淺析ZX-2kW-II型短波廣播發(fā)射機(jī)的工作原理及常見故障

陶坤美 胡宗蓉

（作者單位：云南省廣播電視局迪慶實(shí)驗(yàn)臺(tái)）

短波廣播發(fā)射機(jī)作為廣播系統(tǒng)的核心設(shè)備，在廣播信號(hào)的傳輸中扮演著重要的角色。對(duì)其工作原理進(jìn)行闡述、故障進(jìn)行分析對(duì)于設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)具有重要意義[1]。

短波廣播發(fā)射機(jī)是指發(fā)射頻率在3～30 MHz頻段內(nèi)的廣播發(fā)射機(jī)，其主要由射頻（Radio Frequency, RF）產(chǎn)生器、功放器、濾波器、天線調(diào)諧器和控制調(diào)制電路等幾部分組成[2]。其中，射頻產(chǎn)生器（激勵(lì)器）是短波廣播發(fā)射機(jī)的核心設(shè)備之一，能夠通過發(fā)生振蕩將可調(diào)的頻率信號(hào)輸出，經(jīng)過功放器、濾波器輸出到天線上，實(shí)現(xiàn)廣播信號(hào)的傳輸。短波廣播發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是不受地形和天氣的限制。

ZX-2kW-II型短波發(fā)射機(jī)為全固態(tài)發(fā)射機(jī)。采用模塊化設(shè)計(jì)，使用無線電技術(shù)和大功率合成技術(shù)，直接輸出工作頻率在3.2～26.1 MHz的短波信號(hào)。工作模式分固頻和跳頻兩種，可同時(shí)發(fā)射多個(gè)頻率。發(fā)射機(jī)具有調(diào)幅、等幅報(bào)和白噪聲調(diào)頻等工作方式。發(fā)射機(jī)采用自動(dòng)功率控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)“一鍵式”開機(jī)，設(shè)有高、中、低3個(gè)功率等級(jí)。發(fā)射狀態(tài)下還可通過面板上的“+”“-”按鍵對(duì)功率進(jìn)行上下微調(diào)，以滿足工作的實(shí)際需要。發(fā)射機(jī)采用冗余保護(hù)設(shè)計(jì)，多重保障發(fā)射機(jī)在工作狀態(tài)下的可靠性。發(fā)射機(jī)具有遙控接口，配置了數(shù)據(jù)采集單元，激活相應(yīng)控制軟件后可進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控和調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)無人值守。

1 ZX-2kW-II短波廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)特征及功能特點(diǎn)

1.1 技術(shù)特征

發(fā)射機(jī)工作頻率范圍為3.2～26.1 MHz，載波頻率步進(jìn)為100 Hz。調(diào)制方式為調(diào)幅方式和窄帶調(diào)頻方式，調(diào)制能力分為兩種情況，在調(diào)幅（Amplitude Modulation,AM）狀態(tài)下調(diào)幅度滿足100%調(diào)制；在窄帶調(diào)頻狀態(tài)下頻偏在3～5 kHz。跳頻頻率數(shù)量為2個(gè)或3個(gè)，調(diào)制信號(hào)種類為模擬音頻和白噪聲，音頻輸入電平為0 dBm±10 dBm，音頻輸入阻抗，即模擬音頻接口阻抗為平衡600 Ω，發(fā)射機(jī)輸出阻抗為不平衡50 Ω，發(fā)射帶寬為6～10 kHz；接地電阻≤10 Ω。

1.2 功能特點(diǎn)

跳頻工作模式采用時(shí)分技術(shù)，可同時(shí)播出3個(gè)頻率。一鍵式開機(jī)采用自動(dòng)功率控制技術(shù)，通過按鍵可直接輸出需要的功率等級(jí)。屏幕顯示采用大屏液晶屏數(shù)字顯示，顯示界面清晰、內(nèi)容豐富。發(fā)射功率時(shí)，可通過鍵盤上的“+”“-”按鍵對(duì)輸出功率進(jìn)行微調(diào)，以滿足使用需要?？煞拦β实构啵捎谠摪l(fā)射機(jī)功率容量較大，對(duì)多臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)工作時(shí)出現(xiàn)的功率倒灌現(xiàn)象有一定的惰性，即對(duì)功率倒灌不敏感。具有聲光報(bào)警功能，當(dāng)發(fā)射機(jī)報(bào)警時(shí)，激勵(lì)器提供聲音和亮燈提示。同時(shí)，具備故障定位功能，當(dāng)設(shè)備報(bào)警時(shí)可準(zhǔn)確定位至功能板，縮短故障判斷與維護(hù)時(shí)間，確保安全播出。具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，通過遙控接口選配遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)發(fā)射機(jī)的集中控制、遠(yuǎn)程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)無人值守臺(tái)站，確保即使在緊急狀態(tài)下發(fā)射機(jī)也能夠正常工作。此外，發(fā)射機(jī)具有過壓、過流、溫度、駐波比和不平衡保護(hù)功能。激勵(lì)器、功放及電源單元采用模塊化設(shè)計(jì)，方便保養(yǎng)與維護(hù)。

