DX-200中波發(fā)射機輸出匹配網(wǎng)絡優(yōu)化設(shè)計

滕偉 江蘇省廣播電視總臺廣播發(fā)射中心

1.概述

江蘇省廣播電視總臺江蘇新聞廣播頻率702kHz采用的是兩臺DX-200水冷中波調(diào)幅發(fā)射機。DX200水冷中波發(fā)射機是美國哈里斯公司生產(chǎn)的全固態(tài)數(shù)字調(diào)幅中波廣播發(fā)射機，其效率高，性能好，保護功能完善，是當今比較先進的新型發(fā)射機。但在運行過程中輸出匹配網(wǎng)絡電容3C2B(10只銀膜云母電容并聯(lián))中的個別電容多次出現(xiàn)爆裂，影響機器正常播出。

針對上述現(xiàn)象，我們找出原因，對輸出匹配網(wǎng)絡進行了優(yōu)化設(shè)計。

2.輸出匹配網(wǎng)絡

702kHz DX-200水冷中波發(fā)射機輸出匹配網(wǎng)絡由帶通濾波器、π型調(diào)配網(wǎng)絡兩部分組成，將RF合成器輸出阻抗由8Ω轉(zhuǎn)換為50Ω。其電路原理如圖1所示，其中帶通濾波器由3L1、3C1A、3C1B、3C1C組成，3C1A是真空可調(diào)電容，作為調(diào)諧TUNE控 制。3C2A、3C2B、3C3A、3C3B、3L2、3C4A可調(diào)電容、3C4B構(gòu)成了π型網(wǎng)絡，3L2與3C3A//3C3B調(diào)諧至3倍載頻，并聯(lián)諧振電路對三次諧波進行阻塞。輸出匹配網(wǎng)絡的主要功能是實現(xiàn)阻抗變換和濾波。

圖1 DX-200水冷中波發(fā)射機輸出匹配網(wǎng)絡

在DX-200中波發(fā)射機輸出網(wǎng)絡匹配中，存在著一定量的邊帶量化臺階、開關(guān)頻率及其諧波分量，其中開關(guān)頻率及其諧波分量是PDM補償脈沖中的主要部分，會在一定程度上對DX-200中波發(fā)射機的信號質(zhì)量造成一定的影響。帶通濾波器的合理化設(shè)置，能夠有效的濾除雜散信號和諧波分量，提升DX-200中波發(fā)射機輸出網(wǎng)絡匹配的實際效率。帶通濾波器對輸出信號進行濾波后，其會轉(zhuǎn)換為平滑的調(diào)幅波。

3.故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障現(xiàn)象

發(fā)射機輸出匹配網(wǎng)絡中3C2B是由10個銀膜云母電容 CDM 294(1100pF/30kV/16A)并聯(lián)組成。在發(fā)射機實際運行中，隨著播音時間增長，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)射機輸出匹配網(wǎng)絡中銀膜云母電容組3C2B整體溫度會逐漸升高，電容溫度的持續(xù)升高會使其外表包封環(huán)氧樹脂發(fā)射爆裂，在今年5、6月就出現(xiàn)2次炸裂，1次炸裂起火的現(xiàn)象。此現(xiàn)象會造成發(fā)射機封鎖，且不能開機，需及時更換云母電容，嚴重影響了發(fā)射機的穩(wěn)定運行，對安播造成了很大的影響。

3.2 原因分析

3.2.1 銀膜云母電容上電流電壓

由于發(fā)射機末級功放合成器的輸出阻抗是8Ω，經(jīng)帶通濾波器和電容3C2A,3C2B后，在R0處，輸出阻抗變換為42Ω。3C2A、3C2B兼有濾除發(fā)射機輸出信號中的無用高次諧波的作用。

在Ri處的輸入電壓、電流的有效值為：U=（PRi）1/2=(2001038)1/2=1264V，I=(P/Ri)1/2=(2001038)1/2=158A，

在R0處的輸入電壓、電流的有效值為：U=（PR0）1/2=(20010342)1/2=2898V，I=(P/R0)1/2=(20010342)1/2=69A。

3C2B由10只1100pF/30kV/16A高頻高壓銀膜云母電容并聯(lián)組成，整體耐壓30kV,可承受電流160A，在規(guī)格上完全能滿足輸出匹配網(wǎng)絡要求。

