DX-200 中波發(fā)射機射頻功率放大器工作原理

胡東奇

（河南廣播電視臺104 臺，河南 鄭州 450000）

0 引 言

DX-200 數字化調幅發(fā)射機取消了傳統的低音頻前級高電平音頻放大級，從模擬輸入板過來的復合音頻信號，經過模/數（A/D）轉換板變換成12 bit的數字化音頻信號，輸入7 塊調制編碼板編碼后，產生224 個開關控制信號，來控制224 個射頻放大器的開通與關斷，在高頻末級產生高電平的調幅波，把主整、調制器、射頻放大器三者合一，是整機性的脈沖階梯調制[1]。該機由220 個大臺階功放模塊和4 個小臺階功放模塊共同組成。大臺階功放模塊是等壓階梯的射頻電壓，小臺階功放模塊是為了減小量化誤差設置的補償小臺階射頻電壓。兩者結構相同。

1 概 述

DX-200 發(fā)射機共使用了239 塊射頻功率放大器，結構相同，都由MOSFET 開關、射頻激勵變壓器、柵極控制電路、電纜聯鎖和保險故障檢測電路、功放冷卻5 部分組成[2]，如圖1 所示。射頻功率放大器所用的MOSFET 開關均為增強型，型號是IRFP360，工作于D 類開關狀態(tài)。

圖1 射頻功率放大器簡圖

射頻功率放大器主要由8 只MOSFET 組成四個橋臂，類似于H 型電橋。每個橋臂用兩只MOSEET 管并聯構成D 類開關，即每兩個MOSFET管子的相同管腳并聯在一起，當作一個管子來使用，目的是增大輸出功率和耐壓性[3]。電橋左上臂Q5/Q7 和右下臂Q2/Q4 的場效應管工作時的柵極射頻激勵信號同相位，圖1 中標示為180°；電橋右上臂Q6/Q8 和左下臂Q1/Q3 的場效應管工作時的柵極射頻激勵信號同相位，圖1 中標示為0°。

當柵極激勵信號在正半周時，Q1/Q3 導通，Q6/Q8 受調制編碼板來的開關信號控制也導通，即Q1/Q3 和Q6/Q8 串聯導通。這時，射頻功率放大器輸出的電壓為電源電壓+250 V，并以磁環(huán)合成變壓器為負載。該電壓幾乎都降落在磁環(huán)合成變壓器的初級。由于變壓器的耦合作用且變壓器的匝比是1∶1，因此，次級耦合輸出一個+250 V的方波信號，其電流方向就是電壓降的方向，即左正右負。當柵極激勵信號在負半周時，Q1/Q3 和Q6/Q8 由導通轉變?yōu)榻刂梗琎2/Q4 由截止轉變?yōu)閷?，Q5/Q7 受調制編碼板來的開關信號控制也導通，即Q2/Q4 和Q5/Q7 串聯導通。同理，輸出一個電源電壓+250 V，其電流方向就是右正左負。由于合成變壓器初級的電流在激勵信號的正負半周是反向的，變壓器沒有直流磁化，隔直流電容器上也沒有直流電位差，這樣在負載上就可以得到幅值為2 倍于電源電壓的雙極性方波輸出信號，通過功率合成器合成后輸出到發(fā)射機的輸出網絡，經過帶通濾波后，輸出高電平的已調波信號，送到天線上發(fā)射出去。

2 射頻功率放大器工作原理

下面以DX-200 數字化中波發(fā)射機為例，詳細介紹射頻功率放大器的工作原理。射頻功率放大器電路如圖2 所示，其中標識了部分關鍵電路，以下內容將針對這些關鍵電路展開。

2.1 射頻功率放大器中的MOSFET 管

MOSFET 管的電路如圖2 中的標識1 所示。射頻功率放大器中的MOSFET 管是絕緣柵型場效應管器件，它是一種利用電壓控制電流的器件，工作于D 類開關狀態(tài)，開關頻率是載波頻率[4]。DX-200 DAM 發(fā)射機使用的MOSFET 管全部為N 溝道增強型絕緣柵型場效應管。當UDS≥0 且UGS≥0，場效應管飽和導通，相當于開關合上；當UGS≤0，場效應管截止，相當于開關斷開。MOSFET 管結構一樣，可以任意調換位置，便于維護。

