全固態(tài)發(fā)射機末級功率放大器電路優(yōu)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(fā)射機都已老化，大部分已更新或改造，而全固態(tài)發(fā)射機已成為更新后的主流設備。許多一線的技術(shù)人員對這方面的知識有待了解，全固態(tài)發(fā)射機與電子管發(fā)射機相比具有明顯的幾大優(yōu)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(shù)指標高、易維護等特點。而電子管發(fā)射機與全固態(tài)發(fā)射機最明顯的區(qū)別是在末級功放電路。現(xiàn)在就目前全固態(tài)發(fā)射機末級采用管子及多路功率合成和分配技術(shù)介紹如下：

1 功率管介紹（末級功放管）

目前國內(nèi)各廠家在1KW 以上的全固態(tài)發(fā)射機（在FM段和VHF 段），主要使用PHILIPS 公司生產(chǎn)的VDMOS 大功率管BLF278，（也有使用MOTOROLA 公司生產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)將技術(shù)參數(shù)及特點介紹如下：

（1）BLF278 的RF 參數(shù)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(wěn)定性；d.效率高功耗小。

（3）BLF278 在調(diào)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(diào)試人員的技術(shù)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(zhuǎn)平衡輸出（分配），平衡轉(zhuǎn)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(jù)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(xiàn)在介紹一種用于調(diào)頻單管BLF278 模塊輸出功率合成電路，如圖1，D1、D2構(gòu)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(jié)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(jù)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(jīng)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(jīng)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(jīng)過相同的長度，且具對稱性。在C 點產(chǎn)生等幅反相電流互相抵消，無輸出，在B1、B2點產(chǎn)生等幅反相信號相減得到合成功率PB1、PB2。PB1、PB2經(jīng)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(diào)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(yōu)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(jīng)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(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形式最主要因素，不僅是要求網(wǎng)絡本身損耗能做到低，并且要求減少合成級數(shù)，最好不要超過三級。

合成路數(shù)：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(wǎng)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(tài)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(shù)為二級，1KW 以上放大單元級數(shù)為三級。現(xiàn)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(wǎng)絡，以及一些組合型合成網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(wǎng)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(jīng)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(wǎng)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(tài)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(tài)分析：

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從表上可以看出，路數(shù)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(xiàn)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(wǎng)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(shù)功放產(chǎn)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(wǎng)絡，一方面合成路數(shù)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(wǎng)絡的等效電路圖，左邊不經(jīng)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(lián)點上的阻抗50/N變?yōu)?0Ω，即采用1：N 1/4λ 阻抗變換器，該阻抗變換器采用同軸型結(jié)構(gòu)，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(xiàn)寬頻帶的匹配。

在上述兩種網(wǎng)絡中，可以實現(xiàn)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(wǎng)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(huán)行器混合型多路合成網(wǎng)絡是在魏金森等效網(wǎng)絡基礎上，在每一路輸出合成前加環(huán)行器，位置在圖6A1 至A6 各點之后。它是利用環(huán)行器的單方向傳輸?shù)奶匦詠韺崿F(xiàn)隔離的，當反射信號回到各路功放時，先到環(huán)行器上，然后加到環(huán)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(huán)行器的相移。多路使用時環(huán)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(shù)指標、結(jié)構(gòu)、經(jīng)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(fā)射機生產(chǎn)、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。