3.2.2 銀膜云母電容特性分析

輸出匹配網(wǎng)絡中使用的3C2B電容是美國CDE公司生產(chǎn)的CDM 294型銀膜云母電容，型號為CDM 1100pF/30kV/16A，標稱容量1100pF,耐壓為30kV,允許通過電流為16A。銀膜云母電容在實際工作中存在以下不足：

（1）銀膜云母電容散熱性能不佳

由于銀膜云母電容一般工作在高頻、高壓、大電流的工作環(huán)境下，這時由于電流而產(chǎn)生的發(fā)熱是限制該電容正常工作的主要因素。銀膜云母電容的內(nèi)部采取環(huán)氧樹脂封裝，雖然具有良好的熱穩(wěn)定性，但受環(huán)氧樹脂粘合劑的比例、材料及封裝厚度等因素的影響，決定其熱傳導性能不良，電容工作時產(chǎn)生的熱量不能及時通過環(huán)氧樹脂層進行良好的傳導與擴散，銀膜云母電容在工作時內(nèi)部的溫度不斷升高，使得電容在工作一段時間后，性能發(fā)生變化。我臺在發(fā)射機關(guān)機后立即對電容表面溫度進行測量，發(fā)現(xiàn)3C2B表面溫度在65℃左右，當發(fā)生爆裂時2C2B表面溫度在130℃左右，而同等條件下與3C2B相鄰的真空陶瓷電容表面溫度不超過30℃，更加說明該型號電容熱傳導性能并不好。

（2）絕緣度下降

銀膜云母電容的散熱性能不好，造成電容內(nèi)部溫度升高，而溫度的增高，又導致電容的絕緣度下降。當電容的內(nèi)部溫度從25℃升高到125℃時，絕緣電阻從100000Ω下降到10000Ω，而絕緣度下降勢必導致漏電流的增加，電流的增加又會加大電容產(chǎn)生的熱量，從而使電容性能下降。

（3）工作頻率高，電容允許通過電流下降

當銀膜云母電容在高頻工作狀態(tài)時，通過的高頻電流將造成電容填充介質(zhì)發(fā)生損耗，允許其通過電流有效值將急劇下降，從而降低銀膜云母電容的實際工作額定電流值。

（4）工作中發(fā)生容量變大現(xiàn)象

由于銀膜云母電容在工作中內(nèi)部溫度升高、絕緣度下降等因素，造成其容量發(fā)生變化。經(jīng)過反復多次檢測，發(fā)現(xiàn)標稱值為1100pF的銀膜云母電容在使用一段時間后，電容值明顯增大，其最大電容容量約為1250pF，最小電容容量約為1150pF。同時，在多個電容并聯(lián)使用時，容量最大的電容其流過的電流將最大，從而加速電容性能的下降。

4.輸出匹配網(wǎng)絡的優(yōu)化設(shè)計

4.1 優(yōu)化設(shè)計原則

經(jīng)過大量的測試、運行試驗和科學分析，我們排除了造成銀膜云母電容發(fā)熱炸裂的外界因素，斷定造成云母電容CDM294發(fā)熱主要是由于該電容在輸出匹配網(wǎng)絡上使用時在性能上存在著設(shè)計缺陷，不能滿足該網(wǎng)絡工作要求。由于3C2B采用的銀膜云母電容價格昂貴，多次更換原廠備件增加了臺里的維護經(jīng)費負擔。為了杜絕此類故障，同時節(jié)約維護成本，我們決定對輸出匹配網(wǎng)絡中的云母電容組3C2B進行改造設(shè)計，采用額定電流值大、散熱效果好、特性更加穩(wěn)定的陶瓷真空電容替代原有的3C2B的云母電容CDM294。

4.2 陶瓷真空電容的特性分析

真空電容在技術(shù)參數(shù)上除能滿足輸出匹配網(wǎng)絡工作環(huán)境和要求外，真空陶瓷電容器在輸出網(wǎng)絡應用和性能上也比該型云母電容具有以下優(yōu)勢：

