全固态调频发射机易损功放管的原因及解决办法

代 伟 许 功

（安徽广播电视台 阜阳插花发射台，安徽 阜阳 236000）

我台用于转播中央人民广播电台第二套节目的发射机是广东金意公司产的TXSM3000A 型全固态调频发射机，该机从正式播出以来距今差不多已经连续运转超五年了。该机的基本原理框图如图1 所示，所需转播的音频信号首先进入250W 激励器完成调制、变频、功率放大，从激励器输出一定量值的射频功率信号到功率二分配器，通过功率二分配得到两路相同的功率信号再分别送入相应的1500W 功放模块进行额定功率放大后，相应得到两路1500W 功率信号，这两路1500W 功率信号。

图1

最后进入Gysel 功率合成器完成总功率的合成后输出到天馈系统；该机采用微处理器技术、总线控制技术等，有一套较为完善的控制、保护系统，在发生过压、过流、过激励、功率不平衡、反射过大等情况时机器自身能迅速动作，采取相应措施保护机器和操作人员的安全。总体来看，这部发射机具有技术较为先进、结构简单、维护方便等特点，但从维护纪录来看，在已经过去的几年里，该机却共发生大大小小的故障不下十余次，平均每年都有一到两次故障发生，和我台其他几部全固态调频发射机相比，故障率是偏高了。该机最近一次故障现象是在激励功率不变的情况下整机输出功率大幅减小，经查是第二块1500W 功放模块中的第1、3 两块300W 放大器中的核心元件——场效应管MRF151G 损坏所至。在这次检修过程中，通过对该机历史故障维护纪录比对后，发现只要是在激励功率不变的情况下整机输出功率大幅减小的故障都具有以下若干共同点：

图2

（1）通常有一至两只或更多场效应管MRF151G 损坏。

（2）损坏的场效应管都发生在第二块1500W 功放模块内，在场效应管损坏的同时还会有功放模块内的末级Gysel 功率合成器中对应着的50Ω/250W 吸收负载开路。

（3）这种相同故障发生多次，发生时间基本上都是在每年天气较热的夏季。

我们把以上几点共同点串起来，然后再仔细思考一下，我们就会产生很多疑问，特别是作为放大器的核心器件——场效应管MRF151G 只要其输入、输出回来阻抗匹配，工作电压、温度和激励功率在正常工作范围，其寿命基本上是半永久性的，像这样相对频繁地损坏管子肯定不是偶然的突发现象，而是存在着可以导致管子损坏的不明的潜在故障点。本机共两块1500W 功放模块，这两块模块内部结构及电路应完全相同，每块都是由六块以MRF151G 管为核心的300W 放大器并联互为冗余工作，其工作原理框图如图2 所示，由前面二功分器来的功率信号先进入同相三分配器，得到三路同相等幅的信号，然后再分别通过一个3db 正交分配器后，得到两两正交、共计六路等幅的功率信号分别送入相应的由MRF15G 为核心的功率放大器进行额定的功率放大后，得到六路约300W 左右的功率信号，然后再通过相应的3db 合成器两两合成输出三路约600w 的功率信号，这三路600W 功率信号再接入Gysel 合成器对应的C、E、H 点，通过Gysel合成器进行功率合成，得到1500w 或更高的合成功率由D 点输出，通过滤波器后进行。