2 ZX-2kW-II短波廣播發(fā)射機(jī)工作原理分析

ZX-2kW-II型短波發(fā)射機(jī)主要由數(shù)字化激勵(lì)器、控制保護(hù)單元、功放單元、諧波濾波器、開關(guān)電源等幾部分組成。其中，功放單元主要由前置驅(qū)動(dòng)模塊、4個(gè)相同的末級(jí)放大模塊以及1個(gè)合成模塊組成。開關(guān)電源單元主要由輔助單元和4個(gè)相同電源模塊組成（其中第4個(gè)備用）。整機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 ZX-2kW-II型短波發(fā)射機(jī)工作原理

2.1 數(shù)字化激勵(lì)器

激勵(lì)器是ZX-2kW-II型短波發(fā)射機(jī)的核心和“大腦”，隨著技術(shù)的進(jìn)步，激勵(lì)器通過芯片實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)字化激勵(lì)器以芯片TMS320VC5402和AD9857為核心搭建硬件平臺(tái)，自動(dòng)在數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor, DSP）中編程實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制算法；采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Direct Digital Synthesis, DDS）產(chǎn)生所需頻率[3]。TMS320VC5402芯片因成本低、功耗小、資源多的特點(diǎn)在無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。AD9857則是一種應(yīng)用非常廣泛的芯片，它是一種單片混合信號(hào)的14位積分?jǐn)?shù)字上行轉(zhuǎn)換器，采樣速率為200 MS/s，DSP處理過的基帶信號(hào)數(shù)據(jù)傳給AD9857芯片最終生成正交調(diào)制過的載波數(shù)據(jù)流。數(shù)字化激勵(lì)器是發(fā)射機(jī)與人的交互接口，主要由控制板、信號(hào)處理板、信道板、電源模塊、電源濾波板、檢測(cè)板、鍵盤板以及液晶屏幾部分組成。同時(shí)也是整個(gè)發(fā)射機(jī)的信號(hào)源與控制中心，能夠?qū)⒄{(diào)制后的射頻信號(hào)輸出到功率放大器（即功放單元），并采集各單元的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，將相關(guān)信息顯示在液晶顯示屏上，便于值機(jī)人員觀察操作。此外，數(shù)字化激勵(lì)器有很多控制功能，能夠控制其他模塊的運(yùn)行。還設(shè)有遙控接口，可利用軟件技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，通過軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.2 功放單元

功放單元能夠接收來自數(shù)字化激勵(lì)器的信號(hào)，由功率放大器完成射頻信號(hào)的放大。功放單元電路設(shè)計(jì)也是采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)功放電路分為三類模塊：前置驅(qū)動(dòng)電路、四路分配器構(gòu)成一個(gè)模塊；1個(gè)六路分配電路、6個(gè)100 W末級(jí)放大電路、1個(gè)六路合成電路構(gòu)成一個(gè)模塊，該模塊共有4組；四路合成器構(gòu)成一個(gè)模塊。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，數(shù)字化激勵(lì)器輸出的射頻信號(hào)首先進(jìn)入前置驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)過前置驅(qū)動(dòng)模塊放大后輸入功率分配電路，此時(shí)射頻信號(hào)被均分為四路，并分別進(jìn)入4個(gè)一致的末級(jí)放大模塊，并再次對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，四路放大的射頻信號(hào)進(jìn)入合成模塊。功率合成器具有功率疊加的作用，能夠?qū)⑺穆贩糯蟮纳漕l信號(hào)合成一路，最后輸出2 kW的射頻功率，經(jīng)檢測(cè)保護(hù)電路饋送到諧波濾波器。功放單元設(shè)計(jì)了多重保護(hù)檢測(cè)電路，包括溫度、不平衡、漏極過壓、駐波比報(bào)警等，能夠保護(hù)發(fā)射機(jī)的核心器件——功放管。改變功放管的靜態(tài)電流可通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的電位器來實(shí)現(xiàn)。

