全固態(tài)發(fā)射機(jī)末級(jí)功率放大器電路優(yōu)化介紹

俞大明

（福清市廣播電視臺(tái)，福建 福清350300）

近幾年來(lái)各電視臺(tái)由于原電子管發(fā)射機(jī)都已老化，大部分已更新或改造，而全固態(tài)發(fā)射機(jī)已成為更新后的主流設(shè)備。許多一線的技術(shù)人員對(duì)這方面的知識(shí)有待了解，全固態(tài)發(fā)射機(jī)與電子管發(fā)射機(jī)相比具有明顯的幾大優(yōu)點(diǎn)：無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)（不存在管子老化）、功耗小（相當(dāng)于同功率電子管功耗的0.4－0.5 倍）、技術(shù)指標(biāo)高、易維護(hù)等特點(diǎn)。而電子管發(fā)射機(jī)與全固態(tài)發(fā)射機(jī)最明顯的區(qū)別是在末級(jí)功放電路?，F(xiàn)在就目前全固態(tài)發(fā)射機(jī)末級(jí)采用管子及多路功率合成和分配技術(shù)介紹如下：

1 功率管介紹（末級(jí)功放管）

目前國(guó)內(nèi)各廠家在1KW 以上的全固態(tài)發(fā)射機(jī)（在FM段和VHF 段），主要使用PHILIPS 公司生產(chǎn)的VDMOS 大功率管BLF278，（也有使用MOTOROLA 公司生產(chǎn)的MPF151G，其電路形式及外形封裝皆同于BLF278），而在UHF（分米波）段主要使用PHILIPS 公司生產(chǎn)的LDMOS 大功率管BLF861A，它是早期BLF861 的改進(jìn)型。這兩種管子皆為雙推挽硅N 極道增強(qiáng)型D-MOS管，現(xiàn)將技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)介紹如下：

（1）BLF278 的RF 參數(shù)如下：

工 作 類 型 f(MHz) V??(v) P ?(W) G ?(dB) η ?(%) 乙類FM 108 50 >300 18-20 >60 甲乙類VHF 225 50 >250 14-16 >50

（2）該管具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：a.高功率增益；b.改變柵極電壓大小可以控制功率；c.有很好的溫度穩(wěn)定性；d.效率高功耗小。

（3）BLF278 在調(diào)頻段（FM），功率可達(dá)300W以上，工作電流在8A 左右，（漏極電壓為48～50V）；在VHF（電視）頻段功率可達(dá)170W～200W（同步頂功率）以上，工作電流在6A 左右（加電視信號(hào)時(shí)）漏極電壓為48～50V；要達(dá)到單管的最大功率輸出決定于兩點(diǎn)：電路的正確設(shè)計(jì)及調(diào)試人員的技術(shù)水平。

（4）一般工作電路形式。由于這種管子為雙推挽D-MOS電路，因此在原來(lái)功率管輸入匹配、輸出匹配之前或之后需加不平衡轉(zhuǎn)平衡輸出（分配），平衡轉(zhuǎn)不平衡輸出（合成），見(jiàn)圖1。

圖1 雙推挽D-MOS 電路通用形式

功率管的輸入和輸出匹配電路在甲類功放電路中都有詳盡的論述，這里我們就不加以討論。這里我們只是對(duì)雙推挽電路的分配和合成采用的原理加以介紹。根據(jù)功率管輸入阻抗的不同，我們主要采用1：4 傳輸線變壓器（管子的輸入、輸出阻抗為25Ω）和1：1傳輸線變壓器（管子的輸入、輸出阻抗為50Ω），進(jìn)行分配和合成。