2.2 激勵變壓器的工作原理

激勵變壓器的電路如圖2 中的標識2 所示。每個射頻功率放大器上有兩個激勵變壓器，分別為T1，T2。它們的初級分別通過一對等長的射頻同軸電纜，一端與射頻分配板連接，一端通過功率合成母板，把幅度大約為23 Vp-p的兩個等幅度、同相位的載波激勵信號分別送給兩個激勵變壓器的初級。激勵變壓器的次級由兩對同名端呈反相、匝比相同的繞組組成，其目的是使輸出的激勵信號的幅度相同，相位相差180°。激勵變壓器次級耦合出的載波激勵信號，分別送到8 個MOSFET 管的柵極，作為MOSFET 管的導通與斷開信號。導通與斷開信號的頻率就是發(fā)射機的載波頻率[5]。

2.3 射頻激勵信號的工作原理

射頻激勵信號的電路如圖2 中的標識3 所示。射頻激勵信號的輸入來自發(fā)射機功放右柜的射頻分配板。射頻分配板上共引出448 個激勵信號，即224 對等幅度、同相位的激勵信號來控制224 個射頻功率放大器的通斷。該信號分別輸入到合成母板的第49/50 和53/54 腳，當功放模塊插入合成母板后，正好與模塊上的P1-49/50 和P1-53/54 端子連通，一個等幅同相的激勵信號就送入激勵變壓器T1和T2 的初級，這樣可以方便實現239 塊模塊的互換。與變壓器初級并聯的L1，L3，L5，R7，R9（或L2，L4，L6，R8，R10）器件，一起用于展寬輸入電路的頻帶，使得在中波廣播的整個頻段內無須改變元件的參數，不用微調，就可以使發(fā)射機都能正常工作。射頻激勵信號輸入激勵變壓器的初級，經過耦合后，在變壓器的次級得到兩個等幅反相的激勵信號，從而使A，B 兩半橋上的激勵變壓器次級連接的MOSFET管的柵極激勵信號也是等幅反相的。Q1/Q3 的源極與Q5/Q7 的漏極相連，Q2/Q4 的源極與Q6/Q8 的漏極相連。這兩個連接點都處于高電位，是上橋臂MOSFET 柵極激勵信號的參考點。上橋臂MOSFET 柵極的控制信號取決于射頻激勵信號，即正柵壓超過開啟電壓時場效應管飽和導電，正柵壓小于開啟電壓時場效應管截止。下橋臂MOSFET極激勵信號以其源極即地為參考點。這個參考點對其柵極激勵信號來說，下橋臂MOSFET 的射頻激勵信號要受柵極控制電路的控制，即相應的場效應管受射頻激勵信號和通斷控制信號的雙重控制。

2.4 柵極控制電路的工作原理

2.4.1 柵極控制電路的導通工作原理

柵極控制電路如圖2 中的標識4 所示。射頻功率放大器的開/關控制信號是由7 塊調制編碼板共同產生的，用它來決定開通或關斷多少個模塊，從而產生隨音頻調制信號變化的已調波。當調制編碼板輸入來的控制信號為低電平時，功放橋就開通，幅度大約為23 VP-P的等幅、反相的兩路正弦激勵信號分別加到MOS 管Q1/Q3，Q6/Q8 的柵極，一個等幅反相的激勵信號到來時，功率放大器的上、下兩個功率MOS 管輪流飽和導通，于是一個在供電電壓和地電位之間變化的方波信號就從上、下MOS管的源、漏極連接點輪流輸出，輸出電壓為+250 V。背靠背齊納二極管CR1，CR2，CR3，CR4 的作用是限制輸入到MOS 管的柵壓幅度，保護MOS 管免受柵極過壓或瞬態(tài)電壓的沖擊而損壞。當來自調制編碼板的開通信號隨調制度為一個負的控制信號（約-5 ～-2 V）時，將會使PNP 晶體管Q11 和Q13飽和導通，基本是一個短路電路，同時NPN 晶體管Q9 將為截止狀態(tài)，基本是一個開路電路，相當于將一個地加在了T1 次級繞組，也就是將激勵信號加到Q5和Q7上，當開關信號的電平為正時，Q5和Q7接通。這時，CR7 和CR9 將正的柵極激勵信號整流，使指示燈DS3 變?yōu)榫G色，說明模塊處于導通狀態(tài)。

