BGTB4142全固態(tài)10kW短波發(fā)射機(jī)工作原理簡介

高 濱

內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視傳輸發(fā)射中心滿洲里717臺(tái) 內(nèi)蒙古 滿洲里 021400

由北京北廣科技股份有限公司生產(chǎn)的全固態(tài)10kW 短波發(fā)射機(jī)（型號(hào)：BGTB4142），全部技術(shù)都是新研發(fā)的，其主要功能是用于AM 廣播覆蓋，它與中波廣播發(fā)射機(jī)相比覆蓋面積更大，為農(nóng)村牧區(qū)群眾收聽廣播提供了更大的方便。

該發(fā)射機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)化、維修性、散熱、報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)等方面，在現(xiàn)有設(shè)備研發(fā)的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了有針對性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，可全面滿足國家廣電總局62 號(hào)令相關(guān)技術(shù)規(guī)范、要求。

1 系統(tǒng)組成

BGTB4142 全 固 態(tài) 10kW 短波發(fā)射機(jī)主要由激勵(lì)器、前級(jí)功放、750W 功率放大器、四分配器、四合成器、濾波器、開關(guān)電源及控制單元組成。

750W 功率放大器主要包括分配器、200W 功率模塊、合成器、定向耦合器及控制監(jiān)測單元，如圖1 所示。

圖1 750W功率放大器

根據(jù)前期試驗(yàn)， 單個(gè)BLF189XR 功率模塊在滿足＜3%失真的條件下，載波功率50W，由此計(jì)算，BLF189XR 模塊增益為 23dB，10kW 功 率 （70dBm）所需推動(dòng)功率為： 70- 23=47dB。所以前置放大器功率為50W，根據(jù)激勵(lì)器所能提供的輸出功率（15dBm）計(jì)算：47-15=32dB，由此可得出前置放大器需用 2 級(jí)推動(dòng)， 末級(jí)采用BLF189XR （增益為 23dB），前級(jí)采用2 只PHA-202+（增益為15dB），2 級(jí)可實(shí)現(xiàn) 38dB 增益，滿足系統(tǒng)應(yīng)用。

10kW 短波發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成如表1 所示：

表1 10kW短波發(fā)射機(jī)總體組成表

2 工作原理

射頻鏈路：音頻信號(hào)通過激勵(lì)器調(diào)制輸出已調(diào)波射頻信號(hào)，輸入到前級(jí)功放，由前級(jí)功放完成放大，第一級(jí)1/4 功率分配器將該射頻信號(hào)平均分成4路，然后每一路信號(hào)分別送到第二級(jí)1/4 功率分配器，分成4路送到對應(yīng)750W 功率放大器單元，射頻信號(hào)放大后，再經(jīng)過兩級(jí)的4/1 功率合成器合成，輸出大于11kW 功率到濾波器，濾波后的功率經(jīng)定向耦合器輸出10kW 功率。定向耦合器檢測出入射和反射功率取樣，并將該取樣信號(hào)輸出至控制監(jiān)測單元。

供電鏈路：標(biāo)準(zhǔn)三相380V電源，經(jīng)配電單元進(jìn)電總開關(guān)后分成4 路分別送給4 個(gè)22kW開關(guān)電源，開關(guān)電源將輸出直流48V，4 個(gè)22kW 開關(guān)電源輸出作為16 個(gè)750W 功率放大器單元的直流供電。開關(guān)電源采用冗余設(shè)計(jì)，有一個(gè)電源模塊損壞時(shí)不影響整機(jī)輸出。

控制鏈路：整機(jī)控制主要由控制監(jiān)測單元和主控計(jì)算機(jī)完成，在前級(jí)功放、末級(jí)功放均設(shè)計(jì)有輸入輸出射頻信號(hào)監(jiān)測及功放電流、電壓、溫度等取樣電路，在合成器及其輸出端設(shè)計(jì)有射頻信號(hào)監(jiān)測及溫度等取樣電路，這些參數(shù)通過CAN 總線傳送至控制監(jiān)測單元，以實(shí)現(xiàn)對整機(jī)狀態(tài)各參數(shù)的監(jiān)測，同時(shí)控制監(jiān)測單元傳送至主控計(jì)算機(jī)，由主控計(jì)算機(jī)在本地顯示屏上顯示整機(jī)工作狀態(tài)及各項(xiàng)參數(shù)。電源具有遙控開關(guān)功能，主控計(jì)算機(jī)接收各級(jí)聯(lián)鎖信號(hào)以及本地或遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的本地及遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)控制及信息交互。

