DX-200中波发射机射频功率放大器工作原理.pdf

电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期104104-107,111.6HUDQ.Workirorinciple of RFpower amplifier for DX-200 medium wave transmitterJJj.Video Engineering,2023,47文献引用格式：胡东奇.DX-200中波发射机射频功率放大器工作原理 J.电视技术，2 0 2 3，47（6）：10 4-10 7，111.ideoEngineeringROADCASTRANSMISSION播与传输中图分类号：TN838文献标识码：AD0I:10.16280/j.videoe.2023.06.027DX-200中波发射机射频功率放大器工作原理胡东奇（河南广播电视台10 4台，河南郑州450000)摘要：数字化调幅发射机由音频信号+直流信号+7 2 kHz超音频三角波产生复合信号，经过模数（A/D）转换，变化成12 bit的数字化信号，经过调制编码板编码后去控制2 2 4个射频放大器通断，产生调幅波。DX系列发射机的设计是积木化的，各种型号发射机的不同之处在于射频功率放大器模块的总数和单块模块的输出功率不同，从而可以产生出不同的功率等级。基于此，以DX-200数字化中波发射机为例，介绍射频功率放大器的工作原理。对于其他功率等级的发射机，可以举一反三。关键词：射频功率放大器；调制器；场效应管Working Principle of RF Power Amplifier for DX-200 Medium Wave TransmitterHU Dongqi(Henan Radio and Television Station 104,Zhengzhou 450000,China)Abstract:The digital amplitude modulation transmitter generates a composite signal from audio signal,DC signal,and 72 kHz superaudio triangle wave.After Analog-to-Digital(A/D)conversion,it is transformed into a 12 bit digital signal.After being encoded by amodulation encoding board,it controls the on-off of 224 RF amplifiers to generate amplitude modulation waves.The design of the DXseries transmitter is modular,and the difference between different models of transmitters lies in the total number of RF power amplifiermodules and the output power of individual modules,which can generate different power levels.Based on this,this article takes the DX-200 digital medium wave transmitter as an example to introduce the working principle of RF power amplifier.For transmitters of otherpower levels,we can draw inferences from one example.Keywords:RF power amplifier;modulator;field-effect transistor0引言DX-200数字化调幅发射机取消了传统的低音频前级高电平音频放大级，从模拟输人板过来的复合音频信号，经过模数（A/D）转换板变换成12 bit的数字化音频信号，输入7 块调制编码板编码后，产生2 2 4个开关控制信号，来控制2 2 4个射频放大器的开通与关断，在高频末级产生高电平的调幅波，把主整、调制器、射频放大器三者合一，是整机性的脉冲阶梯调制。该机由2 2 0 个大台阶功放模块和4个小台阶功放模块共同组成。大台阶功放模块是等压阶梯的射频电压，小台阶功放模块是为了减小量化误差设置的补偿小台阶射频电压。两者结构相同。1概述DX-200发射机共使用了2 39 块射频功率放大器，结构相同，都由MOSFET开关、射频激励变压器、栅极控制电路、电缆联锁和保险故障检测电路、功放冷却5部分组成 2 ,如图1所示。射频功率放大器所用的MOSFET开关均为增强型，型号是IRFP360，工作于D类开关状态。