DVOR—51D,SMA驱动放大器失效实例分析

摘 要：DVOR-51D全向信标设备，是澳大利亚AWA公司的导航产品，在我地区已经连续使用超过20年，设备性能已经下降，维护工作比较频繁。本文通过对一次故障的描述，介绍故障现象和分析方法，找出故障点，并和THALES4000设备做了工作原理上的比较，为VRB-51D型设备和VRB-52D型设备及THALES4000设备的日后维护维修工作提供了一些方法参考和故障排除经验。

关键词：SMA；驱动放大器；边带；混合函数信号；放大失真；MOSFET；传输特性；锁相环路

中图分类号：V243.1文献标识码：A文章编号：2096-4706（2017）01-0043-04

Abstract：DVOR-51D omni directional beacon equipment，is Australia"s AWA navigation products，in our region has been working for more than 20 years，equipment performance has declined，maintenance work is more frequent.Based on a fault are described，explained the failure phenomenon and analysis method，and find the point of failure，and at the same time，THALES4000 made a comparison of equipment working principle，for maintenance of VRB 51D type and VRB-52D type equipment and THALES4000 equipment of the day after provide some reference methods and troubleshooting experience.

Keywords：SMA；driver amplifier；sideband；mixed function signal；amplification distortion；MOSFET；transmission characteristic；phase locked loop

0 引 言

多普勒甚高頻全向信标（DVOR）是一种近程相位测角导航系统，目前，各地新装配的DVOR导航设备以THALES公司的系列产品居多，但AWA公司的51D/52D系列DVOR设备，以其精良的制造工艺、可靠的元器件性能、丰富的前面板测试孔、稳定的系统工作性而受到广大用户的认可。虽然有些设备已经连续工作多年，甚至在一些导航部门超期服役，整体性能有所下降，但依然受到广大熟悉分立元器件知识用户的青睐，并在各地导航部门服役使用。

1 故障简述

我站在某导航台对VRB-51D型DVOR设备1号机SMA组件测试孔进行维护测试时，发现下边带检波信号输出削顶，但控制单元显示1号机工作正常，无任何告警指示。测试上边带信号，波形正常。对比上下边带信号，在示波器上可以看出下边带明显出现削顶现象。切换到2号机，设备工作正常，测试点输出波形正常。

2 故障分析及解决

2.1 SMA下边带故障分析

在单机机柜中，有两个完全相同的SMA组件，分别对应于上边带和下边带进行调制和放大，这两个组件是可以互换的。本文所指的是下边带的SMA，其主要作用有：对SGN产生的未调制的等幅上、下边带进行放大，同时输入TSG组件来的混合函数信号；对上下边带进行ODD和EVE幅度调制；对边带信号进行耦合取样检测。这里的取样检测电路包括正向耦合取样和反向耦合取样，正向耦合取样信号用于边带正向功率检测及自动增益控制，并送到对应上、下边带射频通道的前级边带信号产生器组件中进行相位控制，即完成相位锁定功能；而反向耦合取样信号供组件故障或边带天线故障或边带电缆接触不良时维修测试并提供故障判断参考。由此可以看出，SMA组件（边带调制和放大器）是边带信号射频通路上的重要交互组件，它自身完成射频信号的调制放大和幅度控制，并和前级的边带信号产生器组件SGN形成锁相回路，完成了相位控制。由于DVOR信号是载波和边带波分离辐射的空中合成信号，因此，载波和边带波的相位（频率）就要自动锁定，本文描述的问题虽然是信号幅度上的，但掌握此设备的锁相工作原理对设备的日常维护和维修工作、飞行校验调整工作，尤其是9960HZ副载波调制度的调整是非常必要的。SMA组件输出的信号经过后面的SCU、RLU、ADS组件送到48个边带天线进行辐射。

