10kW DAM中波廣播發(fā)射機(jī)射頻功率放大器的原理與維護(hù)

蘇春花　陳慧媛

摘要： DAM中波廣播發(fā)射機(jī)是一種運(yùn)用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行調(diào)幅的發(fā)射機(jī)，整機(jī)共用了52塊射頻放大器模塊。本文著重閘述射頻功率放大器的工作原理和實(shí)際電路分析，通過維修實(shí)例以及結(jié)合自己多年為該設(shè)備檢修和維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這類發(fā)射機(jī)射頻放大器模塊運(yùn)行中的常見故障進(jìn)行了分析，期望為同行在維修時(shí)提供參考。

Abstract： DAM medium wave radio transmitter is a kind of transmitter by using digital technology for AM. The whole transmitter has 52 RF amplifier modules. This article focuses on the working principle of RF power amplifier and the actual circuit analysis， through examples and m years of experience for repair and maintenance of facilities， the common failures in the operation of this type of transmitter RF amplifier modules are analyzed to provide reference for counterparts during maintenance.

關(guān)鍵詞： 射頻功率放大器；工作原理；電路分析；故障；維護(hù)

Key words： RF power amplifier；work principle；circuit analysis；fault；maintenance

中圖分類號(hào)：TN722.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2015）23-0084-04

0 引言

進(jìn)入二十世紀(jì)，中波調(diào)幅廣播步入了大功率，強(qiáng)覆蓋的發(fā)展軌道，全固態(tài)的數(shù)字調(diào)幅中波廣播發(fā)射機(jī)廣泛扎根各發(fā)射臺(tái)站，極大地提高了中波廣播的效能和品質(zhì)。某臺(tái)于2012年起購置了6部10kW DAM發(fā)射機(jī)和2部3kW PDM發(fā)射機(jī)，從發(fā)射機(jī)在我臺(tái)運(yùn)行的情況來看，各項(xiàng)性能特別穩(wěn)定，故障率極低?，F(xiàn)以陜西762廠生產(chǎn)的 AM103S5-Ⅲ型10kW DAM中波廣播發(fā)射機(jī)為例，著重閘述射頻功率放大器的工作原理，電路分析以及維護(hù)和維修的要點(diǎn)。

1 工作原理

每一塊射頻放大器模塊都是由四個(gè)N溝道的型號(hào)為IRFP350的功率MOS場效應(yīng)管組成橋式開關(guān)放大器，以丁類開關(guān)放大方式工作，它由兩個(gè)半橋組成：A半橋包括V1和V3，B半橋包括V2和V4。V1（V2）源極和V3（V4）漏極的連接點(diǎn)是半橋的輸出端。

1.1 基本工作原理

如圖1所示，每個(gè)半橋的射頻放大器模塊都有兩個(gè)功率MOS管，每一對(duì)功率MOS管循環(huán)交替導(dǎo)通或截止，就像開關(guān)一樣，輸入到模塊中兩個(gè)功率MOS管的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差1800，當(dāng)上面一個(gè)功率MOS管導(dǎo)通（截止）時(shí)，下面一個(gè)功率MOS管截止（導(dǎo)通），這時(shí)輸出在地電位與供電電壓之間相互轉(zhuǎn)換。

1.2 全橋式功放

除預(yù)推動(dòng)級(jí)模塊外其余射頻放大器全都工作在全橋方式。A、B部分的輸出與相對(duì)的變壓器初級(jí)線圈首末相連。如圖2所示，4個(gè)功率MOS管，在射頻信號(hào)的相位決定下只可能有2個(gè)MOS管同時(shí)通或斷。在射頻信號(hào)的上半周，V1和V4 OFF（截止），V2和V3 ON（導(dǎo)通），在射頻信號(hào)下半周，V1和V4 ON（導(dǎo)通）而V2和V3 OFF（截止）。這時(shí)通過開關(guān)把供電電壓由電容C8供給變壓器的初級(jí)線圈，每個(gè)推挽放大器產(chǎn)生一個(gè)方波輸出。由圖可知，在變壓器線圈L處接電容C8的原因是可防止MOS管短路時(shí)，電流直接流向地。C8用于隔直通交同時(shí)起選頻作用。

1.3 射頻功率放大器ON/OFF控制電路

發(fā)射機(jī)工作時(shí)，預(yù)推動(dòng)級(jí)和推動(dòng)級(jí)上的射頻放大器模塊總是在ON狀態(tài)，但功放級(jí)則不同，模塊在不同的輸出功率及幅度調(diào)制時(shí)有ON/OFF兩種工作狀態(tài)。