2.3 諧波濾波器

放大后的載波信號(hào)要經(jīng)過濾波才能輸送到天線發(fā)射出去，ZX-2kW-II型短波發(fā)射機(jī)諧波濾波器是將整個(gè)短波頻段劃分為6段分別濾波，采用7階橢圓函數(shù)低通濾波器，具有插損小、帶內(nèi)波動(dòng)小、截止特性陡峭等特點(diǎn)。對(duì)基波的衰減＜0.5 dB，對(duì)諧波分量衰減≥35 dB，總的諧波抑制度≥48 dB。其濾波性能較好，幾乎能夠保證發(fā)射頻率的基波無損耗地通過，而對(duì)發(fā)射頻率的諧波可進(jìn)行有效的抑制，大大減少干擾信號(hào)，保證有用信號(hào)高效發(fā)射出去。諧波濾波器的輸入/輸出阻抗為50 Ω，功率容量為2.5 kW。在元器件的選擇上，要充分考慮設(shè)備工作的嚴(yán)酷環(huán)境和工作周期，選擇大功率容量的器件，減小元器件的功率損耗，降低發(fā)熱量，保證元器件的可靠性。濾波器內(nèi)部的功率檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)功率射頻信號(hào)檢測(cè)，輸出正反向功率取樣電壓，反饋給數(shù)字化激勵(lì)器進(jìn)行功率指示與控制保護(hù)。

2.4 控制保護(hù)單元

控制保護(hù)單元對(duì)發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)（如工作電壓、電流、溫度、功率、駐波比等）參數(shù)以及報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集、處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將采集的數(shù)據(jù)與處理結(jié)果以串口數(shù)據(jù)形式發(fā)送給數(shù)字化激勵(lì)器，便于激勵(lì)器對(duì)發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行顯示與控制?？刂票Ｗo(hù)電路具有過壓、過溫、不平衡、駐波比4種保護(hù)功能。當(dāng)各模塊有關(guān)參數(shù)超過保護(hù)值時(shí)，比較器輸出高電平，該高電平一路作為Alarm信號(hào)送給激勵(lì)器，激勵(lì)器關(guān)斷PTT（Push-To-Talk）信號(hào)和射頻信號(hào)；另一路送入施密特延時(shí)電路，延時(shí)電路使PTT鍵控信號(hào)斷開，相應(yīng)末級(jí)功放停止工作。通過軟、硬件雙重保護(hù)確保功放單元的功放管得到有效保護(hù)。

2.5 開關(guān)電源單元

電源是發(fā)射機(jī)的動(dòng)力源，為發(fā)射機(jī)各模塊提供所需電壓。開關(guān)電源輸入交流380 V，輸出直流48 V、24 V和交流110 V。其中直流48 V供給功放單元，直流24 V分別供給功放單元、諧波濾波器、數(shù)字化激勵(lì)器、控制保護(hù)單元等。交流110 V為發(fā)射機(jī)各單元散熱風(fēng)機(jī)供電。發(fā)射機(jī)電源由輔助單元、電源模塊組成。輔助單元主要功能包括輸入、輸出濾波，24 V/15 A、24 V/1 A不間斷輔助供電，110 V交流風(fēng)機(jī)供電，以及通信控制等，其主要作用是整合對(duì)外連接接口、完成與整機(jī)通信控制，以及確保風(fēng)機(jī)、數(shù)字化激勵(lì)器及其他單元的用電需求；電源模塊是功率轉(zhuǎn)換模塊，將交流三相380 V降壓整流輸出直流48 V（40～50 V可調(diào)），功率為3 kW。該模塊具有并聯(lián)均流電路，能將3個(gè)模塊并聯(lián)輸出9 kW（共4個(gè)，有一個(gè)備用），可以滿足發(fā)射機(jī)功放用電需求。電源模塊及整個(gè)電源單元集成了通信控制模塊電路，能實(shí)現(xiàn)電源單元對(duì)每一個(gè)模塊的通信、監(jiān)測(cè)，且能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電源的工作狀態(tài)并將狀態(tài)信息傳送到發(fā)射機(jī)整機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)控電源狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遙控操作。為降低電源噪聲，直流風(fēng)機(jī)采用溫控調(diào)速控制；根據(jù)電源本身的發(fā)熱情況調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，能有效降低風(fēng)機(jī)噪聲。電源設(shè)有輸入過、欠壓、輸出過、欠壓、過流、過溫等保護(hù)，以確保電源運(yùn)行安全。電源工作狀態(tài)指示燈能有效指示電源工作狀態(tài)與電流輸出情況。在發(fā)生故障時(shí)對(duì)應(yīng)的指示燈會(huì)被點(diǎn)亮，方便維修人員定位故障，進(jìn)行快速檢修。因?yàn)殡娫床捎昧四K化設(shè)計(jì)，所以安裝、維護(hù)簡(jiǎn)便，模塊出現(xiàn)故障的情況下只需要更換新模塊即可，極大方便了后期維護(hù)工作。

