全固态广播发射机功率合成与失配分析

储德寅，周 宏

(1.商洛广播电视台，陕西 商洛 726000；2.镇安县永乐广播电视服务站，陕西 商洛 711500)

随着大功率场效应管技术的不断发展，广播电视传输发射领域已经快速淘汰了电子管发射机，全固态发射机在中短波、调频、电视发射机中得到了广泛的应用，普遍采用功率合成的方法将多个功率放大模块的输出功率合成到额定功率。若一个或多个功放出现故障，就会导致发射机输出功率大为降低，影响广播电视节目覆盖效果。为了更好地研究发射机功率合成方法及对输出功率的研究，本文以哈尔滨广播器材有限公司生产的10 kW DX中波广播发射机为例，分析多级放大器功率合成方式和不同调制下发射机输出功率情况。

1 功率合成原理及分析

哈广的10 kW中波广播发射机采用A/D转换将音频信号转换为12 bit音频数字流，经调制编码输出控制48个功放的打开与关闭[1]，在功率合成器上合成含音频包络的载频输出功率,通过匹配网络送到发射天线。高6位数据控制的42个大台阶功放和低6位数据控制的6个二进制小台阶功放的输出变压器初级，套在次级等效为圈数1匝的功率合成铜棒上，输出变压器初次级匝比为18∶1。功率合成示意图如图1所示。

图1 功率合成示意图

2 功放缺损与输出功率的关系

2.1 短路缺损

当某功放的功放管击穿时，不再产生载频电压，无故障功放输出的载频电压振幅不变，功放输出变压器次级功率合成器上的叠加电压为:UL=(N-n)·U1/K。式中，N是打开的功放数,n是损坏功放数，U1是每个打开功放输出变压器初级线圈上的载频基波电压有效值,K是变压器初级匝数。

次级输出合成功率：

(1)

功放短路缺损时，还会引起功放输出变压器初次级阻抗的变化。当n个功放短路缺损时，每个打开功放输出变压器次级的阻抗由RL/N变为RL/(N-n)，初级阻抗为R0·N/(N-n)(R0是没缺损时的功放输出阻抗)。

(2)

由式(2)可见:出现短路缺损时，每个功放的初级阻抗升高为R0·N/(N-n)，次级阻抗升高为RL·N/(N-n)，阻抗升高使每个功放输出的合成功率减小。

2.2 开路缺损

当功放出现开路缺损时，初级回路断开，使次级串联功率合成器的等效阻抗为无穷大，没有电流输出，发射机输出功率为零。功放在初级开路缺损瞬间，次级流过的电流(其他打开功放的电流)在开路的初级线圈上产生很高的感应电压，将击坏该功放初级线圈的磁芯和场效应管，还会造成相邻功放的损坏，在工作中应避免。该机在48个功放中都设置了功放连锁电路，不允许在工作时拔出任何一个功放单元。当功放的场效应管击穿损坏时，不能取下损坏的场效应管。

3 简捷计算公式

3.1 计算打开大台阶功放的输出电阻R0和输出功率：

R0=RL·K2/N.

(3)

式(3)中：K为匝比，N为开通功放数，RL为合成铜棒次级电阻(4 Ω左右)。

假若打开18个大台阶功放，每个大台阶功放的输出电阻R0=4 Ω×182(匝比)/18(个功放)=72 Ω

在次级铜棒上合成载频功率为(11.5 V×18个大台阶)2/4 Ω=10.7 kW，或595 W×18，功率合成器上功率为10 kW是忽略了功放和功率合成器的损耗，实际上是略大于10 kW。不同的发射频率损耗不一样，略有差别，经带通滤波输出的载频功率是10 kW。

3.2 调制度m为不同值时导通功放的计算

根据载频功率10 kW时打开18个大台阶功放，计算最大调制度

mmax=(Nmax-18)/18=(42.98-18)/18≈1.39.

(4)

当最大调制度mmax=1.39时，功率合成器输出最大峰值功率61 kW，打开大台阶功放42+1/2+1/4+1/8+1/16+1/32+1/64=42.98个，计算调制度m为任何值时打开的大台阶功放数。

Pmax=(1+mma)2·P载=

(1+1.39)2×10.7 kpW=61 kW.

(5)

(6)

(7)

若调制度mmax=0.5时，功率合成器输出载频和调幅功率24 kW,(按功率合成器输出载频功率10.7 kW计算)，打开大台阶功放27个。

根据以上公式计算不同m值时导通功放数见表1。

表1 不同m值时导通功放数

若用前述方法计算打开1个大台阶功放时，功率合成器输出载频功率33 W，随着打开功放数的增加，叠加的电压按打开功放个数同比增加，每个功放的输出阻抗也随着打开功放数的增加而同比下降，每个功放输出的电流也同比增加，打开功放数的平方与33 W的乘积就是实际的输出功率，这样计算更简单。如打开2个大台阶功放时，输出功率是22×33 W=132 W；打开5个大台阶功放时，输出功率是52×33 W=825 W；打开42.98个大台阶功放时，输出功率是61 kW。

4 结论

通过对发射机功率合成与失配的调制度和输出功率分析，得到计算简便公式，很容易计算出任何载频功率和不同调制度时打开的功放个数，或打开不同的功放数时输出的载频功率和调制音频包络功率，便于分析和检修故障。采用降低功率判断功放是否工作的方法很容易计算出任何一个故障功放，而且十分简单、便捷。