小型高效一體化大功率調頻廣播發(fā)射機的設計與實現

王洪玖

（作者單位：杭州眾傳數字設備有限公司）

2010年以來，AMPLEON和NXP分別推出了BLF18系列與MRFE6VP系列功放管，單管輸出從300 W、600 W發(fā)展到1 200 W、1 500 W甚至1 800 W等更高的功率等級，封裝從BeO陶瓷變?yōu)榄h(huán)保塑封。使用ADS軟件，功放模塊的輸入輸出阻抗變換巴倫實現了全微帶化設計，附著在銅基板上的功放模塊一致性、可靠性、易維護等性能都得到了很大提升。因此，設計小型高效一體化大功率發(fā)射機成為可能。

1 功放管的選型

功放管的選型是發(fā)射機設計的首要問題，關系到整機的功率分配合成方式、機箱布局體積、效率、可靠性等。各種功率等級功放管的性能參數[1-2]如表1所示。

表1 各種功率等級功放管的性能參數

確定設計目標為功率5 000 W，高度5U一體化發(fā)射機。其一，從設計目標功率5 000 W考慮，需要選擇4只1 500 W等級或6只1 200 W等級管子進行功率合成。其二，從結構布局考慮，采用平面式布局較合理。其三，從合成方式考慮，采用兩級合成方式比較合理。其四，從可靠性考慮，相對4只管子，使用6只功放管進行合成，單管功率低，熱量分散，單管故障后不平衡功率小，降低了對平衡電阻功率的要求，整機效率雖然會有降低，但可靠性有一定的提高。其五，從制造成本和維護成本考慮，目前1 200 W等級的功放管價格在1 000元，1 500 W等級的管子在2 000元。最終，選擇使用功放BLF188XR，價格適中，約為MRFX1K80H的1/2，使用6只，功率總額為7 200 W，如果使用4只MRFX1K80H，功率總額為7 200 W，價格高出30%。

2 設計概要

2.1 六路分配合成板

分配合成板的主要技術要求[3]：工作帶寬要達到全帶寬最優(yōu)；輸出端口相互隔離度不小于23 dB；各端口駐波比不大于1.15；各輸出端口間相位差不大于2.5°；各輸出端口插損不大于0.3 dB；滿足額定功率。

功率分配合成有幾種不同的類型[3]，每種都有其優(yōu)勢的帶寬、隔離度、駐波比、插損等性能。按照合成相位的分類：理想的同相功率分配合成沒有相移，輸入端口之間的為0°關系，可偶數或奇數的組合輸出，頻率帶寬范圍為約25 MHz以內，常見的形式為威金森式、吉賽爾式；理想的反相功率分配合成相移為180°，兩個輸入端口之間相位相差180°，適用于2的指數倍數的合成路數（2，4，8等），頻率帶寬范圍為約50 MHz以內，常見的形式為3 dB正交電橋式。

威金森型分配合成具有相對較窄的帶寬特性，結構簡單，工作頻率可達2 GHz，由于采用1/4波長傳輸線實現，尺寸偏大。威金森同相功率合成器可實現N路的分配合成，其電路平面結構和駐波比特性如圖1所示，通過端口間相互的隔離電阻，在87～108 MHz的頻率范圍兩路合成可達到約23 dB以上的隔離度、0.2 dB的最大功率損耗；在±10%帶寬內，3路合成可以實現小于1.30的駐波比，或2路合成實現小于1.15的駐波比，可較好地實現功率合成。

圖1 N路分配合成器電路平面結構和駐波比特性

六路分配合成采用兩級級聯，分配板先進行三分配再兩分配成六路，合成板采用先兩路合成再三路合成輸出。通過ADS仿真計算，實現了全帶寬的設計。考慮到微帶線通過的功率容量和插損[4]，在3路功率合成時選用3 mm厚的聚四氟乙烯板材帶線寬帶大于3 mm，可有效保證每路微帶線的功率容量。通過圖2的調頻功放的熱成像實例測試進行驗證，在輸出5 000 W功率時帶線溫度不超過75℃。采用整板鍍金工藝，進口高頻板材，保證產品的一致性，生產調試簡單，同時，帶寬寬、承受功率大、插損小，從而較大提高了整機效率。

