全固態發射機末級功率放大器電路優化介紹

俞大明

（福清市廣播電視臺，福建 福清350300）

近幾年來各電視臺由于原電子管發射機都已老化，大部分已更新或改造，而全固態發射機已成為更新后的主流設備。許多一線的技術人員對這方面的知識有待了解，全固態發射機與電子管發射機相比具有明顯的幾大優點：無故障工作時間長（不存在管子老化）、功耗小（相當于同功率電子管功耗的0.4－0.5 倍）、技術指標高、易維護等特點。而電子管發射機與全固態發射機最明顯的區別是在末級功放電路。現在就目前全固態發射機末級采用管子及多路功率合成和分配技術介紹如下：

1 功率管介紹（末級功放管）

目前國內各廠家在1KW 以上的全固態發射機（在FM段和VHF 段），主要使用PHILIPS 公司生產的VDMOS 大功率管BLF278，（也有使用MOTOROLA 公司生產的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 公司生產的LDMOS 大功率管BLF861A，它是早期BLF861 的改進型。這兩種管子皆為雙推挽硅N 極道增強型D-MOS管，現將技術參數及特點介紹如下：

（1）BLF278 的RF 參數如下：

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

（3）BLF278 在調頻段（FM），功率可達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170W～200W（同步頂功率）以上，工作電流在6A 左右（加電視信號時）漏極電壓為48～50V；要達到單管的最大功率輸出決定于兩點：電路的正確設計及調試人員的技術水平。

（4）一般工作電路形式。由于這種管子為雙推挽D-MOS電路，因此在原來功率管輸入匹配、輸出匹配之前或之后需加不平衡轉平衡輸出（分配），平衡轉不平衡輸出（合成），見圖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。這里我們只是對雙推挽電路的分配和合成采用的原理加以介紹。根據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），進行分配和合成。

現在介紹一種用于調頻單管BLF278 模塊輸出功率合成電路，如圖1，D1、D2構成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1：4 傳輸線變壓器合成器原理。C點為和端輸出，D1和D2點為差端輸出，A1路輸入信號經過D1同軸電纜芯線1－2－D2同軸電纜的屏蔽層8－7－C，A2路輸入信號經過D2同軸電纜芯線3－4－D1電纜屏蔽層6－5－C，A1、A2輸入信號經過相同的長度，且具對稱性。在C 點產生等幅反相電流互相抵消，無輸出，在B1、B2點產生等幅反相信號相減得到合成功率PB1、PB2。PB1、PB2經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 末級功放電路

2.1 末級功放電路以BLF278 兩管合成電路為單元，調頻1KW、電視VHF 1KW、末級方框圖。

圖2 TV、FM 1KW 四路分配合成方框圖

電路優點是以兩管合成電路為單元，合成功率可達350W以上，四路合成可達1.2KW以上，若以1KW電路為單元經同相分配和合成，可達到5.5KW以上。

2.2 功率合成和分配電路的評價指標

插入損耗小：即合成時盡量降低合成損耗，成為選擇網絡結構形式最主要因素，不僅是要求網絡本身損耗能做到低，并且要求減少合成級數，最好不要超過三級。

合成路數：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絡則用于多路合成。

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段需單頻道設計。

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

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

實際中（見前面方框圖）都是以兩管通過3dB 分配和3dB 合成，組成放大單元，通過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。多路同相分配和合成，一般≤1KW 放大單元級數為二級，1KW 以上放大單元級數為三級。現著重分析一下，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絡，以及一些組合型合成網絡。

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。

它的結構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絡

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

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

從A1點出來的信號經一路和二路在A2點相互抵消，說明A1和A2之間無影響，相互隔離。同樣任意兩路之間也無影響，因此該網絡具有良好的隔離性能。

多路合成器當一路或幾路非正常工作時，工作狀態分析。

當有N 路功率合成器，有M路正常工作時，總的輸出功率公式，故障路上隔離電阻功耗公式，以及無故障路上隔離電阻的功耗公式（詳細推導過程不在論述）。下面給出具體公式，在實際工作中可以加以計算。

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分析：

??? ?????? ??????????????????????? ????? ???????? ????????? ????????????? ????? ???????? ????????? ???? ????!?? ????? ????????? ??"?????? ????????????#$?? ??? ?? ???? ???? ?? ?????? ??????????

從表上可以看出，路數越多，當一路損壞時對總的輸出功率影響減少，這里應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功耗最大的電阻，一般是一路損壞時，損壞路的隔離電阻功率最大，以六路5KW 合成網絡為例，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，則會對其它各路數功放產生影響。

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絡，一方面合成路數越多，1/4λ 傳輸線阻抗很大，如在四路以上時同軸電纜的阻抗都在100Ω 以上，實際采購這種同軸電纜比較困難，因此在四路以上合成器電路中，右邊仍為魏金森網絡的等效電路圖，左邊不經過1/4λ 阻抗變換，而是用等長的50Ω 同軸電纜，連接到變阻器上，而變阻器將并聯點上的阻抗50/N變為50Ω，即采用1：N 1/4λ 阻抗變換器，該阻抗變換器采用同軸型結構，利用階梯阻抗變換的原理，采用平坦型設計，加一級或二級入1/4λ 同軸型變阻器，實現寬頻帶的匹配。

在上述兩種網絡中，可以實現各路之間相互隔離，但是對負載失配時（駐波比S 較差或全反射）隔離能力較差，反射的功率通過合成網絡加到各路功放上，對功率管會造成損壞，這就對反射保護電路要求較高。而環行器混合型多路合成網絡是在魏金森等效網絡基礎上，在每一路輸出合成前加環行器，位置在圖6A1 至A6 各點之后。它是利用環行器的單方向傳輸的特性來實現隔離的，當反射信號回到各路功放時，先到環行器上，然后加到環行器的另一端負載上，從而保護了功放電路，在實際使用中應注意環行器的相移。多路使用時環行器必須同插損、同相移，否則會降低合成效率。

在每種功放進行多路合成時，應從技術指標、結構、經濟性多方面比較，尋求一種最佳方案。

本文只是對目前末級功放電路中，功放電路及分配合成電路一點淺見，希望能給從事發射機生產、維護的同行提供點幫助。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。