冷卻系統(tǒng)：整機(jī)的功放及電源采用風(fēng)冷散熱方式。

3 相關(guān)組織單元功能及原理

3.1 激勵(lì)器單元工作原理

廣播激勵(lì)器，實(shí)現(xiàn)幅度、頻率的射頻激勵(lì)信號(hào)生成，以及全數(shù)字化的AM 調(diào)制。輸出功率：20dBm（載波功率）。

3.2 前置放大器工作原理

前置放大器主要由1 個(gè)推動(dòng)級(jí)、1 個(gè)末級(jí)放大模塊、1 個(gè)定向耦合器、控制板以及開關(guān)電源等組成，前置放大器方框圖如圖2 所示。

圖2 前置放大器方框圖

前置放大器推動(dòng)級(jí)采用2 只PHA-202，末級(jí)為BLF189XR，實(shí)現(xiàn)約53dB 增益的放大，為末級(jí)放大器單元提供約200W 峰值的線性功率。

定向耦合器完成射頻輸出的入射及反射功率檢測輸出至控制板，控制板采集溫度、入射、反射功率、電流、電壓等數(shù)據(jù)并通過CAN 總線上傳至控制監(jiān)測單元。

控制板可采用功率放大器的通用控制板，完成采集前置放大器散熱器的溫度，定向耦合器的射頻輸出入射、反射功率，以及功放工作電流、電壓等數(shù)據(jù)，由單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過CAN 總線上傳至整機(jī)控制監(jiān)測單元，當(dāng)前置放大器數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出本地及遠(yuǎn)程報(bào)警信息。

前置放大器采用風(fēng)冷散熱方式，射頻輸出接口為N 型。

前置放大器主要功能：溫度監(jiān)測功能；射頻信號(hào)輸出檢測功能；功放電流、電壓監(jiān)測功能；故障檢測及報(bào)警功能；數(shù)據(jù)通信功能。

3.3 750W 功率放大器單元工作原理

750W 功率放大器單元主要由1 個(gè)四分配器、4 個(gè)功率放大模塊、1 個(gè)四合成器、1 個(gè)定向耦合器以及監(jiān)測電路等組成，原理方框圖如圖3 所示。

圖3 750W功率放大器單元原理方框圖

750W 功率放大器單元采用4 只 BLF189XR，實(shí)現(xiàn)約 23dB 增益的放大。BLF189XR 為Ampleon 公司最先進(jìn)的大功率LDMOS放大器件，工藝成熟，已得到廣泛應(yīng)用，BLF189XR 單管最大輸出功率可達(dá)1500W，效率近80%，工作電壓DC50V，可承受130V 的反射電壓沖擊，抗駐波能力達(dá)到65：1，為保證整機(jī)工作可靠性，采用元器件降額設(shè)計(jì)，單管額定輸出設(shè)計(jì)為200W（線性）。

定向耦合器完成射頻輸出的入射及反射功率檢測輸出至監(jiān)測電路，監(jiān)測電路采集單元中的溫度、入射、反射功率、電流、電壓等數(shù)據(jù)并通過CAN總線上傳至控制監(jiān)測單元。

監(jiān)測電路完成采集3kW 功率放大器單元中重要區(qū)域如功放管的溫度，定向耦合器的射頻輸出入射、反射功率，以及功放工作電流、電壓等數(shù)據(jù)，由單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過CAN 總線上傳至整機(jī)控制監(jiān)測單元，當(dāng)3kW 功率放大器單元某些參數(shù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出本地及遠(yuǎn)程報(bào)警信息。

750W 功率放大器單元采用風(fēng)冷散熱方式，射頻輸出接口為L29。

10kW 短波發(fā)射機(jī)共有 16 個(gè)750W 功率放大器單元，為了提升整機(jī)效率及合成效能，750W功率放大器單元的一致性非常關(guān)鍵，放大器單元增益偏差≦±0.5dB，相位偏差≦±5°，為保證實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)指標(biāo)，要采取的措施是：對器件一致性進(jìn)行入廠篩選，尤其是功率放大管及線纜；嚴(yán)格制定特殊加工及裝聯(lián)工藝，設(shè)計(jì)專用工裝，保證加工及裝聯(lián)精度；由經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)試工程師進(jìn)行調(diào)試。