功率输出至下一级。这两块1500w 功放模块内共有12 块以MRF151G 为核心的额定功率为300W 的放大器，这些放大器工作在宽带状态，工作频带覆盖整个调频波段，同时是工业化生产，即这12块放大器电路结构、参数是完全一样的，既然是一样的，为什么只有第二块1500W 功放模块内有MRF151G 损坏，而第一块内还没有出现这种现象呢？另外，在MRF151G 损坏的同时，为什么基本上都会有Gysel合成器中相应的吸收负载开路？（如第1、2 块300W 放大器这组中有一路MRF151G 烧毁，相应地接在Gysel 合成器中B 点对应的吸收负载也会开路。如图2）。这说明发射机两路1500W 功放模块内存在着不同点，又由于第一块1500W 模块没有出过这类故障，所以就要以这块模块作为标准参照，仔细检查第二块1500W模块和第一块模块在哪些地方有不同点，而这个不同点很有可能就是造成MRF151G 易损的根源。另外，还应把MRF151G 的损坏和Gysel合成器中相应的吸收负载的开路关联起来，那就要着重检查第二块1500W 功放模块末级的Gysel 合成器与第一块1500W 功放模块内的末级Gysel 合成器有无区别。本机的1500W 功放模块末级的Gysel 合成器是三路合成器，有三条支路，每条支路是由三段长度为λε/4、特性阻抗为50Ω、具有一定功率容量的传输线串联而成，如图2 所示，即AB=BC=CD=AF=FE=ED=AG=GH=HD=λε/4，其中CD、ED、HD 这三段采用的是微带线，其余的为同轴传输软线。C、E、H为三路同相等幅输入功率的接入点，理想状态下这三点是互相隔离；B、F、G 三点是吸收负载接入点，理想状态下在这三点上产生的合成功率应是为零的，但在实际应用中由C、E、H 接入的输入功率不可能完全相等或同相，那么在B、F、H 三点上就会有一定的、在允许范围内的合成功率出现，形成损耗功率并被相应的吸收负载吸收，从而不会对整体电路产生不利影响。结合故障中吸收负载开路的现象来思考，吸收负载之所以会开路，肯定是在其上消耗的功率相对过高、时间过长，从而使吸收负载过热，特别是夏季气温较高的季节，吸收负载就会更易变质到完全开路。当某一吸收负载开路后，在相应的吸收点上的合成功率便会沿着传输线反向输出至3db 合成器，这时的3db 合成器反向变成了分配器，输出两路等幅正交的功率信号至相应的两路300W 放大器的输出回路，这就相当于使相应的放大器核心器件MRF151G 工作于高驻波状态，从而造成MRF151G 的损坏。可见这部发射机第二1500W 功放模块易损MRF151G 的原因是Gysel 合成器中相应的吸收负载开路所致。吸收负载开路是在其上消耗了超出允许范围内的合成功率所致，也就是在B、F、H 这些吸收点上产生了超出正常范围的不平衡功率，这些功率的大小主要取决于输入功率的不平衡程度以及在吸收点上几路功率信号的相位是否反相或相位相差的程度来决定的，从本机实际工作情况来看，输入到Gysel 合成器的三路功率信号应是同相等幅的，即使幅度略有不同，它们的差别也应是在允许范围之内的，因为在1500W功放模块内的所有300W 放大器、3db 功率分配器和3db 功率合成器基本上是完全相同的，那么对在B、F、H 这些吸收点上不平衡功率的大小主要影响就只有剩下通过不同路径到达这些吸收点的功率信号的相位差偏离所需的180°太多因素所致。如果构成Gysel 合成器的λε/4 传输线的实际长度与理论上电磁波在传输线内传输时的波长的四分之一电长度相差太多，就会造成通过不同路径到达这些吸收点的功率信号的相位差偏离过多，这些功率信号在吸收点合成，由于它们相位不是反相，在进行矢量合成时就遵循平行四边形合成法则，就会在相应的吸收点上得到较大的功率信号，并消耗在吸收点所接的吸收负载上。正是基于这样的思路，着重比对检查第二块与第一块1500W功放模块内Gysel 合成器中的λε/4 同轴传输线的长度是否一致，经比对后发现第二块内的λε/4 同轴传输线AB、AF、AG 的长度比第一块内的相应位置的λε/4 同轴传输线多出近10 厘米。根据传输线理论可知，对于该机工作频率为103MHz 射频信号来说，经过这多出的近10CM 的传输线后相位就会偏离出允许范围，一如前面所述，最终在吸收点上得到较大的功率信号，并消耗在吸收点所接的吸收负载上，这些吸收负载如长期消耗较大功率并工作于较高温度的环境中，有可能在某一时间不堪重负而损坏，即而使前面的相应的300W 放大器工作于高驻波比状态，造成MRF151G 的损毁。

以第一块1500W 功放模块为标准参照，裁去第二块1500W 功放模块内Gysel 合成器中λε/4 同轴传输线AB、AF、AG 多出的部分，并重新焊接牢靠，检查无误后开机，在同样的激励下，第二块1500W 功放模块的总的输出功率比以前高出不少，说明无用的损耗减小了。通过这次处理后，这部发射机已经安然渡过炎热的夏季，走出了一到夏季就坏管子的怪圈。