3 ZX-2kW-II型短波發(fā)射機(jī)常見故障及排除方法

ZX-2kW-II型短波發(fā)射機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，有各種報(bào)警指示燈，可依報(bào)警指示燈查找故障源，及時(shí)排除并處理故障問題，確保發(fā)射機(jī)的安全運(yùn)行[4]。以下為常見故障分析與處理方法。

無功率輸出：依次檢查激勵(lì)器、功放、諧波濾波器輸出，判斷故障點(diǎn)。測(cè)試方法如下：用示波器測(cè)試激勵(lì)器有無輸出，如無輸出則為激勵(lì)器故障；使用假負(fù)載直接測(cè)試功放輸出，如無輸出則為功放故障；測(cè)試濾波器輸出，如無輸出則為濾波器故障；否則為功率檢測(cè)器故障。

溫度報(bào)警：溫度報(bào)警為功放單元報(bào)警信號(hào)，為功放單元溫度過高，可依次檢查風(fēng)機(jī)電源、末級(jí)模塊、發(fā)射機(jī)功率、天線匹配、溫度繼電器有無異?；驌p壞。

不平衡報(bào)警：多功放單元出現(xiàn)問題，可檢查末級(jí)模塊和合成模塊，測(cè)試末級(jí)功放靜態(tài)電流，確定是否有某路功放管損壞。功放管是常出問題的部件，屬于易損元件，平時(shí)應(yīng)多保養(yǎng)發(fā)射機(jī)，讓發(fā)射機(jī)在額定功率下運(yùn)行，讓運(yùn)行參數(shù)處在合理區(qū)間，這樣可大大降低功放管的損害，延長(zhǎng)功放管的壽命。此外，還需確定模塊內(nèi)的射頻線纜是否連接良好，檢測(cè)溫度繼電器是否良好。

過壓報(bào)警：可檢查天饋線是否正常并可靠連接；檢查天線接地、測(cè)試天線；檢查濾波器有無器件損壞；檢測(cè)模塊內(nèi)放大板的穩(wěn)壓二極管是否正常；檢查功放單元各模塊之間的連接線纜以及與諧波濾波器的射頻連接線纜是否良好。

功率合成駐波比報(bào)警：檢查合成模塊的功率檢測(cè)電路是否正常；檢查合成模塊與諧波濾波器的射頻連接線纜是否良好；檢查諧波濾波器分段是否正確；檢查諧波濾波器的射頻連接線纜是否良好、檢查天饋線是否良好。

正向發(fā)射功率報(bào)警：檢查諧波濾波器的功率檢測(cè)器內(nèi)器件是否正常；檢查諧波濾波器與天線的連接是否良好。

反向發(fā)射功率報(bào)警：檢查諧波濾波器的功率檢測(cè)器內(nèi)器件是否正常；檢查諧波濾波器與天線的連接是否良好；檢查諧波濾波器的功率檢測(cè)器的正反向功率電平線纜是否接反。

駐波比報(bào)警：檢查諧波濾波器的功率檢測(cè)器內(nèi)器件是否正常；檢查諧波濾波器與天線的連接是否良好；檢查諧波濾波器的功率檢測(cè)器的正反向功率電平線纜是否接反。

4 結(jié)語(yǔ)

值機(jī)人員只有了解ZX-2kW-II型短波發(fā)射機(jī)的工作原理，熟悉業(yè)務(wù)流程，掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特性，才能夠在發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)迅速定位故障，提升故障處理能力。為了保證短波廣播發(fā)射機(jī)的正常運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，快速排除問題并恢復(fù)信號(hào)傳輸至關(guān)重要。尤其是在重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)降低故障發(fā)生概率可以保證播出任務(wù)的連續(xù)性和播出質(zhì)量，減少安全播出事故的發(fā)生[4]。隨著時(shí)代的發(fā)展，發(fā)射機(jī)也需要不斷更新和改進(jìn)以滿足新的發(fā)展要求及不同的業(yè)務(wù)需求[5]。而值機(jī)人員及時(shí)總結(jié)故障排查過程中所獲得的經(jīng)驗(yàn)，能夠?yàn)槎滩òl(fā)射機(jī)的優(yōu)化和改進(jìn)提供重要的參考和建議。