王 蓓

國(guó)家廣播電視總局無(wú)線電臺(tái)管理局 北京市100045

4CV100000C型大功率四級(jí)電子管是DF100A型短波發(fā)射機(jī)的核心器件，長(zhǎng)期以來(lái)，其陰極（燈絲）都采用交流供電的方式。交流供電在射頻通路產(chǎn)生的工頻噪聲是影響發(fā)射機(jī)信噪比指標(biāo)的重要因素之一，對(duì)接收端的收聽(tīng)音質(zhì)造成了不可逆的干擾。因此，對(duì)燈絲供電方式進(jìn)行改造，可以從根本上消除工頻噪聲，改善發(fā)射機(jī)雜音指標(biāo)。但是，燈絲改成直流供電方式后，會(huì)帶來(lái)電子管壽命減少、發(fā)射機(jī)功耗增加等新問(wèn)題，這就需要采取適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)彌補(bǔ)改造后的不良影響。

1 4CV100000C型電子管陰極的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

發(fā)射管又稱功率發(fā)射管，是用來(lái)產(chǎn)生或放大電磁振蕩以獲得一定輸出功率的電子管，大功率電子管在大功率的短波發(fā)射機(jī)中廣泛使用。發(fā)射管的陰極是依靠加熱使電子獲得能量而發(fā)射電子，按照加熱方式的不同，可分為直熱式和旁熱式兩種。直熱式是在陰極（常稱為燈絲）上直接通電加熱，旁熱式是在陰極套管內(nèi)裝有燈絲，通過(guò)燈絲的電流對(duì)陰極間接加熱。

4CV100000C型電子管是一種同軸結(jié)構(gòu)的真空陶瓷四極管，具有陰極、柵極、簾柵極和屏極（陽(yáng)極）四個(gè)極。其中，陰極為直熱式碳化釷鎢陰極，是一種單原子膜陰極，采用1～2.5%氧化釷的鎢棒拉制成的細(xì)絲。為提高釷原子在鎢絲表面的吸附力，釷鎢絲要放在碳?xì)浠衔镏羞M(jìn)行碳化處理，使其表面形成一層碳化鎢。電子管處于工作狀態(tài)時(shí)，陰極在真空中加熱到2200K時(shí)迅速被激活，分散在碳化鎢中的二氧化釷就被還原成自由的釷原子，釷原子擴(kuò)散到陰極表面，就會(huì)形成一層單原子層。由于吸附力的存在，釷鎢絲表面的釷原子就會(huì)被激化而形成偶極層，這樣釷鎢絲的電子逸出功就降低了，有利于電子的發(fā)射。同時(shí)，由于損失的釷原子能源源不斷地得到補(bǔ)充，因而可以獲得較穩(wěn)定的發(fā)射電流，并可大大延長(zhǎng)電子管陰極使用壽命。

該型號(hào)電子管的陰極結(jié)構(gòu)采用了網(wǎng)狀陰極，就是用0.15～0.5mm的釷鎢絲焊接成圓筒形，形狀如網(wǎng)籠，結(jié)構(gòu)上不易熱變形，與網(wǎng)狀型柵極相配合使用。柵極結(jié)構(gòu)同樣采用網(wǎng)狀柵極，柵極表面的電場(chǎng)分布均勻，就可以減少“孤島效應(yīng)”，如圖1、圖2所示。

圖1網(wǎng)狀陰極結(jié)構(gòu)

圖2網(wǎng)狀陰極的焊接過(guò)程

在DF100A型短波發(fā)射機(jī)中，高末級(jí)放大電路采用的是推動(dòng)激勵(lì)小、功率增益高的陰地線路，工作狀態(tài)選用丙類，屏級(jí)效率約為85%。高前級(jí)四極管的輸出約為1kW，作為高末級(jí)四極管（4CV100000C）輸入功率，高末級(jí)的輸出功率約為107kW，功率增益約為20dB左右。

2 現(xiàn)有燈絲交流供電方式

2.1 燈絲交流供電電路

目前，DF100A型短波發(fā)射機(jī)末級(jí)燈絲采用交流供電方式，230V單相交流電通過(guò)的變壓器（變比約為23:1，連續(xù)工作電流450A）降壓至10V后為燈絲供電。變壓器次級(jí)中心抽頭接地，使陰極直流通地。在燈絲兩級(jí)對(duì)地部分分別接兩個(gè)電容（一個(gè)容量為2000PF的薄膜電容，一個(gè)容量為8000PF的陶瓷電容），使射頻信號(hào)接地，構(gòu)成陰地電路，同時(shí)可以防止射頻信號(hào)對(duì)燈絲電源的串?dāng)_，如圖3所示。

2.2 燈絲交流供電方式的優(yōu)缺點(diǎn)

圖3末級(jí)燈絲交流供電通路

交流供電方式的優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化電路元器件，只需要一臺(tái)變壓器即可，在上世紀(jì)90年代半導(dǎo)體整流設(shè)備短缺昂貴的時(shí)候，交流供電方式是最好的選擇。交流供電方式的缺點(diǎn)是交流電直接接入燈絲引線，交流電產(chǎn)生的50Hz工頻噪聲不可避免地會(huì)疊加在射頻信號(hào)中，由于工頻噪聲頻率于音頻頻率有重疊而難以濾除，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)信噪比降低。