如图1所示：SMA组件主要包括（载波/边带）驱动放大器、隔离器、定向偶合器、边带调制器、控制电路板。

（载波/边带）驱动放大器接受来自边带产生器SGN的上边带或下边带信号，并将此信号进行功率放大，以达到调制和输出的发射要求，驱动放大由两级宽带VHF放大器组成，在边带信号通路中，只使用了第一级进行放大调整，两级均未加调制信号，也就是说，在技术手册1A71157的图纸中，驱动放大管V3受到功率调整和控制，驱动放大管V4是固定放大的。这和CGN中的驱动放大器是不同的。放大器件采用的是MOSFET；本单元同时接受控制电路板来的ALC信号，对边带输出的稳定性进行控制，ALC信号的大小根据SGN中边带等幅信号的大小形成，它使边带功率的输出保持不变。另外，如果边带功率超过规定值（可在控制电路板上进行设置），后级来的反馈信号就会关断驱动放大管的输出，进行输出保护，即具有功率抑制功能。

隔离器接收到驱动放大器的射频信号，完成前后级的电气隔离。这是一个输出端和输入端不能接反的器件，它可以为边带放大器提供一个较好的匹配阻抗。

定向偶合器用于边带信号取样，主要是进行信号包络检波，然后形成相应反馈控制和测试ALC检查。同时送出信号到测试单元，进行边带功率的显示。

调制器的主要功能是在等幅的边带波上加上混合函数调制信号，它采用二极管衰减器作为调制器件，用混合函数信号去控制二极管的衰减量来控制边带信号的输出，从而完成幅度调制；在此单元中，也进行了耦合采样，用于ALC和信号质量评估测试，其中的信号质量评估测试信号经控制电路板，在控制电路板和SMA组件前面板上形成正、反向检波测试信号，如图2所示。如果边带天线损坏或电缆与边带天线之间匹配度不好，就会形成较大的功率反射，通过图2中的测试孔可以检测到。

控制电路板不涉及射频信号，它交联SMA各子单元间及外部的控制信号和测试信号，用于组件的调整和测试维护。它主要完成三个功能：ODD、EVE调制信号的形成；驱动放大器偏置电压的形成；边带反向功率监视测试。

上文中说过，SMA组件即边带调制和放大组件，该组件在单机柜中共有2块，它的最主要功能是将一路射频信号分成两路射频信号输出，也就是将SGN组件输入的上边带或下边带（本文表述的是下边带SMA）等幅的连续波信号调制成ENEN边带信号和ODD边带信号输出以便馈给天线阵中相应的奇天线和偶天线。

根据设备出现的故障情况：下边带ENEN调制信号和ODD调制信号波形出现削顶。即用示波器在测试点DETECTED OUTPUT ODD（XA3）和DETECTED OUTPUT EVEN（XA4）检测时，显示波形削顶。模拟波形削顶图如图3所示。这两个测试点是SMA组件前面板的测试孔（见图2），为了进一步排除检波和隔离器件的故障，查阅设备技术图纸，在控制电路板上找到了这两个测试点的前级测试点X3、X6和XI、X5。经检查，前级测试点也出现了同一情况。因此怀疑是调制器或驱动放大器故障。用示波器做进一步检查，在SMA组件的前面板检查ODD混合函数输入信号和ENEN混合函数信号，信号正常；同样为了排除混合函数输入电路故障的情况，在控制电路板上找到了输入电路的后级测试点X4、X7，信号正常。排除混合函数信号错误问题。经过分析，边带调制器是双通道的，也就是说有奇和偶两个通道，同时出现故障的概率很小，因此怀疑驱动放大器故障，经过检查定向耦合器对驱动放大器的取样信号，发现是驱动放大器输出故障。