現(xiàn)在介紹一種用于調(diào)頻單管BLF278 模塊輸出功率合成電路，如圖1，D1、D2構(gòu)成1：4 傳輸線變壓器反相功率合成器，合成輸出功率大于300W，D1和D2為兩節(jié)同軸電纜，特性阻抗為25Ω，BLF278 放大管輸出為等幅反相，A1和A2輸出阻抗為25Ω，根據(jù)1：4 傳輸線變壓器合成器原理。C點(diǎn)為和端輸出，D1和D2點(diǎn)為差端輸出，A1路輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)D1同軸電纜芯線1－2－D2同軸電纜的屏蔽層8－7－C，A2路輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)D2同軸電纜芯線3－4－D1電纜屏蔽層6－5－C，A1、A2輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的長(zhǎng)度，且具對(duì)稱性。在C 點(diǎn)產(chǎn)生等幅反相電流互相抵消，無(wú)輸出，在B1、B2點(diǎn)產(chǎn)生等幅反相信號(hào)相減得到合成功率PB1、PB2。PB1、PB2經(jīng)D3（同軸電纜）1：1 平衡～不平衡傳輸線變換器換成單端輸出。

2 末級(jí)功放電路

2.1 末級(jí)功放電路以BLF278 兩管合成電路為單元，調(diào)頻1KW、電視VHF 1KW、末級(jí)方框圖。

圖2 TV、FM 1KW 四路分配合成方框圖

電路優(yōu)點(diǎn)是以兩管合成電路為單元，合成功率可達(dá)350W以上，四路合成可達(dá)1.2KW以上，若以1KW電路為單元經(jīng)同相分配和合成，可達(dá)到5.5KW以上。

2.2 功率合成和分配電路的評(píng)價(jià)指標(biāo)

插入損耗?。杭春铣蓵r(shí)盡量降低合成損耗，成為選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式最主要因素，不僅是要求網(wǎng)絡(luò)本身?yè)p耗能做到低，并且要求減少合成級(jí)數(shù)，最好不要超過(guò)三級(jí)。

合成路數(shù)：3dB耦合器僅適用兩路合成。

阻抗變換方式和基于1/4λ 傳輸線路的阻抗變換原理的魏金森網(wǎng)絡(luò)則用于多路合成。

匹配帶寬：3dB 耦合器工作頻帶寬，易匹配，多路合成阻抗變換器頻帶較窄，在VHF 低頻道或FM段需單頻道設(shè)計(jì)。

隔離性能：隔離能力是指合成電路中有一路無(wú)輸出，甚至取掉一路功放（或功放單元）時(shí)，對(duì)其它各路工作狀態(tài)的影響程度，要求能對(duì)其它各路沒(méi)有影響。

一致性：要求功率放大器單元每路輸出具有同增益、同相位。

2.3 各種功放分配合成電路一般論述

實(shí)際中（見(jiàn)前面方框圖）都是以兩管通過(guò)3dB 分配和3dB 合成，組成放大單元，通過(guò)多路同相分配和合成組成1KW單元。而大于1KW以上，則是以1KW單元為基礎(chǔ)。多路同相分配和合成，一般≤1KW 放大單元級(jí)數(shù)為二級(jí)，1KW 以上放大單元級(jí)數(shù)為三級(jí)?，F(xiàn)著重分析一下，3dB耦合器和以1/4λ 傳輸線段阻抗變換器原理的多路同相合成網(wǎng)絡(luò)，以及一些組合型合成網(wǎng)絡(luò)。

圖3 3dB 耦合器示意圖

3dB耦合器具有較好的隔離性能，隔離度可達(dá)26dB，容易匹配，工作頻帶較寬，一致性較好，它的隔離特性和寬帶是合成和分配電路中最好的。

它的結(jié)構(gòu)形式常用的有蛇形線、帶狀線、微帶線及雙絞芯電纜。其中蛇形線多用于VHF 和FM波段，帶狀線和微帶線用于UHF 波段，雙絞芯電纜在電視頻段兼用。

圖4 N 路同相功率合成電路圖 圖5 N 路魏金森等效合成網(wǎng)絡(luò)

一路為：I1A1點(diǎn)→I1（-90°）B1點(diǎn)→I1' （-90°）B2點(diǎn)→I1"（-180°）A2點(diǎn)

二路為：I2A1點(diǎn)→I2------→I2' （Zg1）--→I2"（Zg2）A2點(diǎn)