3 燈絲直流供電方式的改造

燈絲直流供電方式的改造，最核心的改造就是加入整流設(shè)備。為了節(jié)省改造成本，盡可能保留原有交流供電設(shè)備，仍然使用原有的高末燈絲變壓器和供電線路，僅對(duì)增加的部分進(jìn)行改造，改造后的燈絲直流電路如圖4所示。

3.1 燈絲供電通路地改造方案

變壓器初級(jí)由單相230V改造為三相230V，采用三角形接法，在220V至245V的范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)抽頭，以滿足不同外電的需求。由于單相改為三相，末級(jí)燈絲電源斷路器也相應(yīng)改為三相斷路器，燈絲一、二段限流電阻由1個(gè)增加為3個(gè)，同時(shí)，燈絲一、二段控制回路需要加輔助觸頭接點(diǎn)間接控制。

圖4末級(jí)燈絲直流供電通路

圖5整流二極管及其水冷通路

變壓器次級(jí)采用星型接法，輸出10V交流電，后接一組整流橋，次級(jí)不再需要中心抽頭接地，在整流橋輸出負(fù)端接地即可。整流橋由3只快速二極管（規(guī)格為MDC1000A/600V）組成，經(jīng)過(guò)整流后的直流電接入燈絲兩極地引線，燈絲取樣電流表相應(yīng)地改為直流表。

燈絲額定電流為300A，快速二極管僅僅依靠風(fēng)冷是不夠的，因此，要采用水冷方案。從發(fā)射機(jī)水電機(jī)箱水路五通口上增加一路分支，由水冷水管（夾絲硅膠管）連接至快速二極管進(jìn)出水口，如圖5所示。

3.2 燈絲改直流供電方式后的測(cè)試

發(fā)射機(jī)其他器件保持不變，在同時(shí)間段、同頻率、同路由的情況下，對(duì)燈絲直流供電方式改造前后的發(fā)射機(jī)工作情況進(jìn)行加高壓測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)射機(jī)整體工作狀態(tài)沒(méi)有顯著變化，但是，發(fā)射機(jī)信噪比指標(biāo)在燈絲直流供電方式下較交流供電方式提高約2.6～3.4dB（在不同頻率下測(cè)試）。

4 燈絲直流供電方式的缺點(diǎn)和解決方案

如第一節(jié)所述，電子管實(shí)現(xiàn)放大功能的主要原理是由陰極向屏級(jí)發(fā)射電子，但是陰極的電子數(shù)量有限，因此，完成老練的正常電子管在機(jī)使用壽命的長(zhǎng)短主要取決于陰極壽命的長(zhǎng)短。從廠家說(shuō)明和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)兩個(gè)方面來(lái)看，為了增加電子管壽命，DF100A型短波發(fā)射機(jī)在設(shè)計(jì)和維護(hù)中都采取了適當(dāng)?shù)拇胧┮匝舆t電子管壽命。其一，發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)在啟動(dòng)燈絲時(shí)的燈絲電流必須限制在二倍標(biāo)準(zhǔn)燈絲電流以內(nèi)。其二，電子管加上額定燈絲電壓時(shí)，其峰值放射電流要比在額定功率播音時(shí)所需的電流大很多倍，由于降低燈絲電壓可以降低燈絲溫度，而降低燈絲溫度可以增加陰極壽命，所以，在實(shí)際維護(hù)工作中，根據(jù)需要發(fā)射功率的不同，適當(dāng)降低燈絲電壓就能大大提高燈絲的使用壽命。

4.1 直流供電方式會(huì)縮短電子管壽命

燈絲改成直流供電方式后，為什么會(huì)縮短電子管的使用壽命？筆者向國(guó)內(nèi)多個(gè)電子管廠家咨詢相關(guān)數(shù)據(jù)，因沒(méi)有燈絲直流供電方式的先例，廠家表示均沒(méi)有相關(guān)測(cè)試和說(shuō)明。但是可以對(duì)燈絲直流供電方式改造后的影響在理論上進(jìn)行相關(guān)的推驗(yàn)。

DF100A型短波發(fā)射機(jī)的末級(jí)柵偏壓工作電壓是-800V（其中固定偏壓-400V），前級(jí)電子管屏級(jí)輸出的激勵(lì)信號(hào)通過(guò)電容耦合到末級(jí)電子管的柵極，推動(dòng)末級(jí)電子管工作。由于激勵(lì)電壓是動(dòng)態(tài)變化的，在此只對(duì)固定負(fù)柵壓時(shí)的電子管進(jìn)行分析。當(dāng)燈絲采用直流供電方式時(shí)，燈絲以中心為界，正負(fù)兩端的電子發(fā)射量是不同的，從燈絲中心點(diǎn)往兩端，發(fā)射量隨電壓變化，電壓越低就越大，電壓越高就越小，如圖6所示。另外，由于燈絲發(fā)射面積是固定的，一定的溫度下，相同面積能發(fā)射的電子數(shù)量是有限的，假想在極端情況，一端發(fā)射電子而另一端不發(fā)射電子，發(fā)射電子的那一端會(huì)出現(xiàn)電子供應(yīng)不足的現(xiàn)象，還將使管內(nèi)阻上升導(dǎo)致特性曲線偏離。

