射頻功率放大器

摘要：介紹了中波廣播發(fā)射機(jī)中射頻功率放大器的組成，工作原理和效率分析，以及其維護(hù)、維修的要點(diǎn)，并對(duì)比實(shí)際電路做刨析。
關(guān)鍵詞：射頻功率放大器；場(chǎng)效應(yīng)管；工作原理；效率；維護(hù)；維修

0 引言
    隨著廣播進(jìn)入數(shù)字化的發(fā)展模式，生產(chǎn)和運(yùn)行的全固態(tài)PDM和DAM中波廣播發(fā)射機(jī)中的射頻功率放大器，也就是功放末級(jí)全部采用了場(chǎng)效應(yīng)管橋式丁類(lèi)放大器。高頻功率放大器實(shí)質(zhì)是一種受控源能量轉(zhuǎn)換器，在高頻振蕩電壓激勵(lì)下，將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成高頻交流能量。因場(chǎng)效應(yīng)管在低躁聲、大功率、高效益方面的性能十分優(yōu)越而得到廣泛應(yīng)用，是功率放大器最理想的放大器件，特點(diǎn)是輸入阻抗高、輸出功率大、開(kāi)關(guān)速度快，通頻帶寬、高頻特性好。調(diào)制功放是全固態(tài)中波廣播發(fā)射機(jī)中的高電壓、大電流匯聚之處，是絕對(duì)的故障高發(fā)區(qū)。無(wú)論是1 kW、10 kW、50 kW的全固態(tài)PDM或DAM機(jī)中，這一塊大同小異，一般中、小功率機(jī)上調(diào)制和功放是分開(kāi)的，中大功率機(jī)上則合二為一，統(tǒng)稱(chēng)調(diào)制功放，多見(jiàn)于50 kW、100 kW、150 kW機(jī)，加工成獨(dú)立小合，便于維修和互換。

1 電路結(jié)構(gòu)和原理
    射頻功率放大器不同于其它工作于甲類(lèi)、乙類(lèi)、丙類(lèi)的電子管射頻功率放大器，不需要高電壓；也不同于其它低頻功率放大器，沒(méi)有多少帶寬。丁類(lèi)放大器中場(chǎng)效應(yīng)管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，漏極耗散功率非常低，雖然開(kāi)、關(guān)過(guò)度期工作在線性區(qū)功率很大，但工作頻率高，過(guò)度期非常短，工作效率比以往功率放大器大大提高，實(shí)際上就可以做到百分之九十以上。
    場(chǎng)效應(yīng)管丁類(lèi)放大器都是由兩個(gè)或以上成對(duì)的管子組成，它們分成兩組輪流導(dǎo)通，合作完成功率放大任務(wù)?？刂茍?chǎng)效應(yīng)管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的激勵(lì)電壓可以是正弦波也可以是方波。實(shí)際電路有兩種，即電流開(kāi)關(guān)型和電壓開(kāi)關(guān)型。因?yàn)殡娏鏖_(kāi)關(guān)型電路中，輸出電流是方波，工作頻率高時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間不能忽視，所以中波廣播發(fā)射機(jī)中采用電壓開(kāi)關(guān)型電路。分為全橋和半橋兩種工作方式。
    橋式功放就是現(xiàn)在生產(chǎn)和運(yùn)行的中波廣播發(fā)射機(jī)中的射頻功率放大器，橋式功放是由4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管按電橋形式連接，以丁類(lèi)開(kāi)關(guān)放大方式工作的連接方式被叫做橋式功放，此全橋連接方式是一個(gè)H型，故又稱(chēng)為H型丁類(lèi)放大器。全橋電路是由兩個(gè)半橋組合而成，左右兩部分的輸出與相對(duì)的合成變壓器初極線圈首尾相連，這種結(jié)構(gòu)類(lèi)似傳統(tǒng)推挽電路形式。兩個(gè)射頻功率放大器被設(shè)計(jì)成由獨(dú)立電源系統(tǒng)供電，推動(dòng)信號(hào)也是由電橋兩部分各自獨(dú)立輸入，射頻功率放大器這個(gè)半橋工作方式就被利用到預(yù)推動(dòng)級(jí)。