從A1點(diǎn)出來(lái)的信號(hào)經(jīng)一路和二路在A2點(diǎn)相互抵消，說(shuō)明A1和A2之間無(wú)影響，相互隔離。同樣任意兩路之間也無(wú)影響，因此該網(wǎng)絡(luò)具有良好的隔離性能。

多路合成器當(dāng)一路或幾路非正常工作時(shí)，工作狀態(tài)分析。

當(dāng)有N 路功率合成器，有M路正常工作時(shí)，總的輸出功率公式，故障路上隔離電阻功耗公式，以及無(wú)故障路上隔離電阻的功耗公式（詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程不在論述）。下面給出具體公式，在實(shí)際工作中可以加以計(jì)算。

如每路的輸入功率為P0，共有N 路，其中M路正常工作，具體公式如下：

下面給出四種同相合成電路工作情況，在一路損壞情況下工作狀態(tài)分析：

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從表上可以看出，路數(shù)越多，當(dāng)一路損壞時(shí)對(duì)總的輸出功率影響減少，這里應(yīng)注意的是隔離電阻的選取，每一路的隔離電阻一定要選擇可能出現(xiàn)功耗最大的電阻，一般是一路損壞時(shí)，損壞路的隔離電阻功率最大，以六路5KW 合成網(wǎng)絡(luò)為例，其隔離電阻必須大于0.694×1000，即必須選取隔離電阻在700W以上，否則功率太小易損壞電阻，則會(huì)對(duì)其它各路數(shù)功放產(chǎn)生影響。

圖6 六路同相合成器加入1/4λ 阻抗變換器

上面講的同相合成網(wǎng)絡(luò)，一方面合成路數(shù)越多，1/4λ 傳輸線阻抗很大，如在四路以上時(shí)同軸電纜的阻抗都在100Ω 以上，實(shí)際采購(gòu)這種同軸電纜比較困難，因此在四路以上合成器電路中，右邊仍為魏金森網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖，左邊不經(jīng)過(guò)1/4λ 阻抗變換，而是用等長(zhǎng)的50Ω 同軸電纜，連接到變阻器上，而變阻器將并聯(lián)點(diǎn)上的阻抗50/N變?yōu)?0Ω，即采用1：N 1/4λ 阻抗變換器，該阻抗變換器采用同軸型結(jié)構(gòu)，利用階梯阻抗變換的原理，采用平坦型設(shè)計(jì)，加一級(jí)或二級(jí)入1/4λ 同軸型變阻器，實(shí)現(xiàn)寬頻帶的匹配。

在上述兩種網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)現(xiàn)各路之間相互隔離，但是對(duì)負(fù)載失配時(shí)（駐波比S 較差或全反射）隔離能力較差，反射的功率通過(guò)合成網(wǎng)絡(luò)加到各路功放上，對(duì)功率管會(huì)造成損壞，這就對(duì)反射保護(hù)電路要求較高。而環(huán)行器混合型多路合成網(wǎng)絡(luò)是在魏金森等效網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，在每一路輸出合成前加環(huán)行器，位置在圖6A1 至A6 各點(diǎn)之后。它是利用環(huán)行器的單方向傳輸?shù)奶匦詠?lái)實(shí)現(xiàn)隔離的，當(dāng)反射信號(hào)回到各路功放時(shí)，先到環(huán)行器上，然后加到環(huán)行器的另一端負(fù)載上，從而保護(hù)了功放電路，在實(shí)際使用中應(yīng)注意環(huán)行器的相移。多路使用時(shí)環(huán)行器必須同插損、同相移，否則會(huì)降低合成效率。

在每種功放進(jìn)行多路合成時(shí)，應(yīng)從技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性多方面比較，尋求一種最佳方案。

本文只是對(duì)目前末級(jí)功放電路中，功放電路及分配合成電路一點(diǎn)淺見(jiàn)，希望能給從事發(fā)射機(jī)生產(chǎn)、維護(hù)的同行提供點(diǎn)幫助。文章中可能存在一定的不足和片面性，希望各位能提出寶貴意見(jiàn)。