Harris 10 kW全固态数字调频发射机功放故障分析及维护

齐爱梅

（山西省广播电视局老军营发射中心，山西 太原 030012）

近年来，山西省广播电视局先后购置多部哈里斯（Harris）10 kW全固态数字调频广播发射机，分别承担着中央一、二、三套，山西系列台多套调频广播节目的发射任务。该发射机是一套多功能、高效率的FM广播发射机，使用了被称为Z-Aixs三维电子设计理论，使用了Harris数字调频激励器（Digital FM Exciter）。Z-Axis将射频电路元件如分配器、合成器、放大器分布于三维空间，以使它们之间有最有效的信号通路，可使发射机的放大器组合经济地分解成细小模块，以便于进行拆卸、维护和更换。经过几年的工作运行，山西音乐广播94 MHz哈里斯数字调频发射机性能稳定可靠，技术质量指标高，音质与CD可以相媲美，充分显示了数字化发射机的优越性。

1 功放组成

1.1 PA功率放大和IPA（中间）功率放大模块

Z10（10 kW）调频发射机有16个PA（功放）模块和2个IPA（中间放大）模块，所有模块相同且可互换。每个模块是由2个独立的射频放大器组成，每个射频放大器有2个MOSFET器件固定在小型散热部件上，能提供400 W功率。功放模块直接插在隔离的合成器上，没有使用敏感射频线。散热板的2个面各有1个放大器，称为PAs，术语“模块”是由散热板和2个PAs组成。模块是对称的，即模块可不分上下地插入发射机。功放模块具有“热插拔能力”，即当发射机工作时模块可移去或替换。在负载匹配，环境温度低于50℃时，每个模块（2个射频放大器）可产生最大850 W的输出功率。

IPA由2个标准功放模块组成，这2个子模块只有一边工作，为5 kW PA组合提供驱动，意思就是每个5 kW组合有1个IPA备用。发射机含有检测、逻辑和开关电路，可自动从有故障的IPA切换到正常的IPA。为了更进一步地冗余，任一功放模块，不用修改可用作IPA模块。

1.2 射频合成

每个功率放大器或功放（功放模块的一半），首先在一个微型8路三维隔离合成器中合成。所谓隔离，意思是无论放大器有多少个模块工作，仍然工作于50 Ω阻抗负载，即使故障情况下，对放大器无影响。每个5 kW功放组合中，有2个8路合成器，8路合成器的输出到一个3 dB合成器中合成，2个5 kW功放组合输出在另一个3 dB合成器中合成10 kW射频输出。3 dB合成器可改善射频模块的负载阻抗条件，吸收由天线接收的功率，以减少与其他相邻调频发射机产生互调。

1.3 PA控制器板

Z10调频发射机有4个PA控制器，利用微处理控制器给主控制器提供信息，但可独立于主控制器工作。每个PA控制器控制32个PA中的8个。表1显示出各PA控制板控制哪些PA。PA控制器的作用为:通过PA的栅偏压来开/关PA（使PA导通或截止）；测量PA和与其相邻的隔离电阻的状态和故障监测；合成器隔离开关控制，与PA相邻并受其控制；交叉保护（在故障情况下由另一个PA控制板控制封锁PA）。%

表1 PA控制分配

表1是跟踪PA控制器和每个IPA的控制、状态和测量的帮助。第1列是按Z平面排列的PA组，第2列是具体PA的结构和位置，与印在PA门后的一样。第3列至第6列，每个PA控制器的标识和可以控制的8个PA，即PA1～PA8。第7列是PA和PA控制器之间的具体连接路径和给出了每个PA的结构和接头的数字。最后2列给出每个PA隔离开关和隔离电阻的元件编号。隔离开关和电阻位于固定在Z平面边上的隔离板上。%

2 功放控制器故障

下面详细介绍与PA控制板相关的故障。其中大部分用以处理PA以及隔离电阻的问题。

2.1 普通功放故障解决

一般的步骤，首先解决的方法就是更换功放或者整个模块。如果问题随着功放而动，就要确认问题出在功放而不是它所连的槽。如果问题明显发生在某个槽里面，那么就可进一步查到问题在哪里。表1中有列出。

2.2 功放过电流

每个功放在没有故障的情况下其标准的过流阈值为14.5 A，如果某个功放过电流，那个功放将被屏蔽，连接隔离开关将断开隔离电阻和功率合成器的连接并且让功放的输出接地。这是使其他的功放得以优化的最好方法。直到按下开机键使发射机重开，这将不屏蔽有故障的功放，如果电流仍然太高，那个功放将又一次关闭。