2.2 SMA组件故障的排除

SMA组件中的驱动放大主要由MOSFET即金属氧化物场效应管完成，场效应管是压控元器件，因此，首先根据手册要求，在控制电路板上对此器件的偏置电压及放大功能进行调节，根据图纸的指示（见图4），调整放大控制电位器RV4，但示波器显示是故障情况仍未消除；更换驱动放大器组件后，对照上边带信号，进行输出调整，故障现象消除。这里需要强调的是，SMA组件共有两级放大，但只是第一级放大受到相关电路的控制，因此一定要仔细弄清电路的走向，只对驱动放大管V3的偏置设置进行调整即可，以避免人为造成其他故障现象，影响维修时对当前故障点的判断。这个驱动放大器用在载波通道中时，是使用两级进行放大的，其中的第二级加入了音频调制和载波保护抑制电路。

对驱动放大器调整后，重新检查SMA组件前面板的测试点，各点输出正常，在测试单元检查，上边带功率，下边带功率输出正常，设备方位指示正常，设备故障排除。另外，这里还涉及到一个重要的设备参数指标，它就是9960HZ副载波的调制度。设备边带幅度和相位的变化，都会引起副载波调制度的变化，本设备在测试显示单元中不能直接读取副载波调制度的数值，但如果没有改变边带相对于载波的相位，而参照前期边带功率大小进行调整，副载波调制度的指标是符合要求的，当然，在监控电缆接PIR或进行外场测试也是有必要的。

2.3 故障维修总结

笔者在故障维修完成后查阅资料，关于输出削顶问题，通过输出特性曲线可以很快地理解，如图5所示。

可以看出，栅源电压的变化引起漏极电流的变化，而与漏源电压无关。如果栅源电压变化而漏极电流不能随之变化，就会出现放大失真，波形上我们将会在输出端看到波形削顶。这里需要注意的是，查看图纸时一定要弄清楚放大管的型号，注意区分好本组件使用的是N沟道还是P沟道的元器件，这样在进行偏压设置调整时才不会出错。

针对我站目前所使用的DVOR设备的型号有AWA公司和THALES公司的两种产品51D型和4000型，我在这次设备边带故障维修之后，对两个公司的两种型号设备进行了工作原理上的对比总结，尤其是它们边带幅度和相位控制方法上的区别，更深一步了解目前的设备，为今后的设备维护和维修提供良好的理论支持，从而缩短设备故障处置和测试调整的时间，以更好地保障安全生产。4000型设备边带放大组件MOD-110P的组成框图，如图6所示。

Z2、Z3、Z1是相位控制开关，主要由压控变容二极管组成，控制信号为变化的UPH直流电压。其中Z3决定相位的反转，控制信号来自MSG-C/S，可在软件中设置；Z3、Z1是可连续移相的，控制电压UPH的大小由CCP组件的相位检测结果决定，即实现了相位稳定控制。上边带通道的相移受控于程序设置，下边带的相位是固定值，以此在矢量上来调整空间合成波的最佳效果。

Q10、Q11、Q12、Q13是边带幅度放大器，其中Q12是受控放大器，其余为固定值放大。在边带放大的使用中，Q12的受控信号来自于自身的AMC或是耦合检测的结果，来自MSG-C/S。

通过以上分析可知，THALES4000设备的边带相位、幅度控制主要由MOD-110P、CCP、CA100、MSG-C/S组件完成，涉及了边带放大组件外的相关组件；而AWA51D型设备是在SMA自身内部完成的。在载波和边带的锁相上，THALES4000设备由SYN、PMC、MSC-C/S形成了锁相环路；而AWA51D型设备由DC、SGN、SMA组件完成了锁相环路。

AWA设备，在我站已经超期服役多年，元器件老化现象比较严重，所用器件性能下降也属正常现象，这要求我们对设备的维护要更加细心。

參考文献：

[1] 郑连兴，倪育德.DVOR VRB-51D多普勒全向信标 [M].北京：中国民航出版社，1997：8-15.

[3] 陈继生.电子线路（第二版） [M].北京：北京高等教育出版社，1995.

作者简介：陈铁（1977.10-），男，工程师，东北空管局航路导航站。

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