可進行數(shù)字/模擬調頻信號放大的功放模塊技術分析

王 毅，盧偉權，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頻頻段數(shù)字音頻廣播技術（CDR）標準，表明我國的數(shù)字廣播發(fā)展從戰(zhàn)略規(guī)劃和準備階段，正式轉入戰(zhàn)略實施階段。

為適應廣播發(fā)展趨勢，我臺于2013年初購 置國內首臺美國哈里斯新型調頻發(fā)射機FAX 10K。該發(fā)射機可以工作在FM(模擬)、FM+HD（混合）、HD（數(shù)字）三種模式，既滿足當前模擬調頻廣播發(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行研究，著重分析了不同工作模式的具體實現(xiàn)方法以及功放設計中的一些先進理念。

1 功放模塊

FAX 10K發(fā)射機功放模塊主要由射頻放大電路、控制電路、監(jiān)測保護電路、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設計理念進行分析。

1.1 射頻放大電路

每個功放模塊的射頻放大電路由兩個電路相同但相互獨立的放大單元“A”和“B”構成。每個單元均使用一個型號為MRFE6VP61K25H的LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）管進行放大，該管額定輸出功率為800W（最大1250W），效率高達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功能：一是控制放大單元的開關；二是按發(fā)射機運行模式調整功放管的放大狀態(tài)。當發(fā)射機工作在FM模式時，放大管工作在C類放大狀態(tài)，此時放大效率最高；當處于HD或FM+HD模式時，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)主要是通過調整放大管的柵極偏置電壓VG來實現(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進行溫度補償。

1.2.1 功放開/關

功放控制信號主要對晶體管Q5進行控制。當PA ON CTL（功放控制信號）為開時，將-5V送至Q5柵極使其截止，此時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)。當功放控制信號為關時，將0V送至Q5柵極使其導通，此時VG電壓為-5VDC，放大管截止。

1.2.2 功放AB類放大

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

1.2.3 功放C類放大

當機器運行在FM模式下，BIAS_MODE信號將0V送至Q4柵極使其截止。此時+12VDC經(jīng)電阻R28、電阻R48分壓后送至Q3柵極使其導通。此時在原有AB類放大狀態(tài)控制電路起作用的基礎上，由電阻R104、二極管CR22、電阻R109組成的分壓電路進一步對VG電壓進行調整。經(jīng)實測，正常工作時VG為+2.24V。

圖中ANALOG_ALC（模擬自動增益控制）信號主要用來實現(xiàn)發(fā)射機自動功率控制，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，當其作為中功放模塊使用時，發(fā)射機可以通過調節(jié)中功放模塊的輸出功率來實現(xiàn)整機功率控制。此時，ANALOG_ALC信號會根據(jù)需要在-5V至0V之間調整，從而實現(xiàn)對中功放放大管的增益的改變。

1.3 故障保護電路

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

1.4 “熱插拔”防電弧設計

該功放模塊支持“熱插拔”，并設計有防電弧電路，可以有效減少因插拔造成設備損壞的可能。如下圖3功放實物圖所示，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，這樣可以在插入時先進行良好的接觸；而電源金手指較短，且串聯(lián)三個10歐姆的電阻，這樣插入時就可以實現(xiàn)其它端子良好接觸后再進行供電，并有效限制了插入和拔出時的瞬時電流，阻止了電弧的產(chǎn)生，保證了設備安全。

2 功放模塊的維護

功放模塊作為發(fā)射機的重要組成部分，是進行射頻功率的放大基本單元，也是維護的重點。日常工作中，要注意監(jiān)測其運行參數(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，還應定期對功放進行清潔維護。由于該功放采用風冷，內部易積灰，嚴重時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。在維護時，應使用毛刷、吹氣機、吸塵器等對電路板和散熱片進行清潔。對于模塊的鍍金引腳應使用99%的純酒精進行清潔，因為橡皮擦或通用的清潔劑會損壞鍍金層引腳。清潔后，應將功放模塊循環(huán)插拔兩三次，使引腳與插槽接觸更加良好。

圖3 功放實物圖

3 結論

自FAX 10K發(fā)射機于2013年1月投入使用以來，該發(fā)射機功放模塊運行穩(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間更是高達600000小時。其高效的能量轉化效率，直觀便捷的故障判斷及處理方式，先進的設計理念與技術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.