這種一面倒的情況在燈絲采用交流供電方式時(shí)就不會(huì)發(fā)生，燈絲引線兩端以每秒100次的頻率完成電壓交換，加之熱惰性的影響，整個(gè)燈絲的發(fā)射密度都被均衡化。所以，燈絲采用直流供電方式后，會(huì)造成陰極電子發(fā)射不均勻，低電壓一側(cè)的陰極電子耗散較交流供電方式時(shí)快，從而縮短電子管壽命。

另外，直熱式電子管燈絲之間存在距離，由于直流供電方式下燈絲電壓的存在，燈絲間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，使陰極電子受到燈絲間電場(chǎng)力的作用，在一定程度上會(huì)影響陰極電子發(fā)射效率，但是當(dāng)陰極為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，這個(gè)影響比較小。

4.2 改善電子管壽命縮短問(wèn)題的解決方案

目前，對(duì)于4CV100000C型電子管，廠家并沒(méi)有做過(guò)燈絲在交流和直流兩種供電方式下的點(diǎn)燈測(cè)試，加之電子管價(jià)格昂貴，無(wú)線局的臺(tái)站也不具備靜態(tài)實(shí)測(cè)的條件。按照理想條件，假定電子管在使用中壽命是10000小時(shí)，忽略柵流和簾柵流的影響，在陽(yáng)極直流電壓為14kV，電流為8.8A的情況下，依據(jù)庫(kù)倫定律推算，壽命縮短約在30小時(shí)。但是，末級(jí)電子管是在一個(gè)復(fù)雜的功率放大電路中，溫度、環(huán)境、高壓工作時(shí)間等都能產(chǎn)生影響，簡(jiǎn)單的理論推算并不能十分精確。因此，在無(wú)法等條件測(cè)試的情況下，只能在實(shí)際維護(hù)中積累相關(guān)數(shù)據(jù)。

對(duì)于燈絲直流供電方式帶來(lái)的電子管壽命縮短的問(wèn)題，可以采取兩種方式解決。其一，在燈絲直流電路中加裝換向器，定時(shí)對(duì)直流的兩級(jí)進(jìn)行換向。其二，在檢修維護(hù)中，定期手動(dòng)對(duì)燈絲引線換向。前者增加設(shè)備的同時(shí)相當(dāng)于增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，既帶來(lái)故障隱患，又平添經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)?？紤]燈絲直流供電方式下電子管壽命縮短比重并非十分嚴(yán)重，加之無(wú)線局的臺(tái)站檢修周期相對(duì)較短，所以后者的解決方式更為合理。

4.3 直流供電方式會(huì)增加發(fā)射機(jī)功耗

圖6燈絲直流供電方式下陰極發(fā)射電子情況

如前所述，對(duì)燈絲進(jìn)行直流供電方式改造時(shí)，最核心的改造部分就是整流橋。整流橋需要用到3只快速二極管，由于末級(jí)燈絲額定電流是300A，發(fā)射機(jī)正常運(yùn)行時(shí)燈絲的峰值電流遠(yuǎn)高于額定電流。為此，選用的高功率快速二極管散熱量很高，采用風(fēng)冷加水冷的方式，總散熱量約為2-3kW，等同于直接增加了發(fā)射機(jī)功耗，降低了發(fā)射效率。

在無(wú)線局某臺(tái)的某部發(fā)射機(jī)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，選定頻率9.9MHz、調(diào)幅度100%、發(fā)射功率100kW條件下，通過(guò)功率計(jì)在發(fā)射機(jī)進(jìn)線端測(cè)得輸入功率為211.64kW，通過(guò)測(cè)假負(fù)載端的出、入水流量差和溫差，計(jì)算輸出功率為152.31kW，實(shí)際發(fā)射機(jī)效率為71.97%。同等條件下，除去整流橋散熱功率后，發(fā)射機(jī)效率應(yīng)在72.7%～73%之間。綜上，燈絲采用直流供電方式后，發(fā)射機(jī)效率降低約1%。

5 結(jié)語(yǔ)

DF100A型發(fā)射機(jī)作為短波發(fā)射機(jī)的主力機(jī)型，信噪比一直是該發(fā)射機(jī)的重要指標(biāo)，但是，技術(shù)瓶頸導(dǎo)致信噪比無(wú)法有效提升。隨著技術(shù)的不斷升級(jí)，通過(guò)對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造來(lái)提高發(fā)射機(jī)信噪比，非常有實(shí)踐意義。2019年，無(wú)線局某發(fā)射臺(tái)對(duì)4部DF100A短波發(fā)射機(jī)進(jìn)行了燈絲直流供電方式的改造，自試播以來(lái)，工作狀態(tài)穩(wěn)定，信噪比指標(biāo)保持較高水平。