DX-200 中波發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。

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，并以磁環合成變壓器為負載。該電壓幾乎都降落在磁環合成變壓器的初級。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 由導通轉變為截止，Q2/Q4 由截止轉變為導通，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，開關頻率是載波頻率[4]。DX-200 DAM 發射機使用的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，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 變為綠色，說明模塊處于導通狀態。

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，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 發光管被保險F1，F2 短路，因此不發光，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，用于檢測發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，發射機面板上就會顯示出“電纜聯鎖”故障，發射機不能上高壓。

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，風路采用閉環方式，冷卻風不在機箱內循環，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”監測電路共同組成了射頻功率放大器和整機的溫度監測系統，用于發射機工作時射頻功率放大器的溫度監測。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時，傳感器就向所在功放柜內的調制編碼板上的溫度監測邏輯電路發出高電平信號，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”。任一故障狀態都會使發射機降功率運行，嚴重時使發射機自動關機，從而保護發射機的安全。

3 結 語

射頻功率放大器關乎著發射機能否高質量、不間斷、既經濟、又安全的工作。廣播發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、穩定、高效地運行，真正實現安全優質播出。