2 實(shí)際電路解析
    為了便于互換和維修，在發(fā)射機(jī)中，無(wú)論是預(yù)驅(qū)動(dòng)放大級(jí)，驅(qū)動(dòng)放大級(jí)，還是射頻功率放大級(jí)都采用相同的射頻功率放大器。將其做成模塊形式，即一組功率放大器為一個(gè)模塊。例如762廠生產(chǎn)的AM103S5-10 kW，DAM的機(jī)中就有42個(gè)大臺(tái)階功放模塊和6個(gè)2進(jìn)制功放模塊，還有4個(gè)功放模塊用在推動(dòng)和預(yù)推動(dòng)級(jí)。這些功放模塊隨功率大小和使用機(jī)器型號(hào)不同，加工成各種小板，便于互換。
    供電電壓分別供給兩部分電源輸入端，由每組橋臂下功放管返回地面。供給大臺(tái)階功放模塊的是230VDC，供給2進(jìn)制功放模塊115VDC，30VDC，115VDC供給推動(dòng)級(jí)模塊，60VDC供給預(yù)推動(dòng)級(jí)模塊。
    電源電壓經(jīng)射頻扼流圈L1，L2和保險(xiǎn)絲F1，F(xiàn)2。若電橋中半部分保險(xiǎn)絲熔斷，另外半部分會(huì)繼續(xù)工作。對(duì)于用全橋結(jié)構(gòu)的功放模塊，此時(shí)仍能放大輸出，只是輸出功率減小了，輸出到射頻變壓器初級(jí)的射頻電壓峰——峰值是原來(lái)射頻電壓的一半。
    C1，C2，C3，C4為旁路電容，將不需要的射頻部分旁路到地，紅色發(fā)光二級(jí)管DS1，DS2在模塊保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)通過(guò)R1，R2點(diǎn)亮，R1，R2為限流電阻。
    射頻推動(dòng)電路由變壓器T1，T2及相關(guān)并連匹配網(wǎng)絡(luò)組成。兩個(gè)射頻推動(dòng)變壓器分別用于全橋A＼B兩部分。單獨(dú)來(lái)自射頻分配器的同軸電纜把射頻推動(dòng)電壓饋送到每個(gè)模塊的A＼B兩部分，這樣兩部分推動(dòng)信號(hào)互不影響，不會(huì)因某部分推動(dòng)信號(hào)故障而影響另一部分正常工作。
    射頻推動(dòng)變壓器初級(jí)分別帶有并連匹配網(wǎng)絡(luò)增寬了輸入回路的帶寬，就使中波廣播在任何頻率下工作都不用變換元件參數(shù)。變壓器T1的匹配網(wǎng)絡(luò)由L3，R3，R5組成，變壓器T2的匹配網(wǎng)絡(luò)由L4，R4，R6組成。
    每個(gè)射頻推動(dòng)變壓器有兩個(gè)次極線圈，可提供兩個(gè)相位相差180度的推動(dòng)信號(hào)電壓，背靠背齊納二級(jí)管VD1，VD2，VD3，VD4是保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管控制柵免受過(guò)激損壞及產(chǎn)生的瞬間電壓沖擊。
    V1，V2，V3，V4是N溝道的大功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管IRFV350，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將供電電壓通過(guò)C8供給合成變壓器初級(jí)線圈，產(chǎn)生一個(gè)方波電壓輸出。
    控制電路由來(lái)自調(diào)制編碼器TTL高電平及較小的負(fù)電壓控制射頻功率放大器的通斷。負(fù)電壓由直流穩(wěn)壓電路B-提供，因?yàn)槟K有開(kāi)關(guān)特性，根據(jù)在某段時(shí)間工作模塊數(shù)量，負(fù)電壓會(huì)隨調(diào)制情況而取值不同并且改變模塊通斷時(shí)間。
    模塊板上控制電路由V5，V6，V7及相關(guān)器件組成。來(lái)自調(diào)制編碼器的TTL“低”控制信號(hào)會(huì)使三極管V5導(dǎo)通，V7截止，使變壓器T1次極通過(guò)V5射頻接地，為并接的場(chǎng)效應(yīng)管V3控制柵提供射頻推動(dòng)信號(hào)；同理，供給V4的射頻推動(dòng)電路，只不過(guò)通過(guò)V6射頻接地而已。當(dāng)TTL“高”控制信號(hào)到來(lái)時(shí)，使V5截止，V7導(dǎo)通，將來(lái)自變壓器T1，T2的正半周射頻推動(dòng)信號(hào)電平被VD7，VD8箝位于略高于地電位，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通所需的推動(dòng)電壓有幾伏，大大超過(guò)二級(jí)管結(jié)電壓就可有效防止并接的場(chǎng)效應(yīng)管V3，V4導(dǎo)通。
    場(chǎng)效應(yīng)管交匯處是半橋的輸出端，電容C8做直流隔離。
    射頻放大器模塊在OFF狀態(tài)，合成變壓器初級(jí)線圈就沒(méi)有電流供給，模塊也不會(huì)有任何功率輸出。但電流仍會(huì)通過(guò)合成變壓器次級(jí)，除非所有射頻放大模塊輸出功率為零，這就使得合成變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生射頻電壓。當(dāng)V1導(dǎo)通V2截止時(shí)，感應(yīng)的低阻射頻電流就流經(jīng)V2的反接二級(jí)管，由旁路電容C3，C4旁路掉；當(dāng)電壓極性相反時(shí)，V1截止V2導(dǎo)通，感應(yīng)的低阻射頻電流就流經(jīng)V1的反接二級(jí)管，由旁路電容C1，C2旁路掉。

