小型高效一体化大功率调频广播发射机的设计与实现

王洪玖

（作者单位：杭州众传数字设备有限公司）

2010年以来，AMPLEON和NXP分别推出了BLF18系列与MRFE6VP系列功放管，单管输出从300 W、600 W发展到1 200 W、1 500 W甚至1 800 W等更高的功率等级，封装从BeO陶瓷变为环保塑封。使用ADS软件，功放模块的输入输出阻抗变换巴伦实现了全微带化设计，附着在铜基板上的功放模块一致性、可靠性、易维护等性能都得到了很大提升。因此，设计小型高效一体化大功率发射机成为可能。

1 功放管的选型

功放管的选型是发射机设计的首要问题，关系到整机的功率分配合成方式、机箱布局体积、效率、可靠性等。各种功率等级功放管的性能参数[1-2]如表1所示。

表1 各种功率等级功放管的性能参数

确定设计目标为功率5 000 W，高度5U一体化发射机。其一，从设计目标功率5 000 W考虑，需要选择4只1 500 W等级或6只1 200 W等级管子进行功率合成。其二，从结构布局考虑，采用平面式布局较合理。其三，从合成方式考虑，采用两级合成方式比较合理。其四，从可靠性考虑，相对4只管子，使用6只功放管进行合成，单管功率低，热量分散，单管故障后不平衡功率小，降低了对平衡电阻功率的要求，整机效率虽然会有降低，但可靠性有一定的提高。其五，从制造成本和维护成本考虑，目前1 200 W等级的功放管价格在1 000元，1 500 W等级的管子在2 000元。最终，选择使用功放BLF188XR，价格适中，约为MRFX1K80H的1/2，使用6只，功率总额为7 200 W，如果使用4只MRFX1K80H，功率总额为7 200 W，价格高出30%。

2 设计概要

2.1 六路分配合成板

分配合成板的主要技术要求[3]：工作带宽要达到全带宽最优；输出端口相互隔离度不小于23 dB；各端口驻波比不大于1.15；各输出端口间相位差不大于2.5°；各输出端口插损不大于0.3 dB；满足额定功率。

功率分配合成有几种不同的类型[3]，每种都有其优势的带宽、隔离度、驻波比、插损等性能。按照合成相位的分类：理想的同相功率分配合成没有相移，输入端口之间的为0°关系，可偶数或奇数的组合输出，频率带宽范围为约25 MHz以内，常见的形式为威金森式、吉赛尔式；理想的反相功率分配合成相移为180°，两个输入端口之间相位相差180°，适用于2的指数倍数的合成路数（2，4，8等），频率带宽范围为约50 MHz以内，常见的形式为3 dB正交电桥式。

威金森型分配合成具有相对较窄的带宽特性，结构简单，工作频率可达2 GHz，由于采用1/4波长传输线实现，尺寸偏大。威金森同相功率合成器可实现N路的分配合成，其电路平面结构和驻波比特性如图1所示，通过端口间相互的隔离电阻，在87～108 MHz的频率范围两路合成可达到约23 dB以上的隔离度、0.2 dB的最大功率损耗；在±10%带宽内，3路合成可以实现小于1.30的驻波比，或2路合成实现小于1.15的驻波比，可较好地实现功率合成。

图1 N路分配合成器电路平面结构和驻波比特性

六路分配合成采用两级级联，分配板先进行三分配再两分配成六路，合成板采用先两路合成再三路合成输出。通过ADS仿真计算，实现了全带宽的设计。考虑到微带线通过的功率容量和插损[4]，在3路功率合成时选用3 mm厚的聚四氟乙烯板材带线宽带大于3 mm，可有效保证每路微带线的功率容量。通过图2的调频功放的热成像实例测试进行验证，在输出5 000 W功率时带线温度不超过75℃。采用整板镀金工艺，进口高频板材，保证产品的一致性，生产调试简单，同时，带宽宽、承受功率大、插损小，从而较大提高了整机效率。

