10kW全固态短波机整机设计及安全性分析

唐贵斌

内蒙古自治区新闻出版广电局海拉尔548台 内蒙古 呼伦贝尔市021008

短波的主要传播途径是天波，载波频率在2.3-26.1MHz频段（HF）的广播，称为短波广播（SW）。电离层最高可反射40MHz的频率，最低可反射1.5MHz的频率。由北京北广科技公司生产的10kW全固态短波发射机充分利用了现阶段广播设备新技术，主要用于AM广播覆盖。如图一，10kW短波发射机方框图，它的组成主要由1个激励器、1个前置放大器、16个750W功率放大器、5个四分配器、5个四合成器、1个滤波器、4个开关电源和1个控制单元组成。

10kW全固态短波发射机结构上设计采用3个19＂标准机柜，单个机柜尺寸为606mm×1840mm×900mm（宽×高×深）。

每个机柜内功放单元插件全部标准化设计，可互换；每个功放单元内采用4只AMPLEON公 司LDMOS器 件BLF189XR，器件自身具有优越的抗高驻波比性能，可承受高驻波，抗毁性能更强，该设备在标准化、维修性、散热、报警、联锁保护等方面进行了针对性的改进设计。

1 10kW短波发射机整体设计

1.1 系统组成

10kW短波发射机主要由1个激励器、1个前级功放、16个750W功率放大器、5个四分配器、5个四合成器、1个滤波器、4个开关电源和1个控制单元组成。

每个750W功率放大器包括1个4分配器、4个200W功率模块、1个合成器、1个定向耦合器和1个控制监测单元组成。

根据试验单个BLF189XR功率模块在满足＜3%失真的条件载波功率50W，由此计算，BLF189XR模块增益为23dB，10kW功率（70dBm）所需推动功率为：70-23=47dB。所以前置放大器功率为50W，根据激励器所能提供的输出功率（15dBm）计 算：47-15=32dB，由此可得出前置放大器需用2级推动，末级采用BLF189XR（益为23dB）前 级 采 用2只PHA-202+（增益为15dB），2级可实现38dB增益，满足系统应用。

1.2 工作原理

1.2.1 射频链路

音频信号通过激励器调制输出已调波射频信号，输入到前级功放，由前级功放完成放大，由第一级1/4功率分配器分成4路，分配后的信号再通过第二级1/4功率分配器分成四路送到对应750W功率放大器单元，通过功放单元放大后，经过第一级4/1功率合成器合成为1路，输出功率2.8kW，再通过第二级4/1功率合成器合成为1路，输出大于11kW功率到滤波器，滤波后的功率经定向耦合器输出10kW功率。定向耦合器对射频输出进行入射和反射功率检测，并将检测到的信号输出至控制监测单元。

图1 10kW短波发射机方框图

1.2.2 供电链路

由外部送来的三相380V电源，经配电单元进电总开关后分成4路分别送给4个22kW开关电源，开关电源将三相380V输入变换为直流48V，4个22kW开关电源输出作为16个750W功率放大器单元的直流供电。开关电源采用冗余设计，有一个电源模块损坏时不影响整机输出。

1.2.3 控制链路

整机控制主要由控制监测单元和主控计算机完成，在前级功放、末级功放均设计有输入输出射频信号监测及功放电流、电压、温度等取样电路，在合成器及其输出端设计有射频信号监测及温度等取样电路，这些参数通过CAN总线传送至控制监测单元，以实现对整机状态各参数的监测，同时控制监测单元传送至主控计算机，由主控计算机在本地显示屏上显示整机工作状态及各项参数。电源具有遥控开关功能，主控计算机接收各级联锁信号以及本地或远程开关机指令，实现整机的本地及远程开关机控制及信息交互。

