500kW短波發(fā)射機(jī)射頻末級(jí)工作狀態(tài)的計(jì)算

劉 瑋

（國家新聞出版廣電總局五九四臺(tái)，陜西 咸陽712028）

0 引言

500kW短波發(fā)射機(jī)射頻部分包括一個(gè)合成器，一個(gè)固態(tài)預(yù)放大級(jí)，驅(qū)動(dòng)級(jí)和匹配網(wǎng)絡(luò)，高末級(jí)和輸出電路。在經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的前提條件是在設(shè)計(jì)上盡可能少用電子管，電子管僅用于半導(dǎo)體器件不可替代的地方或考慮到經(jīng)濟(jì)性，僅驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)各用一個(gè)電子管，同時(shí)PSM調(diào)制器全部都用半導(dǎo)體器件。計(jì)算射頻末級(jí)能更直觀的了解射頻末級(jí)的工作狀態(tài)。

1 射頻末級(jí)工作原理簡介

TSW2500型發(fā)射機(jī)射頻末級(jí)的原理見圖1所示。它的射頻末級(jí)電子管采用金屬陶瓷四極管TH576，陰極接地電路，具有功率增益高，所需推動(dòng)功率小的特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)級(jí)屏極輸出與末級(jí)管柵極之間通過Π網(wǎng)絡(luò)匹配，Π網(wǎng)絡(luò)L和C可調(diào)，末級(jí)管的輸入電容當(dāng)作Π網(wǎng)絡(luò)的輸出電容，它對(duì)于每個(gè)頻率是變化的。驅(qū)動(dòng)級(jí)功率理論上用于驅(qū)動(dòng)末級(jí)和補(bǔ)償線路損耗，末級(jí)管要求很小的柵流，用于保證末級(jí)工作于穩(wěn)定的C類飽和狀態(tài)。電源退耦是用一個(gè)套在RF末級(jí)電子管屏極上的圓筒形耦合（隔直）電容C250來實(shí)現(xiàn)的。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，引線電感很小。末級(jí)電子管TH576是超蒸發(fā)冷卻陶瓷四級(jí)管。陰極和柵極電流之間的良好退耦保證了發(fā)射機(jī)在高頻端也能穩(wěn)定工作。

射頻末級(jí)槽路采用3Π網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)現(xiàn)阻抗變換、濾除高頻諧波分量和阻抗匹配。射頻末級(jí)屏極負(fù)載阻抗為190歐姆，而射頻末槽路輸出阻抗為50歐姆，所以先由第一節(jié)Π網(wǎng)絡(luò)將190歐姆變換到150歐姆，由第二節(jié)Π網(wǎng)絡(luò)將150歐姆變換到75歐姆，最后由第三節(jié)Π網(wǎng)絡(luò)將75歐姆變換到50歐姆不平衡輸出，經(jīng)VHF甚高頻濾波器濾除高次諧波后，再經(jīng)不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器將50歐姆不平衡變成200歐姆平衡輸出，送到200至300歐姆阻抗變換傳輸線，最經(jīng)饋線到天線發(fā)射電波信號(hào)。

圖1 射頻末級(jí)輸出網(wǎng)絡(luò)簡圖

輸出網(wǎng)絡(luò)是一種低通結(jié)構(gòu)，由3節(jié)Π網(wǎng)絡(luò)（7個(gè)電抗元件）組成，主要功能有：丙類工作狀態(tài)下的能量存儲(chǔ)作用（用品質(zhì)因數(shù)Q體現(xiàn)）；阻抗變換作用（由電子管屏極的190Ω轉(zhuǎn)換至負(fù)載阻抗50Ω）；對(duì)諧波進(jìn)行衰減。3Π網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)諧振、阻抗變換和濾波功能，用于把輸出阻抗（饋線阻抗）變換為射頻末級(jí)電子管所需的等效屏極阻抗，同時(shí)諧振于工作頻率，濾除諧波。用3Π網(wǎng)絡(luò)把輸出阻抗變換為發(fā)射機(jī)要求的屏極阻抗，同時(shí)也用作諧波濾波器。串聯(lián)電感設(shè)計(jì)成調(diào)諧線，寄生分量很小，使得任何諧振干擾頻率都遠(yuǎn)高于工作頻率。第一個(gè)電容C251在高頻端應(yīng)斷開。因?yàn)樯漕l末級(jí)工作在高效率的丙類狀態(tài)，電子管負(fù)載阻抗應(yīng)呈現(xiàn)并聯(lián)諧振特性。帶通結(jié)構(gòu)和低通結(jié)構(gòu)均能滿足上述要求，但選擇了低通結(jié)構(gòu)主要是考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔的特點(diǎn)，就是電容均是直接接地，而電感則是串聯(lián)連接。3Π網(wǎng)絡(luò)的電感采用調(diào)諧線結(jié)構(gòu)，分布參數(shù)很小，使得寄生振蕩頻率遠(yuǎn)高于工作頻率，便于VHF甚高頻濾波器濾除。

