不惧风暴中被火:模块化大功率固态高功放(sspa)的工作原理及维护

模块化大功率固态高功放的工作原理及维护
■ 冯秋萍
《卫星电视与宽带多媒体》　2007年第6期
高功放（HPA）是卫星地球站的关键设备，它的主要功能是对上行的射频信号进行放大，使上行信号功率满足卫星传输的要求。
目前，在卫星地球站中，使用的高功放主要有三种：速调管高功放、行波管高功放和固态高功放。而固态高功放（SSPA）因具有频带宽、线性好、寿命长、省电和维护方便等诸多优点而受到使用者的青睐。
江苏广播电视卫星地球站在1997年建站时选用的是1+1配置的200W SSPA。2004年进行数字化改造时，考虑到200WSSPA的老化问题及抗击非法干扰的需要，又购置了一台美国VertexRSI公司生产的模块化C波段800W固态高功放。模块化C波段固态高功放是完全模块化的射频放大系统，输出功率有500W和800W两种。它采用了VERTEXRSI公司的 ModuMAXTM放大器技术，完全的模块化结构，运用了现场可替换RF模块、功率放大器和电子装配线，实现在卫星通信系统中性能最优化，使发生故障时间最小化。
模块化SSPA利用同相合成的原理，使高功放的最大输出功率大大提高，目前，C波段可达3KW，Ku波段也达到了1KW。模块化SSPA一旦有一个模块出现故障，也仅使输出功率下降几个分贝，不致引起信号的中断。
1、工作原理
模块化C波段SSPA由电源系统、SSPA系统及内部联接电缆所组成。而电源系统包括：3个插入式电源模块和内置强制风冷系统；SSPA系统包括：4个插入式SSPA模块、强制风冷系统、监控电路等。
（1） 电源系统
电源系统将单相或三相交流电压变为11.5V的直流电压（用单相还是三相取决于地球站UPS的配置），并通过大电流直流电缆连接到SSPA，电源能遥感SSPA的输入电压来调整输出，使SSPA的输入电压保持恒定。电源模块是高效开关电源，所有模块的输出电压差被调整在0.1Vdc内，以确保电流共享，如果输出电压不同，则总的电源输出将取最低的电压。当三个电源模块中的一个出现故障，而另两个正常时，SSPA仍将正常工作，但最好不要长时间这样工作。所有的电源模块均可热插拔。

（2） SSPA模块及功率合成
模块化C波段SSPA有四个插入式RF模块，每个模块大约有75dB的增益，每个模块的输出功率能力取决于SSPA的额定功率，见表1。

每个模块的电气长度都与标准的相匹配，这样SSPA模块可在任何地方被替换，并对合成的效率影响最小。所有的SSPA模块也都是支持热插拔的。
模块化SSPA利用了同相合成技术，所谓同相合成技术是指多个放大器模块在等幅同相的条件下合成产生高输出功率。模块化C波段SSPA用四个模块，为了提高功率合成的效率，每条路径间的相位差必须减到最小，通过每条路径的插入增益和时延应该相等，否则，合成的效率和总的输出功率就会下降。为满足以上的要求，四个SSPA模块中的每一条路径都被设计成等时延，在每一条路径中允许操作者作相位细调，每个插入式SSPA模块在工厂被设置成相同的增益和插入相位，这样保证了在任何时候，发生故障的模块能够在现场用备用模块替换。
图2和图3是合成的损耗与幅度及相位不平衡的关系曲线。其中，图2为大范围幅度不平衡的情况（图中为0-40dB），而图3为几个分贝幅度不平衡的情况（图中为0-4dB）。
从图2可以看出，当模块间的幅度不平衡较小时，插入损耗主要取决于模块间的相位匹配；从图3可以看出，为了保证合成后的插入损耗小于0.1dB，相位失配必须小于15°、幅度不平衡小于1.4dB。当然，这里有一个折衷的考虑，当幅度不平衡较大时，较小的相位失配能达到同样的插入损耗。

图2和图3是单级合成即两个模块合成的结果，从图2可以看出，当两个模块间的幅度不平衡非常大时，相当于两个模块中的一个有故障，插入损耗为3dB，这也就意味着总的输出功率比正常的那个模快的输出功率低3dB，或者说比两个模块都正常时合成产生的功率低6dB，因此，两个模块中有一个发生故障，将引起输出功率下降6dB。
通过增加模块来调节由于一个模块故障所引起的输出功率下降，一般来说，对于有n个模块的高效相位合成的功放系统，由于一个模块故障所引起的输出功率下降的值由下式表示：
损耗（dB）=10log[(1-1/n)2]
表2是根据上式得到的结果：
表2显示，模块数越多，1个模块故障所引起的输出功率下降影响越小，系统越能容忍。模块化C波段SSPA用四个模块，因此，当有一个模块发生故障时，输出功率下降仅为2.5dB，这是大多数链路允许接受的范围。
（3） 风冷系统
SSPA有四个轴向的风扇来冷却器件，其中两个在前面板吸入空气，并强迫它通过模块的散热片。另两个风扇通过后板排出空气。可以在室内吸气和排气，或者通过风道向室外排气。
当有一个风扇出现故障时，SSPA仍能无限期地工作，但为了保证最大的可靠性，还是应当尽快更换风扇。
（4） 监控功能
模块化C波段SSPA有完善的监控功能，通过前面板可对功放进行监控，或通过设备提供的串口在远端对功放进行遥监和遥控。对于功率调整这样经常性的操作，除了在面板上用菜单执行外，也可以直接按面板上的“GAIN”的上下键，当遇到非法干扰需要手动提升功率时，可大大提高速度。