可进行数字/模拟调频信号放大的功放模块技术分析

王 毅，卢伟权，吴海良

海峡之声广播电台，福建福州 350012

0 引言

DAB(数字音频广播)已经在近36个国家得到广泛使用，英国和欧州的一些国家覆盖率已经达到非常高的水平，目前全球共有超过5亿人能够收听数字广播。在去年我国又通过了调频频段数字音频广播技术（CDR）标准，表明我国的数字广播发展从战略规划和准备阶段，正式转入战略实施阶段。

为适应广播发展趋势，我台于2013年初购 置国内首台美国哈里斯新型调频发射机FAX 10K。该发射机可以工作在FM(模拟)、FM+HD（混合）、HD（数字）三种模式，既满足当前模拟调频广播发射的需求，也为以后向数字广播过渡乃至数字广播提供了解决方案。本文主要对其核心功放模块进行研究，着重分析了不同工作模式的具体实现方法以及功放设计中的一些先进理念。

1 功放模块

FAX 10K发射机功放模块主要由射频放大电路、控制电路、监测保护电路、散热器组成。下文主要对射频放大电路、控制电路以及该功放其它的一些先进设计理念进行分析。

1.1 射频放大电路

每个功放模块的射频放大电路由两个电路相同但相互独立的放大单元“A”和“B”构成。每个单元均使用一个型号为MRFE6VP61K25H的LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）管进行放大，该管额定输出功率为800W（最大1250W），效率高达75%。与传统晶体管相比，这种新型的放大管在增益、线性度、开关性能、散热性能等方面优势很明显，并可在高于双极型晶体管3倍驻波比的高反射功率状态下运行。

图1 射频放大单元原理图

射频放大单元原理如上图1所示，与一般功放电路类似，RF信号由电路板引脚输入，通过3dB耦合器一分为二，经耦合、阻抗匹配后供给放大管Q1栅极放大，后经阻抗匹配、功率合成、滤波后输出。

1.2 功放控制电路

功放控制电路主要完成以下二个功能：一是控制放大单元的开关；二是按发射机运行模式调整功放管的放大状态。当发射机工作在FM模式时，放大管工作在C类放大状态，此时放大效率最高；当处于HD或FM+HD模式时，放大管工作在AB类放大状态，这样就可以更好的满足数字信号线性放大的需要，失真最小。

图2 放大管工作状态控制电路

放大管工作状态控制电路如上图2所示，放大管工作状态主要是通过调整放大管的栅极偏置电压VG来实现的。为确保放大管工作状态稳定，该电路采用热敏电阻RT1、电阻R8、电阻R36进行温度补偿。

1.2.1 功放开/关

功放控制信号主要对晶体管Q5进行控制。当PA ON CTL（功放控制信号）为开时，将-5V送至Q5栅极使其截止，此时VG由+12V分压电路决定。根据工作模式的不同从而选择不同的电压，使放大管工作在需要的状态。当功放控制信号为关时，将0V送至Q5栅极使其导通，此时VG电压为-5VDC，放大管截止。

1.2.2 功放AB类放大

当机器运行在FM+HD或HD模式下时，BIAS_MODE（偏置模式）信号将+5V送至晶体管Q4栅极使其导通，从而将地送给晶体管Q3的栅极使其截止。则此时VG由电阻R40、电阻R103、电阻R38组成的分压电路和温度补偿电路决定。经实测，正常工作时VG约为+2.64V。

1.2.3 功放C类放大

当机器运行在FM模式下，BIAS_MODE信号将0V送至Q4栅极使其截止。此时+12VDC经电阻R28、电阻R48分压后送至Q3栅极使其导通。此时在原有AB类放大状态控制电路起作用的基础上，由电阻R104、二极管CR22、电阻R109组成的分压电路进一步对VG电压进行调整。经实测，正常工作时VG为+2.24V。

图中ANALOG_ALC（模拟自动增益控制）信号主要用来实现发射机自动功率控制，且仅在C类放大状态下起作用。因功放模块与中功放模块是完全一 致的，当其作为中功放模块使用时，发射机可以通过调节中功放模块的输出功率来实现整机功率控制。此时，ANALOG_ALC信号会根据需要在-5V至0V之间调整，从而实现对中功放放大管的增益的改变。

1.3 故障保护电路

每个功放模块中还集成了相应的监测和故障保护电路，可以实时的对功放模块的输入功率、驻波比、功放电压、功放电流、散热器温度进行监测，当功放发生异常时，可立即对其进行封锁保护。此外，功放内每个放大单元还提供直观的LED状态指示灯，当发生故障时LED指示灯会由绿色变为红色，方便维护人员进行故障判断。

1.4 “热插拔”防电弧设计

该功放模块支持“热插拔”，并设计有防电弧电路，可以有效减少因插拔造成设备损坏的可能。如下图3功放实物图所示，其左端为该功放输入输出端子，从图中可以看到其金手指的长度是不一致的。射频及信号输入、输出端子的金手指较长，这样可以在插入时先进行良好的接触；而电源金手指较短，且串联三个10欧姆的电阻，这样插入时就可以实现其它端子良好接触后再进行供电，并有效限制了插入和拔出时的瞬时电流，阻止了电弧的产生，保证了设备安全。

2 功放模块的维护

功放模块作为发射机的重要组成部分，是进行射频功率的放大基本单元，也是维护的重点。日常工作中，要注意监测其运行参数的变化，通过对比功放模块的温度、电压、电流等来判断否存在异常。

此外，还应定期对功放进行清洁维护。由于该功放采用风冷，内部易积灰，严重时会造成放大电路短路，并影响散热效果，缩短了功放的使用寿命。在维护时，应使用毛刷、吹气机、吸尘器等对电路板和散热片进行清洁。对于模块的镀金引脚应使用99%的纯酒精进行清洁，因为橡皮擦或通用的清洁剂会损坏镀金层引脚。清洁后，应将功放模块循环插拔两三次，使引脚与插槽接触更加良好。

图3 功放实物图

3 结论

自FAX 10K发射机于2013年1月投入使用以来，该发射机功放模块运行稳定，在多次突然断电及雷击中均未出现异常，其理论平均无故障时间更是高达600000小时。其高效的能量转化效率，直观便捷的故障判断及处理方式，先进的设计理念与技术均具有很好的参考和借鉴意义。因作者水平有限，文中的不当之处还请批评指正。

[1] Freescale Semiconductor， MRFE6VP61K25H[EB/CD] http://pdf1.alldatasheetcn.com/datasheet-pdf/view/535488/FREESCALE/MRFE6VP61K25HR5.html， 2013-03-04/2014-9-21.

[2] Harris Corporation， Platinum Z10 CD™ FM Transmitter Manual [z]America， Harris Corporation，2003.

[3] Harris Corporation， TECHNICAL MANUAL Flexiva™FAX 5/10/20/30/40K Transmitter Series[z]America，Harris Corporation，2012.