1.2.4 冷却系统

整机的功放及电源采用风冷散热方式。

2 关键技术分析

2.1 主要技术指标满足性设计分析

2.1.1 频率范围

频率范围：3MHz-26.1MHz。从功放管参数来确定选型，电路设计，整机电磁兼容性等方面满足3MHz-26.1MHz工作频率的要求。在3MHz-26.1MHz频段内，主要有BLF188XR、BLF189XR、MRF1K50H和MRFX1K80H几 种管型，经过几种管型的对比测试，从抗驻波能力，耐压性能，一致性等综合考虑选定BLF189XR，抗驻波比能力65:1，击穿电压达到了130V，满足工作需求。

2.1.2 谐波抑制度

谐波抑制度≤-60dBc。短波10kW发射机采用低通滤波器降低谐波功率，提升谐波抑制比。

2.1.3 输入接口

射频输入输出接口设计中的各接口均按照50Ω设计，输入接口采用N型头设计。

2.1.4 输出接口

同轴馈管，输出3-1/8英寸。射频输出接口采用同轴馈管设计，满足发射机输出接口要求。

2.1.5 冷却方式

采用风冷形式设计。

2.1.6 控制保护要求

可以显示各级功放工作状态，显示内容包括电压、电流、温度，P入、P反等；控制保护信号、故障信号指示全部集中在前控制面板上。

2.1.7 操作与维护

控制保护系统，人机界面友好，操作灵活方便；设计合理，维护方便，充分考虑了维护便利性的需要，满足系统操作与维护的要求。

2.1.8 供电条件

供电系统适应GB供电标准，采用适合标准的380Vac（三相五线制）设计，允许工作在供电标称电压±10%，工作频率适应性：50Hz-60Hz波动范围。电网适应能力强，三相工作电流平衡，不会造成因为单相电源配置情况下的相间不平衡问题。

2.1.9 工作环境

器件选用工业级器件，散热器件采用高效散热措施，工作效率高，散热条件好，整机耗散热量交换以风冷方式进行，工作环境要求满足室内环境温度0～+40℃的要求。

2.1.10 整机效率

整机效率≥30%。发射机工作在10kW效率计算如下：功放单元在工作功率时效率可达45%，合成损耗15%，电源模块自身效率按94%预计，因此功放部分总效率为：45%×85%×94%=35.9%。

前级耗电300W，工控机耗电100W，采样监测电路总耗电约100W，其它100W，以上共计600W，相对于功放部分耗电4%，整机总效率可达31.9%以上。

功放单板工作效率优于45%，整机合成系统也进行了优化设计，降低插入损耗，大功率合成器的插入损耗优于0.4dB；功放单元的相位一致性好，各级合成器输入端口相位一致性好，整机合成效率高。系统的供电电源采用高效电源设计方案。

2.2 750W功率放大器单元的功能简介

750W功率放大器单元是最关键的部件，在3MHz-26.1MHz频段内，选用BLF189XR管型，抗驻波比能力65:1，击穿电压达到了130V。

750W功率放大器单元的关键点在于散热，将功放场效应管安装到散热器，散热器利用热管技术提高了散热效率。

2.3 高效功率合成器和传输系统的功能简介

在高频大功率系统中，功率传输的电缆线、定向耦合器、弯头、馈管、插塞是极易被高频烧毁的，需要严格控制原材料和加工环节。功率传输关键部件由北京北广科技公司自己设计生产，原材料均为国内国际优秀的原材料生产厂家，生产中重点监控，在以往的产品中经过了大功率的传输的考验，没有技术风险。

2.4 安全性设计

该短波发射机是射频大功率用电设备，主要安全性风险体现在：设备单元重量较重，拆卸时易造成人员伤害；设备用电功率大，易发热起火；设备发射功率大，接触不良时易造成高频打火；设备采用风冷，风机有寿命，注意检查维修；设备内有高于人体安全电压的用电设备，易造成触电。