2.2 低通滤波器

低通滤波器的设计采用切比雪夫原理[4]，结构为分布式电容与分布式电感的九阶低通滤波器。使用滤波器设计软件进行参数计算和仿真，设定型式为切比雪夫、低通、并联、波动系数0.05 dB，9阶、带宽115 MHz，输入输出阻抗50 Ω，计算结果如表2所示。

图2 调频功放热成像实例测试

表2 低通滤波器参数

图4 整机原理图

仿真结果：在87～108 MHz范围内，插入损耗0 dB(理想情况下)、回波损耗≤-19.4、带外抑制（174 MHz）≤-50.82 dB

从大功率的使用要求考虑，降低插损是首要考虑的问题。没有采用通常的圆铜线或扁铜线绕成空心螺旋线圈，从微带电感上受到启发，设计了折线式分布参数电感，经过对使用的金属材料的甄选、涂覆工艺的保证、精密模具的加工调试和反复的性能试验测试，得到了一定外形尺寸下的比较精确的电感值。实物见图3，经过调试，在87～108 MHz范围内，插入损耗低≤-0.2 dB、驻波比≤1.25（回波损耗≤-20 dB）、带外抑制≤-45 dB，实测承受功率大≥5 kW，从而较大提高整机效率，满足了设计要求和使用要求，获得了较高的性能指标和良好的热稳定性，保证了发射机的谐波辐射优于国标要求。

图3 低通滤波器实物图

2.3 开关电源选型

开关电源的故障率相对较高，我们选用四只品牌高效开关电源，组成的N+1供电组的输出功率可以达到12 000 W，实际使用功率约7 000 W，电源输出功率的冗余量约70%。整流模块适应-40～+75℃；电源工作效率高达96.2%；标准安装结构和热插拔设计，高功率密度，电源模块及安装机架体积小、1U高度；率因素校正为0.995；CAN 接口，自动均流；完善的保护功能（过压、过流、过温、短路及防雷）；支持热插拔，N+1冗余，维护方便；具有前面板LED指示；具有ROSH6、UL、CSA、VDE、CE等相关认证；内置两只大风量智能散热风扇，支持风扇的变速功能。

3 整机简介

小型高效一体化大功率调频发射机的整机原理如图4所示。

整机由激励、100 W推动功放、5 000 W末级功放、主控、电控、冷却等6个功能单元组成。整机结构上采用正反两面布局，按照功能不同，正面为5 000 W末级功放单元，反面为激励、100 W推动功放、冷却、主控、电控等单元。各个功能单元模块化设计放置在正反两个独立的机箱内，具有结构简单、整体性强的优点。激励单元采用DSP+DDS的数字调制板，指标高，接口完备。100 W推动功放单元采用NXP公司高增益抗高驻波比抗静电的塑封管，两级放大，全微带输入输出阻抗变化，电路简洁，可靠性高。主控单元采用24064液晶屏作显示页面简洁明了；实时检测功放状态和告警信号便于远程监控和控制；故障下功率自动控制和自动保护功能。电控单元配置大容量空气开关、B1级避雷器保护系统。冷却单元使用三只并联冗余强迫风冷冷却方式，风机寿命达10万小时，风量大噪声低、冷却效果好，一只风机故障可以保证发射机正常工作。整机进风防尘设计，延长风机寿命，维护方便。机箱采用高光洁不锈钢板，高精度数控加工成型，整体结构性能优良。

4 结语

采用6只BLF188XR功放管设计的5 000 W调频广播发射机具有小型化、高效率、一体化、模块化、数字化、可靠性高等优点，经过广电总局规划院检测中心测试，主要技术组指标：输出功率5 000 W连续可调；射频效率75%；残波辐射＜-70 dB；频率响应＜±0.1 dB；左右声道电平差＜0.1 dB；立体声分离度≥60 dB；立体声信噪比≥80 dB；失真度＜0.1%，完全满足入网标准要求。