如圖3所示，模塊上的控制部分[4]V5、V6和V7使射頻功放V3及V4發(fā)生改變。來自調(diào)制編碼器的TTL“低”控制信號(hào)會(huì)使PNP三極管V5導(dǎo)通，NPN三極管V7截止。TTL“高”控制信號(hào)使V5截止，V7導(dǎo)通。

2 實(shí)際電路解析

射頻功率放大單元（功放模塊）在發(fā)射機(jī)射頻系統(tǒng)中用于射頻功率放大。在射頻系統(tǒng)的預(yù)推動(dòng)級(jí)、推動(dòng)級(jí)及功率放大級(jí)中都使用相同的功放模塊。正如某臺(tái)發(fā)射機(jī)房現(xiàn)有的6部10KW DAM中波廣播發(fā)射機(jī)，雖然來自于不同的3個(gè)生產(chǎn)廠家，但是每部整機(jī)都使用了完全相同的52塊射頻功率放大模塊，其中預(yù)推動(dòng)級(jí)使用一塊功放模塊，推動(dòng)級(jí)使用三塊功放模塊A41、A42、A43，功率放大級(jí)使用48塊功放模塊（42個(gè)大臺(tái)階和6個(gè)二進(jìn)制小臺(tái)階）。任何功放模塊均可用在預(yù)推動(dòng)級(jí)、推動(dòng)級(jí)或功放級(jí)，模塊互換不會(huì)影響發(fā)射機(jī)正常工作。打開主機(jī)柜機(jī)箱正面的連鎖門，就可順著導(dǎo)軌方便地插裝和拔卸功放模塊。

2.1 供電電壓

來自高壓整流電源分配板的+230VDC從功放模塊的P1-23/24/25/26和P1-29/30/31/32送入，分別給模塊的A、B兩半橋供電，A部分左半橋L1為高頻扼流圈，C1、C3為電源旁路電容；B部分右半橋L2為高頻扼流圈，C2、C4為電源旁路電容.當(dāng)模塊故障（通常是場效應(yīng)管損壞）使得保險(xiǎn)絲F1（或F2）熔斷時(shí)，模塊上與F1（或F2）并聯(lián)的發(fā)光二極管VDS1（或VDS2）顯示紅色以指示左（右）半橋故障，這可以透過發(fā)射機(jī)中間的功放內(nèi)門看出，其中R1為VDS1的限流電阻，R2為VDS2的限流電阻。

+60VDC供給了A40預(yù)推動(dòng)級(jí)，+115VDC供給了推動(dòng)級(jí)的三塊功放模塊A41、A42、A43，+230VDC供給了功率放大級(jí)的42個(gè)“大臺(tái)階”，供給6個(gè)“二進(jìn)制臺(tái)階”的電壓中，其中+115VDC供給了前4個(gè)（B7～B10）“二進(jìn)制臺(tái)階”、+30VDC 供給了后2個(gè)（B11、B12）“二進(jìn)制臺(tái)階”，+30VDC供給了A16緩沖放大板。

2.2 射頻激勵(lì)輸入電路

射頻激勵(lì)輸入信號(hào)來自A15板，分別從功放模塊的P1-49/50和P1-53/54將兩路等幅同相的激勵(lì)信號(hào)送入輸入變壓器T1和T2的初級(jí)。與變壓器初級(jí)并聯(lián)的L3、R3、R5（或L4、R4、R6）用于展寬輸入電路的頻帶，使得在中波廣播的整個(gè)頻段內(nèi)發(fā)射機(jī)都能正常工作而無須改變?cè)膮?shù)。射頻激勵(lì)信號(hào)經(jīng)輸入變壓器耦合后，在變壓器的次級(jí)得到兩個(gè)等幅反相的信號(hào)，并且A、B兩半橋輸入變壓器次級(jí)對(duì)應(yīng)端的信號(hào)也是等幅反相的。

2.3 模塊開關(guān)控制電路

功率放大板的開/關(guān)控制信號(hào)是由調(diào)制編碼板（A36）產(chǎn)生。開/關(guān)信號(hào)對(duì)功率放大板的控制是作用在橋式放大器下側(cè)兩個(gè)MOS管V3、V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)上。開/關(guān)控制信號(hào)為TTL電平。當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)輸入時(shí)（-2～-5V）使V5和V6導(dǎo)通，而V7截止，驅(qū)動(dòng)變壓器次級(jí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)能順利饋送入V3、V4的柵板，所以功率放大板開通。當(dāng)高電平信號(hào)輸入時(shí)（+4～+4.8V）使V5和V6截止，而V7導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過VD7和VD8短路通地，V3、V4截止，功率放大板處于關(guān)閉狀態(tài)。由C5、VD7、V7和由C6、VD8、V7構(gòu)成B半橋的射頻激勵(lì)信號(hào)的負(fù)載回路。

