器反饋程序不能使隔離負載降溫，這種故障就會產生。

2）PAC_ISO AB或PAC_ISO CD（隔離負載或抵抗負載位于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個負載接近145℃，功放控制器將關閉所有功放輸出。這些負載的溫度也由主控制器感應。所以在故障產生之前，主控制器將會啟動隔離功放控制器反饋程序不能使負載溫度降低，那么功放控制器將會保護系統。

3）ISO_ABCD（隔離負載在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。可能是由模塊故障或是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載溫度降低，那么功放控制器將會保護系統。

AB，CD的整體ABCD負載可用電阻表測量。

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）會產生此故障。執行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），并將其關閉。這將引起較嚴重的系統失衡，發射機在大多數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，則此故障應該忽略。

3 日常維護

Z10發射機的日常維護主要包括:定期清潔，對溫度、電壓、電流工作情況進行監測。

3.1 清潔

適當地對風機進行清潔是維護工作中最基本的。如果空氣是來自室外，那么應經常過濾，以保證室內及發射機的清潔。

模塊上的散熱片效率較高，模塊應定期清潔，模塊的清潔應當在指定的場所，根據空氣流通系統、過濾器、濕度等情況而定清潔周期。既可通過直觀觀察，又可通過數字顯示屏上模塊溫度監測數據來決定是否進行模塊清潔。

電源部分清潔可通過吸塵器或充氣機來進行。發射機機頂的整流器發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。移動線纜進行清潔時應格外小心，移動任何一根電纜，均有可能令線路出現短路或斷路，因此電纜應可能少移動。

3.2 測試

3.2.1 常規測試

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

3.2.2 系統測試

系統測試的目的是功率合成器配置、電纜情況和完整性進行測試。系統測試時間長度將在顯示屏顯示。測試時將功率減小到標稱功率的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。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，若發射機在正常的操作溫度下進行測試的話，測試效果將會比較理想。如果測試失敗，應至少啟動2次，以驗證每次是否出現同一故障。