全固態(tài)廣播發(fā)射機(jī)功率合成與失配分析

儲(chǔ)德寅，周 宏

(1.商洛廣播電視臺(tái)，陜西 商洛 726000；2.鎮(zhèn)安縣永樂廣播電視服務(wù)站，陜西 商洛 711500)

隨著大功率場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)的不斷發(fā)展，廣播電視傳輸發(fā)射領(lǐng)域已經(jīng)快速淘汰了電子管發(fā)射機(jī)，全固態(tài)發(fā)射機(jī)在中短波、調(diào)頻、電視發(fā)射機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，普遍采用功率合成的方法將多個(gè)功率放大模塊的輸出功率合成到額定功率。若一個(gè)或多個(gè)功放出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)輸出功率大為降低，影響廣播電視節(jié)目覆蓋效果。為了更好地研究發(fā)射機(jī)功率合成方法及對(duì)輸出功率的研究，本文以哈爾濱廣播器材有限公司生產(chǎn)的10 kW DX中波廣播發(fā)射機(jī)為例，分析多級(jí)放大器功率合成方式和不同調(diào)制下發(fā)射機(jī)輸出功率情況。

1 功率合成原理及分析

哈廣的10 kW中波廣播發(fā)射機(jī)采用A/D轉(zhuǎn)換將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為12 bit音頻數(shù)字流，經(jīng)調(diào)制編碼輸出控制48個(gè)功放的打開與關(guān)閉[1]，在功率合成器上合成含音頻包絡(luò)的載頻輸出功率,通過匹配網(wǎng)絡(luò)送到發(fā)射天線。高6位數(shù)據(jù)控制的42個(gè)大臺(tái)階功放和低6位數(shù)據(jù)控制的6個(gè)二進(jìn)制小臺(tái)階功放的輸出變壓器初級(jí)，套在次級(jí)等效為圈數(shù)1匝的功率合成銅棒上，輸出變壓器初次級(jí)匝比為18∶1。功率合成示意圖如圖1所示。

圖1 功率合成示意圖

2 功放缺損與輸出功率的關(guān)系

2.1 短路缺損

當(dāng)某功放的功放管擊穿時(shí)，不再產(chǎn)生載頻電壓，無故障功放輸出的載頻電壓振幅不變，功放輸出變壓器次級(jí)功率合成器上的疊加電壓為:UL=(N-n)·U1/K。式中，N是打開的功放數(shù),n是損壞功放數(shù)，U1是每個(gè)打開功放輸出變壓器初級(jí)線圈上的載頻基波電壓有效值,K是變壓器初級(jí)匝數(shù)。

次級(jí)輸出合成功率：

(1)

功放短路缺損時(shí)，還會(huì)引起功放輸出變壓器初次級(jí)阻抗的變化。當(dāng)n個(gè)功放短路缺損時(shí)，每個(gè)打開功放輸出變壓器次級(jí)的阻抗由RL/N變?yōu)镽L/(N-n)，初級(jí)阻抗為R0·N/(N-n)(R0是沒缺損時(shí)的功放輸出阻抗)。

(2)

由式(2)可見:出現(xiàn)短路缺損時(shí)，每個(gè)功放的初級(jí)阻抗升高為R0·N/(N-n)，次級(jí)阻抗升高為RL·N/(N-n)，阻抗升高使每個(gè)功放輸出的合成功率減小。

2.2 開路缺損

當(dāng)功放出現(xiàn)開路缺損時(shí)，初級(jí)回路斷開，使次級(jí)串聯(lián)功率合成器的等效阻抗為無窮大，沒有電流輸出，發(fā)射機(jī)輸出功率為零。功放在初級(jí)開路缺損瞬間，次級(jí)流過的電流(其他打開功放的電流)在開路的初級(jí)線圈上產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，將擊壞該功放初級(jí)線圈的磁芯和場(chǎng)效應(yīng)管，還會(huì)造成相鄰功放的損壞，在工作中應(yīng)避免。該機(jī)在48個(gè)功放中都設(shè)置了功放連鎖電路，不允許在工作時(shí)拔出任何一個(gè)功放單元。當(dāng)功放的場(chǎng)效應(yīng)管擊穿損壞時(shí)，不能取下?lián)p壞的場(chǎng)效應(yīng)管。

3 簡(jiǎn)捷計(jì)算公式

3.1 計(jì)算打開大臺(tái)階功放的輸出電阻R0和輸出功率：

R0=RL·K2/N.