具体安全性保护措施：设计过程中充分考虑各个部件的重量，并使其分布均匀，保证整机重心在下，放置稳定。设备交流电源开关设置合理，标识明确，即使发生误动作，也能确保设备和人员安全。供电电源线及开关等降额使用，并采用阻燃耐高温优质电缆，避免起火；设备输出馈线及大功率接触部分紧固，接触点为面接触，避免高频打火；设备内高于人体安全电压的接触点进行封闭设计，避免操作人员接触，穿线孔处用胶皮包裹，避免磨损漏电，在规定的部位设有安全标志，标志字迹清晰、醒目、易于辨认。设备内设有安全地，保证可靠接地。设计充分考虑到安装、操作和维修时对工作人员提供最大的方便和安全。设备工作时使操作人员不会触及到可能运动的或存在危险的部件。外电裸露端头密封处理，减小与水接触的几率。机械部件使用的材料均采用非易燃材料制造，所用材料都具有足够的刚度和强度，以确保设备安全。

10kW短波发射机安全性设计准则，主要包含一般设计准则，接地和搭接等方面。

2.4.1 一般设计准则

（1）在人身安全方面，当值班人员在操作设备时，不会接触到安全电压以外的带电体，设计安全可靠；

（2）控制器安装的部位十分合理，能够避免值班人员误操作而造成人员或正在运行设备的损坏；

（3）明确了在安装、或拆卸设备或者更换配套系统、或其它配件时，对电源操作的流程；

（4）该设备主电源的转换电源开关安装在方便操作的部位，并设有功能牌说明。电池开关的进线端子和出线端子均设计有物理防护，以确保操作人员安全；

（5）所有电子元件，以及电路参数全部按极限参数设计；

（6）设备中的易热器件均进行散热处理；

（7）在较热的器件周围未安装对热度敏感的电子器件；

（8）部分电子器件按照使用部位进行降额设计；

（9）对电路进行计算后，确定电子器件的参数漂移等影响；

（10）充分考滤对于波形的失真、功率因素不稳压带来的不好影响；

（11）各个继电器以及开关在运行过程中不会在其它的电路或者设备内出现电源瞬变；

（12）设备内的各个开关以及继电器触点在开闭过程中均设有灭弧措施；

（13）采取措施防止受金属氧化的侵蚀，造成金属表面出现紫斑等现象；

（14）对继电器及螺管线圈、变压整流器装置、可控硅整流器开关等有效采取瞬态电弧抑制措施；

（15）对测试电路提供保护，以防止测试点外部接地而使设备故障；

（16）充分考虑到设有相似的插头以及插座的部位，均明确标出各插头及插座的编号、标识。

2.4.2 工作地和搭接

（1）充分考虑到连接地出现的故障和按高危部位明确标识电压的极限；

（2）当线路中包括接地线时，所有内、外部电缆的两个端口必须连接接地线；

（3）各电缆不允许将外层的屏蔽网当成载流的与地连接线，同轴线除外；

（4）用于具有导能力外壳的手提工具，以及插头、插座应设计成在使用过程中能使这些工具的外壳自动接地；

（5）组件搭接或接地，以供静电放电用。

3 故障及处理方法

3.1 故障一

故障现象：整机反射功率过大。

处理方法：检查发射机定向耦合器输出后的馈线、阻抗变换器或者天线是否有开路，短路，接触不好等问题。

3.2 故障二

故障现象：整机有载波功率但收音机收不到节目。

处理方法：检查前端音频源是否将音频信号输送到激励器的音频输入，如确定前端信号没问题则判断为激励器故障。

3.3 故障三

故障现象：无载波功率输出。

处理方法：检查开关电源是否有直流48V输出，如没有需检查电源输入电压，输入电压正常情况下可判断电源故障。如48V正常，检查射频通路，中间放大器和激励器。

3.4 故障四

故障现象：载波功率低

处理方法：检查各放大器单元输出是否正常，如发现有功率偏低的放大器，则查看该放大器的4路模块电流，将没有电流显示的模块更换掉。

10kW全固态短波发射机在整机设计上科学合理，各项运行技术指标均达到规范要求，特别是该发射机在安全性设计方面考虑得非常全面具体，在常见故障方面，操作非常简便，为发射机安全稳定运行提供了便利条件。