3 維修的要點(diǎn)
    功放模塊常見(jiàn)在不同位置，同一功放模塊常重復(fù)損壞。一般是場(chǎng)效應(yīng)管與散熱體之間的絕緣體有損傷，尤其在修復(fù)后的模塊上發(fā)生，任何一焊點(diǎn)的碎片或散熱體上的毛刺，都可以導(dǎo)致絕緣體絕緣失效，從而引發(fā)模塊常重復(fù)損壞。維修時(shí)要先檢查模塊板上有無(wú)虛焊、連焊，印制銅皮有無(wú)斷裂及打火痕跡，元器件有無(wú)變色、開(kāi)裂現(xiàn)像，可起到事半功倍的效果。模塊開(kāi)關(guān)電路也可導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管損壞，若僅橋式功放一
邊的場(chǎng)效應(yīng)管擊穿，在修復(fù)模塊時(shí)要檢查模塊開(kāi)關(guān)電路是否有器件損壞。如果射頻推動(dòng)信號(hào)電平和相位不正常也會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管損壞，要著重檢查射頻推動(dòng)變壓器T1，T2及雙向二級(jí)管VD1，VD2，VD3，VD4。
    功放模塊也常見(jiàn)在同一位置不同功放模塊連續(xù)損壞。所有功放模塊的推動(dòng)信號(hào)電平在23 V左右，各模塊之間推動(dòng)信號(hào)的相位差也應(yīng)在5度以?xún)?nèi)，這些常存在于模塊外電路，如射頻推動(dòng)電纜故障，射頻分配板或合成母板上的插頭連接不良。正像模塊之間推動(dòng)信號(hào)的相位差應(yīng)在5度以?xún)?nèi)一樣，每個(gè)模塊場(chǎng)效應(yīng)管的漏極轉(zhuǎn)換波形的相位差也應(yīng)在5度以?xún)?nèi)。如模塊接插不良，射頻功放補(bǔ)償線圈抽頭錯(cuò)誤，或射頻輸出環(huán)形變壓器有問(wèn)題。這種故障模塊損壞前會(huì)工作一段時(shí)間，但工作溫度較其它模塊要明顯偏高。每一模塊的射頻輸出由輸出變壓器耦合到功率合成器，所以要常檢查輸出變壓器磁環(huán)是否破裂，是否有打火痕跡。模塊經(jīng)常拔下、插上致使插座接觸簧片張力減退或簧片變形，造成接觸電阻增大，也會(huì)導(dǎo)致模塊被燒。
    在隨機(jī)位置上也會(huì)出現(xiàn)模塊連續(xù)損壞，這就要看A＼D轉(zhuǎn)換器采樣脈沖、調(diào)制電源、駐波比保護(hù)電路、過(guò)載保護(hù)電路、冷卻氣流不足、發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)失諧等等。

4 維修實(shí)例
    射頻功率放大器故障由面板“功放”紅燈顯示，也稱(chēng)“包絡(luò)出錯(cuò)”故障。這種故障的檢測(cè)原理是將兩個(gè)相關(guān)的音頻信號(hào)進(jìn)行比較。一個(gè)信號(hào)是A／D轉(zhuǎn)換板上數(shù)字音頻信號(hào)再經(jīng)D／A反變換，恢復(fù)成原來(lái)的模擬音頻信號(hào)和另一個(gè)從發(fā)射機(jī)輸出端取樣的已調(diào)制信號(hào)經(jīng)解調(diào)后得到的音頻信號(hào)，正常時(shí)，兩個(gè)信號(hào)波形基本同型，“功放”燈呈綠色。假如有個(gè)功放發(fā)生故障，調(diào)幅波的包絡(luò)就會(huì)失真，解調(diào)后得到的音頻信號(hào)與A／D轉(zhuǎn)換板上重建音頻信號(hào)不再相同，“功放”燈變成紅色。“功放”紅燈亮就表示可能有功率放大器故障，可由功放板上的紅燈來(lái)確定哪只功放有問(wèn)題。例如突然燒毀絕大部分功放模塊，不能開(kāi)機(jī)播出。先看電源部分，交流接觸器年久打火燒壞，更新后，逐一換上保險(xiǎn)，雖能開(kāi)機(jī)播出，但輸出功率很低，正常調(diào)整高功率不起作用。仔細(xì)檢查，是推動(dòng)電壓偏低，突然的欠激工作導(dǎo)致大部分功放模塊瞬間燒壞?？梢?jiàn)要時(shí)常關(guān)注激勵(lì)信號(hào)，避免造成更大的損失。尤其在自動(dòng)控制不間斷播出的今天。