射频功率放大器主要由8 只MOSFET组成作者简介：胡东奇（19 7 7 一），男，本科，工程师，研究方向为数字化中波发射机、天线调配网络。电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期105ideo EngineeringBROADCASTING&TRANSmISSION广播与传输电缆联锁/保险故障检测信号到调制编码板F1F2保险开路检测1800保险开路MOSFETMOSFET保险开路检测05/Q7Q6/Q8检测F3射频激励合成变压器射频激励F4变压器初级变压器00180MOSFETMOSFETQ1/Q3Q2/Q4来自调制编码板的通断控制信号控制开关控制开关信号信号图1射频功率放大器简图四个桥臂，类似于H型电桥。每个桥臂用两只MOSEET管并联构成D类开关，即每两个MOSFET管子的相同管脚并联在一起，当作一个管子来使用，目的是增大输出功率和耐压性 3。电桥左上臂Q5/Q7和右下臂Q2/Q4的场效应管工作时的栅极射频激励信号同相位，图1中标示为18 0；电桥右上臂Q6/Q8和左下臂Q1/Q3的场效应管工作时的栅极射频激励信号同相位，图1中标示为0。当栅极激励信号在正半周时，Q1/Q3导通，Q6/Q8受调制编码板来的开关信号控制也导通，即Q1/Q3和Q6/Q8串联导通。这时，射频功率放大器输出的电压为电源电压+2 50 V，并以磁环合成变压器为负载。该电压几乎都降落在磁环合成变压器的初级。由于变压器的耦合作用且变压器的匝比是1：1,因此，次级耦合输出一个+2 50 V的方波信号，其电流方向就是电压降的方向，即左正右负。当栅极激励信号在负半周时，Q1/Q3和Q6/Q8由导通转变为截止，Q2/Q4由截止转变为导通，Q5/Q7受调制编码板来的开关信号控制也导通，即Q2/Q4和Q5/Q7串联导通。同理，输出一个电源电压+2 50 V，其电流方向就是右正左负。由于合成变压器初级的电流在激励信号的正负半周是反向的，变压器没有直流磁化，隔直流电容器上也没有直流电位差，这样在负载上就可以得到幅值为2 倍于电源电压的双极性方波输出信号，通过功率合成器合成后输出到发射机的输出网络，经过带通滤波后，输出高电平的已调波信号，送到天线上发射出去。2射频功率放大器工作原理下面以DX-200数字化中波发射机为例，详细介绍射频功率放大器的工作原理。射频功率放大器电路如图2 所示，其中标识了部分关键电路，以下内容将针对这些关键电路展开。2.1射频功率放大器中的MOSFET管MOSFET管的电路如图2 中的标识1所示。射频功率放大器中的MOSFET管是绝缘栅型场效应管器件，它是一种利用电压控制电流的器件，工作于D类开关状态,开关频率是载波频率 4。DX-200DAM发射机使用的MOSFET管全部为N沟道增强型绝缘栅型场效应管。当Ups0且Ucs0，场效应管饱和导通，相当于开关合上；当Ucs0，场效应管截止，相当于开关断开。MOSFET管结构一样，可以任意调换位置，便于维护2.2激励变压器的工作原理激励变压器的电路如图2 中的标识2 所示。每个射频功率放大器上有两个激励变压器，分别为电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）106技市ideoEngineeringBF广播与传输ROADCASTING&TRANSMISSION播与传输F45保险检测电路P1-53X12AP1-54X44-50VPPC9CR19CR17CR18CR206电缆联锁电路OVP1-49XRFDRIVER20R19+C11P1-50XTC12F3R282AC10口R27R1DS2R2F2P1-35R31RED-8ACR25P1-36F10S1P1-378AREDCR11CR12C4P1-38C23+C1R11P1-32XR12P1-31P1-30P1-29XTP1TP2SECTIONBP1-4P1-26B部分之P1-3P1-25P1-2P1-247P1-1P1-23SECTIONAP1-10A部分Q5ci5180P1-9Y0Q67P1-87P1-7TP4R5Q7Q8R6TP37CR3CR4*T101MOSTET管T2Q3Q46R103射频激励R7L13L5Q2L2R8信号电路R9R3R41809C5*C7CR2C8折CR+C6CR21CR8CR22CR9R134CR7R14CR10?R15R16口CR15本Q10本CR162激励变压器Q9DS3C13GRN+C14Q18R25R26C16R18CR5Q13Q11*C21Q12Q14C22+CR16R30P1-45R17R29JR23R221R24L11P1-46P1-47P1-484栅极控制信号电路图2射频功率放大器原理图T1，T 2。它们的初级分别通过一对等长的射频同轴电缆，一端与射频分配板连接，一端通过功率合成母板，把幅度大约为2 3Vp-p的两个等幅度、同相位的载波激励信号分别送给两个激励变压器的初级。