2 射頻末級(jí)電子管工作狀態(tài)的基本參數(shù)

射頻末級(jí)電子管采用TH576，其基本參數(shù)如下：燈絲電壓Uf：17.6 V±2%V，燈絲電流 If：880A,屏耗 Pa,簾柵耗 Pg20,柵耗 Pg1。 射頻末級(jí)電子管的屏壓Ea=13.7kV，簾柵壓Eg2=1250V（簾柵壓電源整流器輸出電壓約為1830V，在簾柵饋電電路中接有限流電阻R221=138Ω和簾柵調(diào)幅阻流圈L221。對(duì)于四極管來說，L221起屏簾同調(diào)作用）。柵偏壓Eg1=-750V，它由固定偏壓Vg1V2=-450V和柵漏電阻R45上產(chǎn)生的自生偏壓-300V兩部分合成。

3 射頻末級(jí)的計(jì)算

利用圖解法計(jì)，從電子管的實(shí)際特性曲線出發(fā)，逐點(diǎn)計(jì)算，電子管在特性曲線上的負(fù)載線，對(duì)末級(jí)諧振呈純阻時(shí)，則是一條直線。因此任意選擇直線上的兩點(diǎn)，就可以在恒流曲線平面圖上做出負(fù)載線來。由回路方程可知，當(dāng)Ep、Eg、Up、Ug四個(gè)量確定后，則負(fù)載線或工作狀態(tài)就定下來了。所以，圖解法一般取Ep、Eg、Up、Ug四個(gè)量為自變量。選定 Ep、Eg后，當(dāng) Up=0、Ug=0 時(shí)，ep=Ep，eg=Eg，于是在恒流曲線平面上確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q；然后在選取合適的Up、Ug值，由epmin=Ep-Up、egmax=Eg+Ug在恒流曲線平面圖上確定端點(diǎn)A，連接AQ即負(fù)載線。實(shí)際上，放大器設(shè)計(jì)的好壞，主要是Ep、Eg、Up、Ug四個(gè)量是否恰當(dāng)。

以下是十三點(diǎn)計(jì)算法：就是把激勵(lì)電壓的半個(gè)周期分成十二等份，則每個(gè)等份為15°,十二等份共有十三個(gè)點(diǎn),故稱十三點(diǎn)算法。工作點(diǎn)A的eamin選取應(yīng)考慮兩個(gè)因數(shù)：一是屏極利用系數(shù)ξ≥0.9～0.95，eamin選取得越低，屏極效率η越高；二是eamin必須大于Eg2=1250V，否則電子管電流分配不合理。因此取eamin=1300V。在載波狀態(tài)下，柵偏壓Eg1=-750V，柵極激勵(lì)電壓的幅度Ugm=1050V。因此取egmax=Ugm+Eg1=1050V+（-750）V=300V。見圖2十三點(diǎn)圖解法：

圖2 十三點(diǎn)圖解法

3.1 采用十三點(diǎn)法詳細(xì)計(jì)算

從恒流曲線中，可量得負(fù)載線AQ的長度L=33.6mm，然后在AQ上取 A、B、C、D、E、F、Q 七個(gè)點(diǎn)， 使 BQ=L·cos150=0.966L，CQ=L·cos300=0.866L，DQ=L·cos450=0.707L，EQ=L·cos600=0.5L，F(xiàn)Q=L·cos750=0.259L。并依次讀出 A、B、C、D、E、F、Q 各點(diǎn)的屏流、簾柵流和柵流的數(shù)值見表1。

表1 負(fù)載線上的各點(diǎn)相應(yīng)的ia、ig2、ig1值(egmax=300V)

3.2 根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算

3.3 采用十九點(diǎn)法介紹

如果把激勵(lì)電壓Ug半個(gè)周期π分為十八等份，則每等份為10°，同樣十八等份有十九個(gè)點(diǎn)，故稱十九點(diǎn)算法。

依此類推，由于十九點(diǎn)算法等分點(diǎn)數(shù)多，其他計(jì)算誤差小，更準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)發(fā)射機(jī)射頻末級(jí)工作狀態(tài)進(jìn)行了簡單計(jì)算，能夠更清楚的了解發(fā)射機(jī)射頻末級(jí)的工作運(yùn)行狀態(tài),如果此負(fù)載線計(jì)算結(jié)果不符合要求，可重新選擇基準(zhǔn)值。