DF100A 型發(fā)射機(jī)寬頻帶放大器工作原理及故障分析

陳青松

(國家新聞出版廣電總局五五四臺(tái)，河南 滎陽 450100)

FD100A 型PSM100 kW 短波發(fā)射機(jī)的寬頻帶放大器是由美國Thermo Voltek 公司生產(chǎn)的200 W 寬放。主要參數(shù)，頻率范圍:0.3～40 MHz;輸入最大功率:20 mW;輸出最大功率:200 W;工作狀態(tài):甲類和甲乙類;輸入/輸出阻抗:50 Ω;電源:+28 V DC;冷卻方式:強(qiáng)制風(fēng)冷(最高溫度60 ℃)。

寬頻帶放大器安裝在高前小箱位置，地方狹窄更換麻煩需要將高前小箱拆裝后方可進(jìn)行。通風(fēng)冷卻不夠理想，長時(shí)間高溫工作容易造成設(shè)備損壞。其輸入信號(hào)來自1A9(自動(dòng)增益控制)的J2 端口，通過50 Ω 射頻電纜送入寬放輸入端3A1－J9。最大輸入信號(hào)為20 mW(頻率合成器輸出最大電壓1 V，輸出阻抗50 Ω，送入1A9 的最大功率為1/50=0.02 W即20 mW)。

1 寬頻帶放大器供電電源

其供電電源是由1PS7 提供+28 V DC，接入負(fù)載后電源下降為22 V DC～25 V DC 之間，兩根電源引線焊接到寬放電源端子上，穿芯電容端子為電源正極，寬放外殼為電源負(fù)極。1PS7 供電原理如圖1 所示。

圖1 1PS7 供電原理圖

三相230 V AC 電源經(jīng)CB10(型號(hào):AD－25A)和CB14(型號(hào):AD－16A)空開，再經(jīng)1K15 寬放接觸器，送入1PS7 電源端子排TB1 的1、2、3 端子。T1 變壓器初級(jí)為三角形接法，次級(jí)為星型接法。經(jīng)三相橋式整流(整流橋二極管耐壓150 VC，最大電流40 A)變?yōu)?28 V 的直流電壓，經(jīng)C1 濾波后變?yōu)榧y波系數(shù)更小的直流電壓滿足寬放所需。R1 為阻值很小的分流器為寬放電流表提供取樣;R2 與寬放電壓表串聯(lián)，寬放電壓表分得極少量電壓用于指示;R3 為負(fù)載電阻;1PS7 同時(shí)為1A9 提供+28 V 電源。

2 寬頻帶放大器內(nèi)部穩(wěn)壓電路(見圖2)

圖2 穩(wěn)壓電路圖

1PS7 輸出+28 V 電壓經(jīng)穿芯電容送入VR1 的VIN 端，電容C10、C11、C12、C13 起濾波穩(wěn)壓作用。VR1 輸出端VOT電壓12 V，經(jīng)可調(diào)電阻R29 適當(dāng)調(diào)整后送入Q3 柵極，為其提供大小合適的電壓。當(dāng)E1 端有BIAS 信號(hào)時(shí)Q4 導(dǎo)通，使VR1 輸出端VOT 經(jīng)R22 電阻和Q4 的漏、源兩端通地;Q3 柵極通地?zé)o電壓，Q3 管截止不工作起到保護(hù)重要器件的作用，預(yù)防了故障擴(kuò)大化的發(fā)生。

3 寬頻帶放大器前置級(jí)放大電路(見圖3)

圖3 前置級(jí)放大電路圖

1)射頻信號(hào)(最大功率Pmax=20 mW)由J1 端送入寬放，經(jīng)線圈L5 送到由R11、C27、R12、C28 組成的高通濾波器，防止過低頻率信號(hào)串入輸入回路。

2)Q1 晶體管工作于甲類狀態(tài)，其偏置電壓R13 和R14串聯(lián)分壓為其提供。計(jì)算可得:V(Q1)b=28 ×R14/(R13 +R14)=1.6 V;又因?yàn)镽14 為可調(diào)電阻，調(diào)整后加至Q1 的偏置電壓為1.2 V 左右即可，過高電壓在長時(shí)間工作中會(huì)將Q1損壞。R15 為直流負(fù)反饋電阻(其電壓0.5 V)，用來提高晶體管的輸入阻抗，穩(wěn)定管子的工作狀態(tài)。