激励变压器的次级由两对同名端呈反相、匝比相同的绕组组成，其目的是使输出的激励信号的幅度相同，相位相差18 0。激励变压器次级耦合出的载波激励信号，分别送到8 个MOSFET管的栅极，作为MOSFET管的导通与断开信号。导通与断开信号的频率就是发射机的载波频率 52.3射频激励信号的工作原理射频激励信号的电路如图2 中的标识3所示。射频激励信号的输人来自发射机功放右柜的射频分配板。射频分配板上共引出448 个激励信号，即224对等幅度、同相位的激励信号来控制2 2 4个射频功率放大器的通断。该信号分别输人到合成母板的第49/50 和53/54脚，当功放模块插人合成母板后，正好与模块上的P1-49/50和P1-53/54端子连通，一个等幅同相的激励信号就送人激励变压器T1和T2的初级，这样可以方便实现2 39 块模块的互换。与变压器初级并联的L1，L 3，L 5，R 7，R 9（或L2，L 4，L 6，R 8，R 10）器件，一起用于展宽输人电路的频带，使得在中波广播的整个频段内无须改变元件的参数，不用微调，就可以使发射机都能正常工作。射频激励信号输人激励变压器的初级，经过耦合后，在变压器的次级得到两个等幅反相的激电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）107（下转第111页）BOAOCSMISSION电视技ideo Engineering播与传输励信号，从而使A，B两半桥上的激励变压器次级连接的MOSFET管的栅极激励信号也是等幅反相的。Q1/Q3的源极与Q5/Q7的漏极相连，Q2/Q4的源极与Q6/Q8的漏极相连。这两个连接点都处于高电位，是上桥臂MOSFET栅极激励信号的参考点。上桥臂MOSFET栅极的控制信号取决于射频激励信号，即正栅压超过开启电压时场效应管饱和导电，正栅压小于开启电压时场效应管截止。下桥臂MOSFET极激励信号以其源极即地为参考点。这个参考点对其栅极激励信号来说，下桥臂MOSFET的射频激励信号要受栅极控制电路的控制，即相应的场效应管受射频激励信号和通断控制信号的双重控制。2.4栅极控制电路的工作原理2.4.1栅极控制电路的导通工作原理栅极控制电路如图2 中的标识4所示。射频功率放大器的开/关控制信号是由7 块调制编码板共同产生的，用它来决定开通或关断多少个模块，从而产生随音频调制信号变化的已调波。当调制编码板输人来的控制信号为低电平时，功放桥就开通，幅度大约为2 3Vp-p的等幅、反相的两路正弦激励信号分别加到MOS管Q1/Q3，Q 6/Q 8 的栅极，一个等幅反相的激励信号到来时，功率放大器的上、下两个功率MOS管轮流饱和导通，于是一个在供电电压和地电位之间变化的方波信号就从上、下MOS管的源、漏极连接点轮流输出，输出电压为+2 50 V。背靠背齐纳二极管CR1，C R 2，C R 3，C R 4的作用是限制输入到MOS管的栅压幅度，保护MOS管免受栅极过压或瞬态电压的冲击而损坏。当来自调制编码板的开通信号随调制度为一个负的控制信号（约-5-2 V）时，将会使PNP晶体管Q11和Q13饱和导通，基本是一个短路电路，同时NPN晶体管Q9将为截止状态，基本是一个开路电路，相当于将一个地加在了T1次级绕组，也就是将激励信号加到Q5和Q7上，当开关信号的电平为正时，Q5和Q7接通。这时，CR7和CR9将正的栅极激励信号整流，使指示灯DS3变为绿色，说明模块处于导通状态。2.4.2栅极控制电路的截止工作原理来自调制编码器的一个大约为+4.5V的信号，使三极管Q11，Q 13截止，使Q9饱和导通，通过射极接地，电路呈短路状态，MOS管Q5和Q7的栅极激励电压就由饱和导通的Q9通过CR7和CR9被钳位在二极管的压降上。这时，控制MOS管导通所需的正的激励信号电压（相当于源极为+2+4V）被去掉，因此，MOS失去栅极信号，相当于模块被关断。2.5电源保险故障检测电路的工作原理电源保险故障检测电路如图2 中的标识5所示。来自电源变压柜的整流后的2 50 V（二进制12 5V电压)到端子P1-26，P1-32，分别为Q1，Q 2，Q 3，Q4的漏极供电，元件R1，R 2，R 11，R 12，C R 11，CR12，D S1，D S2 构成了电源保险检测电路。正常时，DS1，D S2 发光管被保险F1，F2 短路，因此不发光，也使R11，R 12 承受了全部的电源电压；CR11，C R 12 保证正常时2 50 V电源电压使CR11，CR12的负极电压高于来自调制编码板的约15V的正极电压，因此就无电流（既无故障信号）经R31去调制编码板的故障比较器U34了。当F1或F2开路，发光管DS1，D S2 亮，2 50 V（二进制12 5V）的电压就经R1和R11分压，使相应的CR11或CR12的正极高于分压后的负极电压，CR11或CR12导通。