用于預(yù)推動(dòng)級(jí)、推動(dòng)級(jí)的控制信號(hào)由來自電源分配板（A39）提供的-8VDC經(jīng)穩(wěn)壓后給模塊一個(gè)固定控制電壓保持它們總在ON狀態(tài)。

2.4 功率放大及輸出電路

當(dāng)來自A36板的控制信號(hào)為低電平時(shí)，功放橋開通，幅度為28～32VP-P的等幅反相的兩路正弦激勵(lì)信號(hào)分別加到功率MOS管V1、V3的柵極，背靠背齊納二極管VD1、VD3的作用是保護(hù)功率MOS管免受柵極過壓及瞬態(tài)電壓的沖擊。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為等幅反相時(shí)，功率放大器工作于丁類開關(guān)放大狀態(tài)，半橋的上、下兩個(gè)功率MOS管輪流飽和導(dǎo)通和截止，上、下兩個(gè)功率MOS管源、漏極連接點(diǎn)的輸出電平輪流在供電電壓和地電位之間變化。

為了使功放模塊能正常工作，送至場效應(yīng)管柵極的射頻激勵(lì)信號(hào)必須要有適當(dāng)?shù)姆炔⒕S持穩(wěn)定，射頻激勵(lì)過高或過低都可能造成場效應(yīng)管損壞。在射頻激勵(lì)過低時(shí)，由于場效應(yīng)管的飽和壓降增大，使得功放輸出幅度降低，還會(huì)造成音頻失真增加。如果激勵(lì)低于場效應(yīng)管的啟動(dòng)壓降，場效應(yīng)管就不能開啟，功放模塊就不能工作了。功放模塊的射頻激勵(lì)電平的穩(wěn)定，是通過推動(dòng)電源調(diào)整板（A22）完成的。A22板為射頻推動(dòng)級(jí)的三個(gè)功率放大模塊供電，其中給推動(dòng)1、推動(dòng)2的供電是固定的+115VDC，同時(shí)A22板還根據(jù)來自射頻激勵(lì)分配板（A15）的射頻激勵(lì)取樣信號(hào)及高壓電源+230V供電電壓的變化，來調(diào)整給射頻推動(dòng)級(jí)推動(dòng)3的供電電壓，使得射頻激勵(lì)信號(hào)及高壓電源+230V供電電壓變化時(shí)能夠通過推動(dòng)3的供電電壓變化的反饋?zhàn)饔镁S持推動(dòng)級(jí)射頻輸出穩(wěn)定。

3 維修實(shí)例

射頻功率放大器的故障是通過監(jiān)測(cè)顯示板（A32）面板上的“射頻放大包絡(luò)正?！彪p色發(fā)光二極管“亮紅燈”顯示。出現(xiàn)這種故障說明已調(diào)波的包絡(luò)與調(diào)制前的音頻信號(hào)相比產(chǎn)生了失真。這類故障的檢測(cè)是采取將已調(diào)波解調(diào)后獲得的音頻信號(hào)（包絡(luò)信號(hào)）與調(diào)制前的音頻信號(hào)相比較的辦法。包絡(luò)信號(hào)來自射頻輸出檢測(cè)板上的音頻檢波電路，將發(fā)射機(jī)輸出的調(diào)幅波信號(hào)取樣后經(jīng)解調(diào)獲得，用來比較的調(diào)制前的音頻信號(hào)則由A/D轉(zhuǎn)換板上的數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換還原獲得。正常時(shí)，“射頻放大包絡(luò)正?！背示G色，故障時(shí)，“射頻放大包絡(luò)正?！背始t色。

①當(dāng)顯示面板“射頻放大包絡(luò)正?！奔t燈是閃爍狀態(tài)時(shí)，先按低功率開機(jī)鍵，看面板上的功率表指示是否正常。如面板上的功率表指示不正常則說明1#～6#功放模塊中有模塊發(fā)生故障或調(diào)制編碼板上相應(yīng)電路故障；若按低功率鍵開機(jī)面板上的功率表指示正常，再按高功率鍵開機(jī)，看面板上的功率表指示是否正常。如不正常則說明6#～17#功放模塊中有模塊發(fā)生故障或調(diào)制編碼板上相應(yīng)電路故障；若按高功率鍵開機(jī)面板上的功率表指示正常，應(yīng)檢查18#～24#功放模塊是否故障或調(diào)制編碼板上相應(yīng)電路是否失效。如有模塊發(fā)生故障可用替代法用編號(hào)較大的功放模塊代替故障功放模塊工作，待停機(jī)后再檢修，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)均是保險(xiǎn)被燒壞。