3)輸出電路分析:T5 為9∶1 自耦變壓器式輸出網(wǎng)絡(luò)，起到阻抗變換作用，使輸出阻抗得到匹配，輸出功率達(dá)到最大，減少功率損耗。C31 耦合電容，通高頻交流信號(hào)，阻斷低頻直流信號(hào)，使前后兩級(jí)得到很好的隔離作用。R1、R2、R3 組成T 型電阻網(wǎng)，使輸入輸出之間得到很好的銜接作用，阻抗匹配變得簡單容易。T1、T2 為4∶1 型傳輸線變壓器，分別合成16∶1 阻抗匹配，與Q2 的輸入阻抗匹配。之所以采用傳輸線變壓器其優(yōu)點(diǎn)有:傳輸線變壓器適合工作于射頻頻段，最高可達(dá)幾百兆赫茲至上千兆赫茲。由于傳輸線變壓器有兩根導(dǎo)線緊密纏繞在一起，因此，任意點(diǎn)的線電容都是很大的，整個(gè)線上是均勻分布的，導(dǎo)線又繞在高U 磁芯上，故導(dǎo)線每一小段的電感可以看成有許多電感、電容組成的耦合鏈。正是利用電感和電容之間的耦合，完成了能量的傳輸，線間分布電容不但不會(huì)影響高頻能量的傳輸，相反卻是電磁能量傳輸?shù)谋匾獥l件;也使磁芯的損耗對信號(hào)傳輸?shù)挠绊懘蟠鬁p少。

4)VSWR 駐波比保護(hù)電路，當(dāng)E3 端送來駐波比信號(hào)(低電平)時(shí)，將Q1 基極偏置電壓箝位為零電位，Q1 管子截至，致使所有后級(jí)放大電路截至。起到快速保護(hù)后端設(shè)備的目的。

4 寬頻帶放大器的驅(qū)動(dòng)級(jí)放大電路

寬頻帶放大器的驅(qū)動(dòng)級(jí)放大電路原理如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)級(jí)放大電路圖

1)Q2 作為寬放的驅(qū)動(dòng)放大級(jí)，工作于甲類狀態(tài)。其偏置電壓由R4 和R5 串聯(lián)分壓提供，計(jì)算可得:V(Q2)b=28 ×R5/(R4 +R5)=2 V;又因?yàn)镽5 為可調(diào)電阻，調(diào)整后加至Q2的偏置電壓為0.7 V 左右即可，過高電壓在長時(shí)間工作中會(huì)將Q2 損壞。

2)其他電路分析:L1、C5、C6 組成π 型濾波網(wǎng)絡(luò)，防止高頻信號(hào)串?dāng)_電源，并作為向Q2 提供偏置電壓的通路。R6 和R7 并聯(lián)后與C4、L2 形成LCR 反饋式電路，穩(wěn)定管子的工作狀態(tài)，擴(kuò)寬通頻帶，改善高頻特性，防止過電壓產(chǎn)生失真信號(hào)。L3 為射頻阻流圈防止射頻信號(hào)串?dāng)_28 V 電源和偏置電壓。

3)輸出電路分析:輸出射頻信號(hào)經(jīng)C7 耦合至T3 傳輸線變壓器，阻抗變比為4∶1，起到阻抗變換和功率均分器的作用。

5 推挽放大級(jí)電路

此電路是寬放電路中的重要環(huán)節(jié)，Q3 管價(jià)格昂貴市面稀少，所以使用中要格外小心以防損壞。其電路原理如圖5所示。

1)Q3 管工作于甲乙類狀態(tài)，由兩只N 溝道MOSFET 管構(gòu)成，在正極型或負(fù)極性信號(hào)時(shí)分別交替導(dǎo)通放大，在末級(jí)回路T4 傳輸線變壓器中合成交替放大的正負(fù)兩極信號(hào)。Q3柵極控制電壓由VR1 的VOT 端經(jīng)R29 調(diào)整后提供，其正常電壓為3.36 V 左右即可，切不可調(diào)整過高電壓而損壞貴重MOS 管。

2)其他電路分析:R16、R17、C14 和R18、R19、C15 分別組成RC 反饋電路，起到穩(wěn)定管子的工作狀態(tài)，擴(kuò)寬通頻帶，改善高頻特性，防止過電壓產(chǎn)生失真信號(hào)的作用。L4 自藕式阻流圈防止射頻信號(hào)串?dāng)_電源，并分別為兩MOS 管漏極提供電壓。C17～C22 和C34 為高頻濾波電容。