此时，位于调制编码板的故障电路检测到了比正常时低的电平信号，从而使发射机面板上的FUSE（保险故障)亮红灯，显示出有射频功率放大器保险故障。2.6电缆联锁电路的工作原理电缆联锁电路如图2 中的标识6 所示。电缆联锁电路的作用是检测调制编码板和功放合成器/合成母板间的连接电缆是否接上，检测射频放大模块是否到位。当一块放大器牢固地插人插槽时，放大器连接端子35/36 脚之间、37/38 脚之间被连接上，4个调制编码器连接端子中的每个9 脚将经过连接软线、放大器、连接端子把电路环接起来，并经过一个很低的电阻返回到10 脚。如果某块放大器没插到位或者接触不良，9 脚和10 脚就处于开路状态，用于检测发射机上的各个电路板与调制编码板间的连接电缆是否接通，也就是检测各个电路板上的+5V电源是否正常。以上检测电路一旦出现异常，发射机面板上就会显示出“电缆联锁”故障，发射机不能上高压。2.7射频功率放大器的冷却DX-200数字化调幅发射机的冷却采用风冷系统。4个功放柜各安装3台3/4马力的风机，这样可以使风机进来的冷却风直接吹到功放放大器上。出风口在机柜的上面，风路采用闭环方式，冷却风电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）编辑：张玉聪（上接第10 7 页）S编辑：张玉聪ideo EngineeringBROADCASTING&TRANS传输广播与传输人员自身安全，同时还能保障台站设备平稳安全运行。因此，为了提升雷电防护技术手段，发射台站需要加强开展雷电防护工作。只有这样，才能稳定提升设备工作质量和运行效率。结合日常雷雨保障和本次防雷整改工作，本文提出以下几点防雷工作建议，以期更好地提升防雷水平（1）根据广播中波发射台所处地区的气候特点，确定实际应满足的雷电防护等级。对于不同的发射台，雷电防护要求是不同的。进行防雷系统设计时，需要将此因素考虑进去。（2）建立防雷设施的日常检查维护制度，将对防雷设施的维护纳人日常工作中。发生雷击事故后，技术人员应及时进行调查，详细分析事故的原因，评估雷电造成的损失，进行必要的整改。（3）除常规巡查检查外，还需未雨绸缪，委托具备资质的专业防雷公司在每年雷雨季节到来前对所属的防雷设施进行系统的全面维护检查，发现问题并及时进行整改。7结语做好防雷防护工作，能够保障广电设备的安全不在机箱内循环，从出风口直接把射频功率放大器产生的热量带出机箱，从而使机箱内的温度始终保持在一个恒定的范围。“风流量”和“温度”监测电路共同组成了射频功率放大器和整机的温度监测系统，用于发射机工作时射频功率放大器的温度监测。工作过程中，由于某种原因造成功放温度过高、风量减小、进出风口受阻等异态时，传感器就向所在功放柜内的调制编码板上的温度监测逻辑电路发出高电平信号，产生“放大器温度故障”或者“风流量衰减故障”或者“风流量故障”。任一故障状态都会使发射机降功率运行，严重时使发射机自动关机，从而保护发射机的安全。3结语射频功率放大器关乎着发射机能否高质量、不间断、既经济、又安全的工作。广播发送技术维护人员必须熟悉、掌握射频功率放大器的工作原理，运行。雷电防护是一项综合性强的系统工程。因此，针对存在的问题，需要配合有资质的防雷机构做好设施的维护和整改，并在日常工作中对防雷设施进行规范化、精细化的管理，最大限度地降低被保护物遭到雷击的可能性。本次避雷设施改造建设大大提高了中波发射台站的抗雷击能力，保障雷雨季节发射机安全运行，对安全播出提供更好的保障，降低了中波广播停播率。参考文献：1 覃伟明.曾嘉宇.吴松杰.气象防雷技术未来发展前景研究 J.农业与技术，2 0 18，30（18）：2 2 9.2胡俊青.电视台高山台站防雷设计与分析 .山西科技，2019,16(2):142-144.3胡宁博.中波发射机系统的整体防雷策略与改造措施研究 J.电子制作，2 0 14（9)：17 4.4中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑物防雷设计规范：GB500572010S.北京：中国计划出版社，2 0 10.5 高卫.避雷针（线)保护范围的计算 .山东工业技术，2017(5):246.才能在功率放大器出现故障的时候快速、准确地判断故障位置，分析故障原因，及时处理故障，确保射频功率放大器可靠、稳定、高效地运行，真正实现安全优质播出。参考文献：1李栋，黑勇.DX-200数字调幅发射机工作原理（上)JJ.中国新闻科技，19 9 9（7）：11-15.2张建安.全固态中波发送系统的维护与调整 M.厦门：厦门工业大学出版社，2 0 0 7.3应毓海，袁长斌.中、短波调幅广播发射实用技术 M.北京：中国广播影视出版社，2 0 13.4 杨帆.DX-200数字式中波发射机检测电路设计 J.电子测试,2 0 15(13):1-2.5 曾兴雯，陈建，刘乃安.高频电子线路辅导 M.西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 0.