②當(dāng)顯示面板“射頻放大包絡(luò)正?！奔t燈是穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將面板上的多用電壓表選擇開關(guān)打到“天線零位”位置，看“天線零位”是否偏高，如偏高可調(diào)節(jié)面板上的“負(fù)載”及“調(diào)諧”旋鈕，使“天線零位”指示最小。再觀察低、中、高功率等級(jí)開機(jī)時(shí)面板上功率表指示是否比正常值低，如比正常值低應(yīng)相應(yīng)檢查1#～17#功放模塊及調(diào)制編碼板上的相關(guān)電路。如低、中、高功率等級(jí)開機(jī)時(shí)面板上功率表指示正常，則問題出在監(jiān)測(cè)顯示板上的故障檢測(cè)電路，應(yīng)檢查A32板上D25、D26、N73及相關(guān)元件是否失效或逆時(shí)針調(diào)節(jié)A32板上的電位器R65、R68到適當(dāng)位置。

還有一種情況是從調(diào)制編碼板到功率合成母板上的開/關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電纜故障或插接件接觸不良也能引起“射頻放大包絡(luò)正?！绷良t燈。

4 維護(hù)的要點(diǎn)

在發(fā)射機(jī)工作時(shí)，通過觀察射頻功放板上的故障指示燈，可以發(fā)現(xiàn)是否模塊有問題。最常見的故障有以下三類：

4.1 在不同的位置，同一功放模塊重復(fù)損壞

可能原因有：

①場效應(yīng)管的柵極與散熱銅片之間的絕緣橡皮有損傷。

②模塊板上存在虛焊、連焊現(xiàn)象。

③功放模塊中開/關(guān)電路引起的故障。

4.2 在同一位置，不同的功放模塊連續(xù)損壞

可能原因有：

①射頻推動(dòng)信號(hào)的幅度或相位有問題。

②輸出變壓器引起的故障。應(yīng)檢查輸出變壓器的磁環(huán)有無破裂以及有沒有打火痕跡。

③模塊插座接觸不良。應(yīng)檢查簧片有無變形，插接處有無明顯的打火拉弧痕跡，減少模塊的拔下次數(shù)。

④控制信號(hào)不正確。應(yīng)檢查調(diào)制編碼板（A36）的驅(qū)動(dòng)電路。

4.3 在不同的位置，功放模塊連續(xù)損壞

可能原因有：

①風(fēng)冷氣流不足。若風(fēng)監(jiān)測(cè)電路或風(fēng)機(jī)有問題，模塊就會(huì)過熱，造成模塊損壞。

②駐波比保護(hù)電路故障。如果是駐波比保護(hù)電路調(diào)整不當(dāng)，就起不到保護(hù)作用，功放模塊就會(huì)在受到天線或帶通網(wǎng)絡(luò)的駐波沖擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)功放模塊的損壞。

③調(diào)制B-電源設(shè)置不正確。調(diào)制B-電源是用來對(duì)模塊的開/關(guān)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，如果設(shè)置不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生功放模塊的隨機(jī)損壞。可通過調(diào)整電位器R38來調(diào)整B-電壓。

④A/D轉(zhuǎn)換器的采樣脈沖相位設(shè)置正確。

⑤過載保護(hù)電路調(diào)整不當(dāng)。如果過載保護(hù)電路調(diào)整不當(dāng)，可檢查A32板上的R23、R98以及R102，再通過比較廠家給的預(yù)置表，看看電壓是不是出現(xiàn)了問題。

⑥發(fā)射機(jī)的輸出網(wǎng)絡(luò)失諧。會(huì)使功放模塊的效率下降，功放模塊會(huì)應(yīng)過熱而過早損壞。

5 結(jié)語

通過對(duì)功放模塊損壞所有可能原因的分析，就會(huì)在日常維修時(shí)做到心中有數(shù)，盡快分辨出屬于哪一類損壞情況，大大提高了處理故障的效率。同時(shí)也說明只有熟悉并掌握DAM中波廣播發(fā)射機(jī)的原理并不斷地在實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)才能更快地發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題和解決問題，這樣既滿足了發(fā)射臺(tái)“滿時(shí)間、滿調(diào)幅、滿功率”播出的基本要求，又確保發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)了廣電總局要求的“高質(zhì)量、不間斷、既經(jīng)濟(jì)、又安全”的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳曉衛(wèi).全固態(tài)中波廣播發(fā)射機(jī)使用與維護(hù)[M].北京：中國廣播電視出版社，2002.

[2]AM103S5-Ⅲ型10KW DAM中波廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)說明書[M].陜西如意廣播電視設(shè)備有限公司（762廠）提供.

[3]陳向東，韓向兵，酒德永.數(shù)字調(diào)幅中波廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及維護(hù)[J].河南：數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013.

[4]劉吉坤，戈義志，范洪清.數(shù)字調(diào)幅中波廣播發(fā)射機(jī)的原理與維護(hù)[M].湖北：湖北省荊州中波臺(tái)，2001.