行波管高功放的维护与故障处理

上海广播电视台技术运营中心卫星地球站 韩 俊

一、引言

地球站信号上行需要使用能够稳定输出大功率高频信号的高功率放大器，目前卫星地球站高功率放大器分为三大类：速调管高功率放大器（KHPA）、行波管高功率放大器（TWTA）和固态高功率放大器（SSPA），这三种功放各有特点，使用要求也不相同。行波管高功率放大器和固态高功率放大器具有宽频带的特点，可覆盖整个发射频段，可以同时放大多个载波，适用于需要更换频率的多载波业务；在放大多个载波时，为了使交调产物控制在规定值内，放大器应工作在线性区，即功率不能用足，需要有一定的补偿量，补偿量视载波数量的多少，一般在4～7dB之间，因此，需要放大多个载波时，应选用额定功率较大的行波管高功率放大器。

二、行波管高功放的应用

国内广播电视卫星地球站并没有单一的使用某一种类型的高功放，而是根据实际使用情况，选择适合自身业务发展的高功放。在微波频段，目前千瓦级输出的高功放一般采用行波管和速调管，其具有输出功率大、工作电压高等特点，适合广播电视安全播出需要抗击非法干扰的需求，因此，这两种类型的高功放多用于地方卫视等重要节目的上行播出使用。而节目交换、信息传递等普通业务需求则这三种高功放均能满足要求。我站根据广播电视安全播出和业务发展的需要，采用了CPI VZC-6965B5型2250W行波管高功放。高功放配置为1+1功率合成方式，两台2250W的行波管功放合成功率输出可以达到3500W左右，在抗击非法干扰中能够发挥更大的作用。而且在功率合成输出的模式下，当某一路高功放发生故障时，载波信号会损失部分功率，但不会影响播出。这样配置既满足正常播出条件下的安全备份需求，又满足异常播出条件下的大功率需求。下面简单介绍一下其工作原理。

高功放主要由射频、电源、冷却、控制等部分构成。对于行波管高功放系统，输入的射频信号经固态中功率放大器预放大后，送入行波管进行高功率放大，再经过谐波滤波器后输出大功率的微波信号。上变频器输出的射频信号功率一般在毫瓦级，当高功放输出功率达数千瓦时，要求管子输入功率接近瓦级，因而需要在管子前面加固态中功率放大器，使高功率放大器的总增益达80dB左右。

行波管功放具有输出功率大（Ku频段可以到2kW、C频段可以到3kW）、工作带宽范围宽（频率范围为5.85～6.65GHz）、效率高等特点，是目前固态功率放大器（SSPA）很难达到的性能指标，但行波管功放与固态功放相比也有一些缺点，如平均无故障工作时间（MTBF）短（行波管功放为：3万小时左右；固态功放为：5万小时左右），多载波工作时功率回退大（行波管功放一般要回退4～7dB；固态一般只需回退3dB），同时，由于行波管功率放大器属于真空电子管放大器，其工作在高压环境中，因此，其工作的可靠性、稳定性不如固态功率放大器。即便如此，在大功率（功率大于200W以上）应用方面，行波管功放的性价比还是比固态功率放大器高的。

三、日常维护及故障处理

高功率放大器是上行站维护工作中的重中之重，因为相对来说它的故障率最高，维护工作涉及面较多，同时也最危险。正确使用和维护对高功放故障率的降低及运行寿命的延长起着非常关键的作用。

1.日常维护工作

（1）功率读数及设备运行参数记录：由值班员每4小时对高功放功率读数以及设备运行参数（螺流、螺压等）进行记录，实际工作中不少故障隐患均能够体现出来，及时处理做到防患于未然。

（2）每季度对空气滤尘网、高压模块、机箱内部电路以及行波管进出风系统进行清洁维护，发现问题及时更换。尤其是高压模块是高功放的故障多发点，清洁无尘的工作环境能够有效降低飞弧打火、电压波动等故障率。

（3）LED和数字显示检查：及时发现各种面板显示错误。

（4）每3个月进行一次功放加电程序，该程序包括了加电自检、加热延时、确认功放工作状态和故障告警设置、确认功率输出等功能。

（5）RF输出计量确认：使用功率计、定向耦合器和假负载准确测量RF输出实际值，再观察功放前面板显示的输出功率读数，记录两数值之间的差值。

（6）技术参数测试：每半年对高功放饱和输出功率、1dB压缩点功率、增益、三阶互调等性能指标进行测试，并做好记录。为每台高功放建立运行档案，了解高功放的健康状况。

（7）备品备件测试：长期储存的高功放备件应当每6个月取出进行一次加电启用，确保在设备故障时能够立即替换，确保短期内恢复正常播出不受影响。

2.故障分析与处理案例

故障类型：HPA突然报警，高压跌落。HPA面板故障显示：Helix Under Voltage Fault，复位后报警消除，重新上高压后发现螺旋电压工作值不稳定，呈逐渐下降趋势，一段时间后再次跌至螺旋电压下限报警。环境温/湿度：23℃，80%。

处理措施：类似故障均发生在夏季湿度较高的时间段，经检测发现为高压电源模块某元件在潮湿的环境下工作不稳定，导致螺旋电压值漂移，无法稳定提供高压。对故障高功放的高压模块元器件针脚涂抹防水硅胶进行处理，重新上电运行后故障排除。

故障类型：HPA突然报警，高压跌落。HPA面板故障显示：TWT OVER TEMP FAULT，复位后报警消除，过10分钟后再次上高压，高功放稳定工作了5分钟左右再次报警高压跌落，报警仍显示：TWT OVER TEMP FAULT。检查高功放进出风口，发现风机不工作，判断为风机故障，导致行波管温度过高。

处理措施：拆下风机进行检查，发现风机轴承损坏，无法正常运转。更换风机轴承后恢复正常工作。大功率高功放的散热系统是设备稳定运行的重要环节，广播电视播出通常为24小时不停运转，散热风机的负荷也相当大，其寿命通常为3～4年。在日常运维中，要定期给风机轴承上油，减少磨损，同时巡视中多听听风机是否有异响，发现问题及时更换。

故障类型：巡视抄表中发现高功放功率输出值上下漂移范围达到4dB左右，高功放没有报警记录。

处理措施：检测发现输入信号电平稳定无异常，则判定为高功放内部放大存在问题。更换CPI行波管备件，功率仍无法稳定。跳开线性器，故障依旧，排除线性器问题。最后怀疑问题出在固态放大器，更换后故障排除。此类故障情况比较少见。

故障类型：高功放正常运行当中突然下高压，高功放倒换器红灯显示该高功放故障，2～3秒后又自动恢复高压，并且工作正常，检查此高功放却无报警记录。此故障现象无规律的出现多次。

处理措施：检测发现高功放并无任何报警记录，恢复工作后各项指标均无异常。从现象看类似于人为对高功放进行了一次下高压后再上高压的操作。怀疑高功放电脑控制模块存在问题，在无人为操作的情况下自行发出了下高压并加高压的指令。更换电脑控制模块后故障排除。

三、结束语

综上所述，行波管功率放大器具有宽频带、高功率的放大特性，可覆盖800MHz带宽，增益可达76dB以上。行波管功率放大器可以实现几瓦至数千瓦的输出功率，适用范围很广，可以实现多载波上行，在实际应用中可将有限的资源利用最大化。特别是在地球站高频、宽带、大功率应用领域，行波管功率放大器具有其他类型功放不可替代的优势。它的维护工作十分关键，能够有效地提高行波管功放的工作稳定性并提高其使用寿命，也有效地节约了运维成本。■