2.4.2 柵極控制電路的截止工作原理

來自調制編碼器的一個大約為+4.5 V 的信號，使三極管Q11，Q13 截止，使Q9 飽和導通，通過射極接地，電路呈短路狀態(tài)，MOS 管Q5 和Q7 的柵極激勵電壓就由飽和導通的Q9 通過CR7 和CR9 被鉗位在二極管的壓降上。這時，控制MOS 管導通所需的正的激勵信號電壓（相當于源極為+2 ～+4 V）被去掉，因此，MOS 失去柵極信號，相當于模塊被關斷。

2.5 電源保險故障檢測電路的工作原理

電源保險故障檢測電路如圖2中的標識5所示。來自電源變壓柜的整流后的250 V（二進制125 V電壓）到端子P1-26，P1-32，分別為Q1，Q2，Q3，Q4 的漏極供電，元件R1，R2，R11，R12，CR11，CR12，DS1，DS2 構成了電源保險檢測電路。正常時，DS1，DS2 發(fā)光管被保險F1，F2 短路，因此不發(fā)光，也使R11，R12 承受了全部的電源電壓；CR11，CR12 保證正常時250 V 電源電壓使CR11，CR12 的負極電壓高于來自調制編碼板的約15 V 的正極電壓，因此就無電流（既無故障信號）經R31 去調制編碼板的故障比較器U34 了。當F1 或F2 開路，發(fā)光管DS1，DS2 亮，250 V（二進制125 V）的電壓就經R1 和R11 分壓，使相應的CR11 或CR12的正極高于分壓后的負極電壓，CR11 或CR12 導通。此時，位于調制編碼板的故障電路檢測到了比正常時低的電平信號，從而使發(fā)射機面板上的FUSE（保險故障）亮紅燈，顯示出有射頻功率放大器保險故障。

2.6 電纜聯鎖電路的工作原理

電纜聯鎖電路如圖2 中的標識6 所示。電纜聯鎖電路的作用是檢測調制編碼板和功放合成器/合成母板間的連接電纜是否接上，檢測射頻放大模塊是否到位。當一塊放大器牢固地插入插槽時，放大器連接端子35/36 腳之間、37/38 腳之間被連接上，4 個調制編碼器連接端子中的每個9 腳將經過連接軟線、放大器、連接端子把電路環(huán)接起來，并經過一個很低的電阻返回到10 腳。如果某塊放大器沒插到位或者接觸不良，9 腳和10 腳就處于開路狀態(tài)，用于檢測發(fā)射機上的各個電路板與調制編碼板間的連接電纜是否接通，也就是檢測各個電路板上的+5 V 電源是否正常。以上檢測電路一旦出現異常，發(fā)射機面板上就會顯示出“電纜聯鎖”故障，發(fā)射機不能上高壓。

2.7 射頻功率放大器的冷卻

DX-200 數字化調幅發(fā)射機的冷卻采用風冷系統。4 個功放柜各安裝3 臺3/4 馬力的風機，這樣可以使風機進來的冷卻風直接吹到功放放大器上。出風口在機柜的上面，風路采用閉環(huán)方式，冷卻風不在機箱內循環(huán)，從出風口直接把射頻功率放大器產生的熱量帶出機箱，從而使機箱內的溫度始終保持在一個恒定的范圍。“風流量”和“溫度”監(jiān)測電路共同組成了射頻功率放大器和整機的溫度監(jiān)測系統，用于發(fā)射機工作時射頻功率放大器的溫度監(jiān)測。工作過程中，由于某種原因造成功放溫度過高、風量減小、進出風口受阻等異態(tài)時，傳感器就向所在功放柜內的調制編碼板上的溫度監(jiān)測邏輯電路發(fā)出高電平信號，產生“放大器溫度故障”或者“風流量衰減故障”或者“風流量故障”。任一故障狀態(tài)都會使發(fā)射機降功率運行，嚴重時使發(fā)射機自動關機，從而保護發(fā)射機的安全。

3 結 語

射頻功率放大器關乎著發(fā)射機能否高質量、不間斷、既經濟、又安全的工作。廣播發(fā)送技術維護人員必須熟悉、掌握射頻功率放大器的工作原理，才能在功率放大器出現故障的時候快速、準確地判斷故障位置，分析故障原因，及時處理故障，確保射頻功率放大器可靠、穩(wěn)定、高效地運行，真正實現安全優(yōu)質播出。