王 毅，盧偉權(quán)，吳海良

海峽之聲廣播電臺，福建福州 350012

0 引言

DAB(數(shù)字音頻廣播)已經(jīng)在近36個(gè)國家得到廣泛使用，英國和歐州的一些國家覆蓋率已經(jīng)達(dá)到非常高的水平，目前全球共有超過5億人能夠收聽數(shù)字廣播。在去年我國又通過了調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播技術(shù)（CDR）標(biāo)準(zhǔn)，表明我國的數(shù)字廣播發(fā)展從戰(zhàn)略規(guī)劃和準(zhǔn)備階段，正式轉(zhuǎn)入戰(zhàn)略實(shí)施階段。

為適應(yīng)廣播發(fā)展趨勢，我臺于2013年初購 置國內(nèi)首臺美國哈里斯新型調(diào)頻發(fā)射機(jī)FAX 10K。該發(fā)射機(jī)可以工作在FM(模擬)、FM+HD（混合）、HD（數(shù)字）三種模式，既滿足當(dāng)前模擬調(diào)頻廣播發(fā)射的需求，也為以后向數(shù)字廣播過渡乃至數(shù)字廣播提供了解決方案。本文主要對其核心功放模塊進(jìn)行研究，著重分析了不同工作模式的具體實(shí)現(xiàn)方法以及功放設(shè)計(jì)中的一些先進(jìn)理念。

1 功放模塊

FAX 10K發(fā)射機(jī)功放模塊主要由射頻放大電路、控制電路、監(jiān)測保護(hù)電路、散熱器組成。下文主要對射頻放大電路、控制電路以及該功放其它的一些先進(jìn)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行分析。

1.1 射頻放大電路

每個(gè)功放模塊的射頻放大電路由兩個(gè)電路相同但相互獨(dú)立的放大單元“A”和“B”構(gòu)成。每個(gè)單元均使用一個(gè)型號為MRFE6VP61K25H的LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）管進(jìn)行放大，該管額定輸出功率為800W（最大1250W），效率高達(dá)75%。與傳統(tǒng)晶體管相比，這種新型的放大管在增益、線性度、開關(guān)性能、散熱性能等方面優(yōu)勢很明顯，并可在高于雙極型晶體管3倍駐波比的高反射功率狀態(tài)下運(yùn)行。

圖1 射頻放大單元原理圖

射頻放大單元原理如上圖1所示，與一般功放電路類似，RF信號由電路板引腳輸入，通過3dB耦合器一分為二，經(jīng)耦合、阻抗匹配后供給放大管Q1柵極放大，后經(jīng)阻抗匹配、功率合成、濾波后輸出。

1.2 功放控制電路

功放控制電路主要完成以下二個(gè)功能：一是控制放大單元的開關(guān)；二是按發(fā)射機(jī)運(yùn)行模式調(diào)整功放管的放大狀態(tài)。當(dāng)發(fā)射機(jī)工作在FM模式時(shí)，放大管工作在C類放大狀態(tài)，此時(shí)放大效率最高；當(dāng)處于HD或FM+HD模式時(shí)，放大管工作在AB類放大狀態(tài)，這樣就可以更好的滿足數(shù)字信號線性放大的需要，失真最小。

圖2 放大管工作狀態(tài)控制電路

放大管工作狀態(tài)控制電路如上圖2所示，放大管工作狀態(tài)主要是通過調(diào)整放大管的柵極偏置電壓VG來實(shí)現(xiàn)的。為確保放大管工作狀態(tài)穩(wěn)定，該電路采用熱敏電阻RT1、電阻R8、電阻R36進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

1.2.1 功放開/關(guān)

功放控制信號主要對晶體管Q5進(jìn)行控制。當(dāng)PA ON CTL（功放控制信號）為開時(shí)，將-5V送至Q5柵極使其截止，此時(shí)VG由+12V分壓電路決定。根據(jù)工作模式的不同從而選擇不同的電壓，使放大管工作在需要的狀態(tài)。當(dāng)功放控制信號為關(guān)時(shí)，將0V送至Q5柵極使其導(dǎo)通，此時(shí)VG電壓為-5VDC，放大管截止。

1.2.2 功放AB類放大

當(dāng)機(jī)器運(yùn)行在FM+HD或HD模式下時(shí)，BIAS_MODE（偏置模式）信號將+5V送至晶體管Q4柵極使其導(dǎo)通，從而將地送給晶體管Q3的柵極使其截止。則此時(shí)VG由電阻R40、電阻R103、電阻R38組成的分壓電路和溫度補(bǔ)償電路決定。經(jīng)實(shí)測，正常工作時(shí)VG約為+2.64V。