(3)

式(3)中：K為匝比，N為開通功放數(shù)，RL為合成銅棒次級(jí)電阻(4 Ω左右)。

假若打開18個(gè)大臺(tái)階功放，每個(gè)大臺(tái)階功放的輸出電阻R0=4 Ω×182(匝比)/18(個(gè)功放)=72 Ω

在次級(jí)銅棒上合成載頻功率為(11.5 V×18個(gè)大臺(tái)階)2/4 Ω=10.7 kW，或595 W×18，功率合成器上功率為10 kW是忽略了功放和功率合成器的損耗，實(shí)際上是略大于10 kW。不同的發(fā)射頻率損耗不一樣，略有差別，經(jīng)帶通濾波輸出的載頻功率是10 kW。

3.2 調(diào)制度m為不同值時(shí)導(dǎo)通功放的計(jì)算

根據(jù)載頻功率10 kW時(shí)打開18個(gè)大臺(tái)階功放，計(jì)算最大調(diào)制度

mmax=(Nmax-18)/18=(42.98-18)/18≈1.39.

(4)

當(dāng)最大調(diào)制度mmax=1.39時(shí)，功率合成器輸出最大峰值功率61 kW，打開大臺(tái)階功放42+1/2+1/4+1/8+1/16+1/32+1/64=42.98個(gè)，計(jì)算調(diào)制度m為任何值時(shí)打開的大臺(tái)階功放數(shù)。

Pmax=(1+mma)2·P載=

(1+1.39)2×10.7 kpW=61 kW.

(5)

(6)

(7)

若調(diào)制度mmax=0.5時(shí)，功率合成器輸出載頻和調(diào)幅功率24 kW,(按功率合成器輸出載頻功率10.7 kW計(jì)算)，打開大臺(tái)階功放27個(gè)。

根據(jù)以上公式計(jì)算不同m值時(shí)導(dǎo)通功放數(shù)見表1。

表1 不同m值時(shí)導(dǎo)通功放數(shù)

若用前述方法計(jì)算打開1個(gè)大臺(tái)階功放時(shí)，功率合成器輸出載頻功率33 W，隨著打開功放數(shù)的增加，疊加的電壓按打開功放個(gè)數(shù)同比增加，每個(gè)功放的輸出阻抗也隨著打開功放數(shù)的增加而同比下降，每個(gè)功放輸出的電流也同比增加，打開功放數(shù)的平方與33 W的乘積就是實(shí)際的輸出功率，這樣計(jì)算更簡(jiǎn)單。如打開2個(gè)大臺(tái)階功放時(shí)，輸出功率是22×33 W=132 W；打開5個(gè)大臺(tái)階功放時(shí)，輸出功率是52×33 W=825 W；打開42.98個(gè)大臺(tái)階功放時(shí)，輸出功率是61 kW。

4 結(jié)論

通過對(duì)發(fā)射機(jī)功率合成與失配的調(diào)制度和輸出功率分析，得到計(jì)算簡(jiǎn)便公式，很容易計(jì)算出任何載頻功率和不同調(diào)制度時(shí)打開的功放個(gè)數(shù)，或打開不同的功放數(shù)時(shí)輸出的載頻功率和調(diào)制音頻包絡(luò)功率，便于分析和檢修故障。采用降低功率判斷功放是否工作的方法很容易計(jì)算出任何一個(gè)故障功放，而且十分簡(jiǎn)單、便捷。