然而，应注意到Z10控制系统是会自适应的。由于坏了1个功放，其他3个功放会因为连接失配增加而减少功放电流的折返电平，如果第2个又坏了，还要看它和第1个坏的功放的位置关系来决定电流折返限制点。这基本意味着有2个功放出了故障。根据损坏功放的位置，发射机最高功率为100%，亦或是最坏的情况，功率为80%（可能更低，视工作环境而定）。具体情况见表2。

不工作的器件1个功放损坏2个功放损坏3个功放损坏拆除1个模块拆除2个模块1个电源损坏1个功放控制器损坏1个电源控制器损坏最好情况下输出功率100100 100100 10030 3016 最坏情况下输出功率10080 40100 7030 3016

表2中，1个功放控制器或电源损坏相当于32个功放中有8块发生故障。1个电源控制器损坏相当于2个电源和32个功放中有16块发生故障。

2.3 A，B，C或D#_UC功放弱电流

功放弱电流是与4个为1组的功放电流读数相比较而言的。当每个4组件的功放电流相同时，例如A1，A2，A3，A4，所有这些都被插入到1个4路功率合成器，若其中1个功放有电流读数时，将是其他3个功放平均电流的10%以下，这时系统将被暂停工作120 ms，功放隔离开关也被激活，其余3个功放将又可以工作。控制器主导装置真正检测这个故障，因为功放控制器4组件的PA没有电流读数（每个功放控制器仅控制任意一组中的2个功放模块）。当低电流故障被检测到后，主导装置给相关功放控制器发出一条命令，关闭该功放。这里的#是指数字1～8。

2.4 A，B，C或D#功放不输出功率

无论功放何时不输出功率，每个功放引起的电流都会被检测到。如果功放不输出功率后仍有电流流动，那么这种故障会导致发射机不工作，直至所有电流值在1 A之下。这种故障大部分可能都是测量故障，在故障记录中会显示出“A，B，C，D#-MUTE-FLT”（这里的“#”可以是数字1～8）。要判断功放或者插槽是否有故障，可以关闭发射机，翻转功放模块后装入或者其他的模块替换。注意，当功放不输出功率故障发生时，要记得在拆除功放模块前，一定要关闭发射机，这样可以保护功放边缘接头不产生打火。

2.5 A，B，C或D#_OT功放温度过高

每个功放的温度通过热敏电阻RT1（固定于单个的放大器板上）来感应。如果温度到达100℃，发射机将不工作，并通过隔离开关断开这个有问题的功放。如果其中1个热敏电阻或它的线路短路，温度指示将达155℃或更高。

2.6 A，B，C或D#_OUT功放输出闭锁

闭锁故障可能发生在任一功放。有2个顶端连接件与每个功放相连，J1-A和J1-V，要比其他的短。除非功放全部插入连接件，否则2个连接件不会接通。如果没有插入功放，这2个连接件开路，控制器将从系统中断开此功放，并在故障记录中报告:A，B，C，D#_OUT（这里的“#”可以是数字1～8）。这些信息在诊断显示屏“Status Menus”中功放状态下显示。可按［STAUS C］（状态C）后选择所需的Z形平面板。

2.7 A，B，C或D#_ISO功放隔离故障

此故障门限使功放隔离电阻温度是150℃，这些电阻被固定安放在5 kW功率模块底座的隔离板上。正常时隔离电阻有很小的电流并保持在40～100℃，如果在4个为1组的放大器组中，跟隔离电阻相接的放大器与其他3个放大器比较，存在相位或幅度差异，那么电阻会消除不平衡因数，增加它的温度。越不平衡，温度上升得越快。每个电阻器都接有一个特殊环氧树脂制成的热敏电阻，来感应温度，当温度超过150℃（或预测值高于此温度），故障记录将登记“A，B，C或D#_ISO”故障。发射机被抑制120 ms，此功放被关闭，故障释放。此过载预示是由隔离负载有规则的温度升高，超过规定时间限制而引起，这意味着在系统出错之前，隔离电阻不会到150℃，但是如果温度由电阻热度引起升高，系统将关闭该问题功放。监视隔离电阻温度可在显示面板中按［METERING C，C］，从屏幕上可由Z平面板监控所有的隔离电阻温度。

注意，独立的功放电阻的温度会有一些变化，但是如果它们在75℃以下的环境中，那么就可认为是正常的。

2.8 PA_ISO_OT功放隔离电阻温度过高

这是一种普通的温度过高故障，如果合成器中的功放隔离电阻确实达到150℃（非预测值），发射机将停止运行。这样可防止因没有把隔离电阻从电路中切断，而使合成器系统发生故障。主要原因是电阻有关的隔离开关存在故障。但是，1个短路的热敏电阻（每个功放隔离都有相连的1个热敏电阻，用来传感温度）也能引起此故障，因为它会使温度达到最大的读数，甚至超过150℃。