750W 功率放大器單元主要功能：溫度監(jiān)測功能；射頻信號(hào)輸出檢測功能；功放電流、電壓監(jiān)測功能；故障檢測及報(bào)警功能；數(shù)據(jù)通信功能。

3.4 功率分配合成器工作原理

10kW 短波發(fā)射機(jī)有5 組功率合成器，分別是4 個(gè)4 合1 功率合成器 （2.8kW）、1 個(gè) 4 合1功率合成器（10kW）。分配器由5 個(gè)四分配器組成。

3.5 定向耦合器

定向耦合器的功能是對信號(hào)進(jìn)行采樣，送至數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行檢波監(jiān)測，采用同軸結(jié)構(gòu)。

3.6 濾波器

濾波器的主要功能是濾除諧波信號(hào)。

3.7 配電單元

整機(jī)供電選用380Vac（三相五線制），外電要求380Vac±10%，工頻為50Hz-60Hz，配電單元位于主控機(jī)柜，將380V 進(jìn)電進(jìn)行分配，提供給開關(guān)電源、控制器等設(shè)備。

10kW 機(jī)柜采用 4 個(gè) 22kW 的直流穩(wěn)壓電源，輸入380V，輸出48V，每個(gè)電源模塊插件可直接插拔，便于維修、更換。電源具備測試模式，可在載波無調(diào)制狀態(tài)下降低工作電壓（48-36V）。

3.8 整機(jī)效率

10kW 效率計(jì)算如下：功放單元在工作時(shí)功率效率可達(dá)45%（依據(jù)），合成損耗15%，電源模塊自身效率按94%預(yù)計(jì)，因此功放部分總效率為：

45%×85%×94%=35.9%

前級(jí)耗電300W，工控機(jī)耗電100W，采樣監(jiān)測電路總耗電約100W，其它100W，以上共計(jì)600W，相對于功放部分耗電4%，整機(jī)總效率可達(dá)31.9%以上。

3.9 控制系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控機(jī)柜的監(jiān)控單元主要由控制監(jiān)測單元（1 套） 等組成。通過取樣、控制電路和CAN 總線 （外來總線 RS485 或RS232： 電源和激勵(lì)器等設(shè)備），實(shí)現(xiàn)整機(jī)內(nèi)部的通信鏈路組網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備監(jiān)控。控制保護(hù)信號(hào)、故障信號(hào)指示全部集中在前控制面板和顯示器上。人機(jī)界面友好、直觀，具有設(shè)備運(yùn)行日志功能；具有對外監(jiān)測數(shù)據(jù)接口功能；具有發(fā)射機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)輸出監(jiān)測功能。其安全性符合廣播電視設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)安全規(guī)定。

前置放大器和每個(gè)功率放大器都可檢測到工作電壓、模塊電流、散熱器溫度等參數(shù)，整機(jī)可檢測輸出功率、反射功率、溫度等參量及狀態(tài)，可根據(jù)設(shè)定的門限實(shí)現(xiàn)告警或保護(hù)功能；前置和功率放大器可尋址控制和監(jiān)測；各單元可與外設(shè)通訊設(shè)備獨(dú)立通訊；整機(jī)可通過外部接口（RJ45 網(wǎng)口）與外部進(jìn)行通訊控制。當(dāng)設(shè)備本身出現(xiàn)故障時(shí)，對外輸出閉鎖信號(hào)，信號(hào)格式由臺(tái)方指定，保證人員和設(shè)備安全。

控制系統(tǒng)的主要功能如下：

保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及監(jiān)控；

設(shè)備的監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)化水平高、技術(shù)先進(jìn)，工作狀態(tài)監(jiān)測量設(shè)置齊全，監(jiān)測電路設(shè)計(jì)成熟、可靠，聯(lián)鎖保護(hù)電路快速、有效，控制軟件設(shè)計(jì)界面友好、功能擴(kuò)展性強(qiáng)，遙控接口標(biāo)準(zhǔn)，方便接入上一級(jí)控制系統(tǒng)；

開、關(guān)機(jī)模式分為：本地及遙控開、關(guān)機(jī)兩種；

整機(jī)內(nèi)部采用CAN 總線和其它總線方式進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)單元的數(shù)據(jù)處理；

設(shè)備遠(yuǎn)程控制物理接口為：RJ45（網(wǎng)口），提供LAN 網(wǎng)絡(luò)，通過發(fā)送和接收TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。