2.2 低通濾波器

低通濾波器的設計采用切比雪夫原理[4]，結構為分布式電容與分布式電感的九階低通濾波器。使用濾波器設計軟件進行參數計算和仿真，設定型式為切比雪夫、低通、并聯、波動系數0.05 dB，9階、帶寬115 MHz，輸入輸出阻抗50 Ω，計算結果如表2所示。

圖2 調頻功放熱成像實例測試

表2 低通濾波器參數

圖4 整機原理圖

仿真結果：在87～108 MHz范圍內，插入損耗0 dB(理想情況下)、回波損耗≤-19.4、帶外抑制（174 MHz）≤-50.82 dB

從大功率的使用要求考慮，降低插損是首要考慮的問題。沒有采用通常的圓銅線或扁銅線繞成空心螺旋線圈，從微帶電感上受到啟發(fā)，設計了折線式分布參數電感，經過對使用的金屬材料的甄選、涂覆工藝的保證、精密模具的加工調試和反復的性能試驗測試，得到了一定外形尺寸下的比較精確的電感值。實物見圖3，經過調試，在87～108 MHz范圍內，插入損耗低≤-0.2 dB、駐波比≤1.25（回波損耗≤-20 dB）、帶外抑制≤-45 dB，實測承受功率大≥5 kW，從而較大提高整機效率，滿足了設計要求和使用要求，獲得了較高的性能指標和良好的熱穩(wěn)定性，保證了發(fā)射機的諧波輻射優(yōu)于國標要求。

圖3 低通濾波器實物圖

2.3 開關電源選型

開關電源的故障率相對較高，我們選用四只品牌高效開關電源，組成的N+1供電組的輸出功率可以達到12 000 W，實際使用功率約7 000 W，電源輸出功率的冗余量約70%。整流模塊適應-40～+75℃；電源工作效率高達96.2%；標準安裝結構和熱插拔設計，高功率密度，電源模塊及安裝機架體積小、1U高度；率因素校正為0.995；CAN 接口，自動均流；完善的保護功能（過壓、過流、過溫、短路及防雷）；支持熱插拔，N+1冗余，維護方便；具有前面板LED指示；具有ROSH6、UL、CSA、VDE、CE等相關認證；內置兩只大風量智能散熱風扇，支持風扇的變速功能。

3 整機簡介

小型高效一體化大功率調頻發(fā)射機的整機原理如圖4所示。

整機由激勵、100 W推動功放、5 000 W末級功放、主控、電控、冷卻等6個功能單元組成。整機結構上采用正反兩面布局，按照功能不同，正面為5 000 W末級功放單元，反面為激勵、100 W推動功放、冷卻、主控、電控等單元。各個功能單元模塊化設計放置在正反兩個獨立的機箱內，具有結構簡單、整體性強的優(yōu)點。激勵單元采用DSP+DDS的數字調制板，指標高，接口完備。100 W推動功放單元采用NXP公司高增益抗高駐波比抗靜電的塑封管，兩級放大，全微帶輸入輸出阻抗變化，電路簡潔，可靠性高。主控單元采用24064液晶屏作顯示頁面簡潔明了；實時檢測功放狀態(tài)和告警信號便于遠程監(jiān)控和控制；故障下功率自動控制和自動保護功能。電控單元配置大容量空氣開關、B1級避雷器保護系統。冷卻單元使用三只并聯冗余強迫風冷冷卻方式，風機壽命達10萬小時，風量大噪聲低、冷卻效果好，一只風機故障可以保證發(fā)射機正常工作。整機進風防塵設計，延長風機壽命，維護方便。機箱采用高光潔不銹鋼板，高精度數控加工成型，整體結構性能優(yōu)良。

4 結語

采用6只BLF188XR功放管設計的5 000 W調頻廣播發(fā)射機具有小型化、高效率、一體化、模塊化、數字化、可靠性高等優(yōu)點，經過廣電總局規(guī)劃院檢測中心測試，主要技術組指標：輸出功率5 000 W連續(xù)可調；射頻效率75%；殘波輻射＜-70 dB；頻率響應＜±0.1 dB；左右聲道電平差＜0.1 dB；立體聲分離度≥60 dB；立體聲信噪比≥80 dB；失真度＜0.1%，完全滿足入網標準要求。