1.2.3 功放C類放大

當(dāng)機(jī)器運(yùn)行在FM模式下，BIAS_MODE信號將0V送至Q4柵極使其截止。此時(shí)+12VDC經(jīng)電阻R28、電阻R48分壓后送至Q3柵極使其導(dǎo)通。此時(shí)在原有AB類放大狀態(tài)控制電路起作用的基礎(chǔ)上，由電阻R104、二極管CR22、電阻R109組成的分壓電路進(jìn)一步對VG電壓進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)實(shí)測，正常工作時(shí)VG為+2.24V。

圖中ANALOG_ALC（模擬自動增益控制）信號主要用來實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)自動功率控制，且僅在C類放大狀態(tài)下起作用。因功放模塊與中功放模塊是完全一 致的，當(dāng)其作為中功放模塊使用時(shí)，發(fā)射機(jī)可以通過調(diào)節(jié)中功放模塊的輸出功率來實(shí)現(xiàn)整機(jī)功率控制。此時(shí)，ANALOG_ALC信號會根據(jù)需要在-5V至0V之間調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對中功放放大管的增益的改變。

1.3 故障保護(hù)電路

每個(gè)功放模塊中還集成了相應(yīng)的監(jiān)測和故障保護(hù)電路，可以實(shí)時(shí)的對功放模塊的輸入功率、駐波比、功放電壓、功放電流、散熱器溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)功放發(fā)生異常時(shí)，可立即對其進(jìn)行封鎖保護(hù)。此外，功放內(nèi)每個(gè)放大單元還提供直觀的LED狀態(tài)指示燈，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)LED指示燈會由綠色變?yōu)榧t色，方便維護(hù)人員進(jìn)行故障判斷。

1.4 “熱插拔”防電弧設(shè)計(jì)

該功放模塊支持“熱插拔”，并設(shè)計(jì)有防電弧電路，可以有效減少因插拔造成設(shè)備損壞的可能。如下圖3功放實(shí)物圖所示，其左端為該功放輸入輸出端子，從圖中可以看到其金手指的長度是不一致的。射頻及信號輸入、輸出端子的金手指較長，這樣可以在插入時(shí)先進(jìn)行良好的接觸；而電源金手指較短，且串聯(lián)三個(gè)10歐姆的電阻，這樣插入時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)其它端子良好接觸后再進(jìn)行供電，并有效限制了插入和拔出時(shí)的瞬時(shí)電流，阻止了電弧的產(chǎn)生，保證了設(shè)備安全。

2 功放模塊的維護(hù)

功放模塊作為發(fā)射機(jī)的重要組成部分，是進(jìn)行射頻功率的放大基本單元，也是維護(hù)的重點(diǎn)。日常工作中，要注意監(jiān)測其運(yùn)行參數(shù)的變化，通過對比功放模塊的溫度、電壓、電流等來判斷否存在異常。

此外，還應(yīng)定期對功放進(jìn)行清潔維護(hù)。由于該功放采用風(fēng)冷，內(nèi)部易積灰，嚴(yán)重時(shí)會造成放大電路短路，并影響散熱效果，縮短了功放的使用壽命。在維護(hù)時(shí)，應(yīng)使用毛刷、吹氣機(jī)、吸塵器等對電路板和散熱片進(jìn)行清潔。對于模塊的鍍金引腳應(yīng)使用99%的純酒精進(jìn)行清潔，因?yàn)橄鹌げ粱蛲ㄓ玫那鍧崉p壞鍍金層引腳。清潔后，應(yīng)將功放模塊循環(huán)插拔兩三次，使引腳與插槽接觸更加良好。

圖3 功放實(shí)物圖

3 結(jié)論

自FAX 10K發(fā)射機(jī)于2013年1月投入使用以來，該發(fā)射機(jī)功放模塊運(yùn)行穩(wěn)定，在多次突然斷電及雷擊中均未出現(xiàn)異常，其理論平均無故障時(shí)間更是高達(dá)600000小時(shí)。其高效的能量轉(zhuǎn)化效率，直觀便捷的故障判斷及處理方式，先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念與技術(shù)均具有很好的參考和借鑒意義。因作者水平有限，文中的不當(dāng)之處還請批評指正。

[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.