如果产生此故障，所有的功放隔离电阻温度都应被检查。因为发射机被关闭，温度应降下来。如果其中1个仍然极热，大约在150℃，那么有1个热敏电阻可能短路。如果所有的温度读数都冷却下来，也可能是射频开关的问题。找出正确的射频开关或隔离负载，得到A，B，C或D＃_ISO故障号（故障记录也有），并参见表1。

2.9 PA_ISO_SW功放隔离开关故障

在系统测试期间，如果发现功放隔离开关有问题，这种故障就将出现。在系统测试时，每发现一处故障，相应的功放和功放相属的隔离电阻将被切断。因为功放中的隔离开关并未真正断开相应的隔离电阻，系统自检将中断，并在故障记录中报告。

2.10 合成器ISO（合成器隔离）故障

有3种隔离故障:

1）PAC_ISO AZ，BZ，CZ或DZ（R9在隔离板上）。这是位于Z-Plan上的2组4组件之间输出不平衡引起的温度故障。如果其中1组负载接近145℃，功放控制器将抑制所有功放，可通过按开机键重启系统。如果主控制器不工作或者由主控制器触发的隔离功放控制器反馈程序不能使隔离负载降温，这种故障就会产生。

2）PAC_ISO AB或PAC_ISO CD（隔离负载或抵抗负载位于5 kW混合合成器）。这是由Z-Planes的A和B之间或C和D之间输出不平衡造成的温度故障。如果其中1个负载接近145℃，功放控制器将关闭所有功放输出。这些负载的温度也由主控制器感应。所以在故障产生之前，主控制器将会启动隔离功放控制器反馈程序不能使负载温度降低，那么功放控制器将会保护系统。

3）ISO_ABCD（隔离负载在10 kW合成器上，10 kW合成器合成了2路5 kW功率块的输出）这是由2路5 kW功率块A和B或C和D之间输出不平衡（相位或幅度）引起的温度故障。可能是由模块故障或是IPAs输出不平衡造成的。电阻温度由主控制器和4个功放控制器来传感。如果主控制器不工作或反馈程序不能使负载温度降低，那么功放控制器将会保护系统。

AB，CD的整体ABCD负载可用电阻表测量。

2.11 PAC#_VOLTS电源故障

如果受独立功放控制器控制功放电压小于30 V（直流）或大于65 V（直流）会产生此故障。执行3次故障清除，如故障仍存在，功放在电源控制器控制下将被抑制和关闭。受功放控制器1控制的所有8个功放由电源1供电，2号电源给2号功放控制器供电，依次类推。

2.12 PAC#_-15 V故障

这是关键性故障，因为如果失去-15 V电压，受影响的功放控制器基本失去输出能力，从而引起电路故障。故障被检测到后，受影响的功放控制器要求其他功放控制器抑制它的功放（XOVER），并将其关闭。这将引起较严重的系统失衡，发射机在大多数情况下其输出功率约为正常输出功率的30%。注意，交流电相间不平衡或缺相会产生这种故障。如果交流缺相故障几乎同时被记录下来，则此故障应该忽略。

3 日常维护

Z10发射机的日常维护主要包括:定期清洁，对温度、电压、电流工作情况进行监测。

3.1 清洁

适当地对风机进行清洁是维护工作中最基本的。如果空气是来自室外，那么应经常过滤，以保证室内及发射机的清洁。

模块上的散热片效率较高，模块应定期清洁，模块的清洁应当在指定的场所，根据空气流通系统、过滤器、湿度等情况而定清洁周期。既可通过直观观察，又可通过数字显示屏上模块温度监测数据来决定是否进行模块清洁。

电源部分清洁可通过吸尘器或充气机来进行。发射机机顶的整流器发热片可用充气机来清洁，待灰尘沉淀后，中间的间隔部分用吸尘器除尘。移动线缆进行清洁时应格外小心，移动任何一根电缆，均有可能令线路出现短路或断路，因此电缆应可能少移动。

3.2 测试

3.2.1 常规测试

测试应作为常规维护的一部分，每年至少进行1次。如果主要的功率合成器元件，如Z-Plane或隔离板，进行拆卸或更换，或者将连接以上2个板的连接线断开或重接，都要进行测试。

3.2.2 系统测试

系统测试的目的是功率合成器配置、电缆情况和完整性进行测试。系统测试时间长度将在显示屏显示。测试时将功率减小到标称功率的40%，即4 kW，并将完成每个功放的抑制周期。测试时，天线的驻波比必须小于1.2，且没有故障出现。若驻波比太高，测试将被中断。在测试的过程中，“HIGH ON”和“LOW ON”将不会工作，在功率高于50%的任何时间，此检测系统都可以启动。在测试的时候，检测到了错误，测试将会停止。注意，若发射机在正常的操作温度下进行测试的话，测试效果将会比较理想。如果测试失败，应至少启动2次，以验证每次是否出现同一故障。