（1）具有更好的穩(wěn)定性

位于200KW中波發(fā)射機輸出匹配機柜的元器件都工作在高頻、高壓、高溫和強磁場等復雜環(huán)境之中，如何減少環(huán)境對發(fā)射機穩(wěn)定性的影響，就要求我們選擇穩(wěn)定性更好的元器件。真空陶瓷電容以真空作為介質(zhì)，電容的電極組采用高導無氧銅帶通過一套高精度模具一道道引伸而形成的一組同心圓電極組，被密封在一個陶瓷外殼真空容器內(nèi)，在性能上與云母電容相比絕緣強度高、耐壓高，性能穩(wěn)定也更加可靠，而且不易產(chǎn)生飛弧、電暈等現(xiàn)象。

（2）可以減少電容使用數(shù)量及分布參數(shù)影響

在原輸出網(wǎng)絡中采用了10只云母電容并聯(lián)，如圖2所示，由于10個電容之間采用薄銅片不規(guī)整連接，在高頻、高壓工作狀態(tài)下，銅片上會產(chǎn)生較大的寄生電感和分布參數(shù)。改進后僅需要使用4只真空陶瓷電容器并聯(lián)，而且電容之間采用規(guī)整的銅片連接，這可大大減少連接片產(chǎn)生的寄生電感和分布參數(shù)，提高整個輸出匹配網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。4只真空電容在容量（11000pF）與原云母電容組的容量完全相同，完全可滿足輸出網(wǎng)絡的工作條件。改進后的真空電容并聯(lián)組3C2B設(shè)計如圖3所示。

（3）沒有“介質(zhì)”，損耗小

由于真空陶瓷電容器采用真空介質(zhì)和低損耗的絕緣陶瓷外殼，其無氧銅電極結(jié)構(gòu)具有額定電壓值大、額定電流大、損耗小等優(yōu)點。在一般自然風對流冷卻情況下，即使在很高的頻率下，也能通過很大的高頻電流。原來設(shè)計的高頻電壓云母電容每只的額定電流為16A，而改造后的真空陶瓷電容器每只的額定電流為400A，有效防止因電流造成的發(fā)熱問題。

（4）過電壓的自愈能力強

真空陶瓷電容能承受瞬時的過電壓，瞬間過電壓對電容性能造成的傷害通過其自愈能力，也可得到很好的恢復。而對高頻高壓云母電容CDM294來說，將會造成永久性破壞。

（5）節(jié)約空間，散熱明顯

對于給定的電容量和額定電壓值而言，真空陶瓷電容器所占空間最小，一定程度上改善了整個輸出網(wǎng)絡機柜的通風冷卻效果。

圖2 改造前原電容組接線圖

圖3 改造后3C2B用真空電容組設(shè)計圖

（6）節(jié)約維護成本在確保該真空電容可靠性的條件下，采用國產(chǎn)真空陶瓷電容替代進口云母電容器，不僅可以減少對進口電容器的依賴，大大縮短采購周期，而且可以節(jié)約大量的資金。另外，由于真空電容工作性能穩(wěn)定，使用周期長，也很大程度上減少了用于更換電容的維護經(jīng)費。實際使用中兩種電容器的價格比對如表1所示。

4.3 替代器件選用

在此次設(shè)計中，我臺考慮用江西萬平真空電器有限公司生產(chǎn)的真空陶瓷電容器（兩個CKT4000/24/400和兩個CKT1500/24/400）代替高頻電壓銀膜云母電容CDM294。替代型號陶瓷真空電容的參數(shù)見表2。

表1 比價表

表2 替代型號陶瓷真空電容參數(shù)

5.總結(jié)

我臺DX-200中波發(fā)射機采用了水冷系統(tǒng)，其優(yōu)點是噪聲小，冷卻效果好，并通過大量的接插件以及信號來實現(xiàn)電纜的有效連接。在高頻高壓的工作環(huán)境下，DX-200發(fā)射機輸出網(wǎng)絡的3C2B改進，能夠徹底解決輸出匹配網(wǎng)絡存在的不穩(wěn)定隱患，避免云母電容發(fā)熱燒壞的故障，確保發(fā)射機可靠穩(wěn)定地運行，同時也節(jié)約了維護經(jīng)費。