3)輸出電路分析:T4 為功率合成變壓器，阻抗變比1∶9起到阻抗變換和功率合成器的作用。

圖5 推挽放大級(jí)電路圖

6 寬放故障分析

正常時(shí)寬放電流:(a)無激勵(lì)時(shí)，I=2.4 A;(b)正常激勵(lì)低頻段時(shí)，I=5～6 A;(c)正常激勵(lì)高頻段時(shí)，I=8～11 A。當(dāng)超出以上范圍時(shí)，寬放即有可能存在故障，應(yīng)盡快處理以免造成停播事故。

1)當(dāng)設(shè)備工作于15 MHz 以上時(shí)，寬放電流I 已經(jīng)遠(yuǎn)大于10 A，高末柵流小于0.4 A，而15 MHz 以下頻率寬放電流和高末柵流均正常時(shí)，說明此時(shí)寬放已經(jīng)輸出功率不足，可適當(dāng)增大頻率合成器輸出電平來彌補(bǔ)寬放輸出功率不足的問題。

2)一般情況下，寬放輸出功率不足都是由Q3 管造成的，更換時(shí)須注意事項(xiàng):

◆寬放外殼接地，佩戴防靜電手鐲。用萬用表先測量電源端對外殼有無短路現(xiàn)象;再用萬用表測量Q1、Q2、Q3 集電極或漏極對寬放外殼電阻值，如果出現(xiàn)短路通殼現(xiàn)象說明此管已經(jīng)擊穿需要更換;并測量基極、集電極、發(fā)射極之間或柵極、漏極、源極之間有無擊穿現(xiàn)象。

◆更換管子時(shí)切不可用烙鐵直接焊接Q3 管和Q2 管，可用防靜電烙鐵拆除舊管子，同樣的方法焊接新管子。

◆將Q3 柵極脫開電源供電端，調(diào)整直流電壓源為28 V給寬放加靜態(tài)電壓，測量Q3 柵極供電端電壓為3.36 V 左右，觀察電壓源電流顯示應(yīng)為1.2 A 左右，電流相差較大時(shí)，說明此管性能已經(jīng)很差不可使用(如發(fā)現(xiàn)直流電壓源電流特別大10～25 A，電壓只有10 V 以下說明漏柵極擊穿)。重新焊接Q3 柵極電源供電端，加靜態(tài)電壓觀察。

◆調(diào)整內(nèi)部電源VR1 輸出端可調(diào)電阻R29 時(shí)，應(yīng)注意每次調(diào)整電壓最大范圍為0.2 V 左右，最大調(diào)整至3.36 V 即可，切勿再增大電壓否則有燒壞Q3 管的可能。

◆斷開Q3 柵極控制電壓，調(diào)整Q1 或Q2 基極電壓為0.7 V，并同時(shí)觀察直流電壓源電流為0.2 A。

◆動(dòng)態(tài)測試寬放，寬放外殼接地線并接直流電壓源的負(fù)極，頻率合成器的輸出端經(jīng)10 dB 衰減器后接入寬放的輸入端，并置頻率合成器電平于0 dB。寬放輸出端經(jīng)功率計(jì)后與假負(fù)載相連接，其間的連接線應(yīng)使用特性阻抗為50 Ω 的連接線，以保證輸入輸出間的阻抗匹配。假負(fù)載是由四根3R13(220 Ω)純阻并聯(lián)成55 Ω 負(fù)載電阻，并安裝在鐵皮箱內(nèi)(鐵皮箱外殼接地線)，四周有大功率風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。將寬放外殼拆除并使用風(fēng)機(jī)冷卻。頻綜調(diào)整合適頻率;合28 V直流電壓電源，緩慢增加頻綜輸出電平，觀察直流電壓源的輸出電流大小和功率計(jì)的功率指示大小，依據(jù)兩者的變化情況判斷寬放的工作情況?？筛鶕?jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整各管子的基極電壓或柵極電壓。更換頻綜頻率觀察電流指示和功率指示，用示波器在假負(fù)載測試口觀察其波形變化情況。

7 寬頻帶放大器各級(jí)管子簡介

各級(jí)管子應(yīng)在屏蔽環(huán)境中儲(chǔ)存。

Q1 型號(hào):2N3866(NPN 型)晶體管;基極電壓1.2 V;發(fā)射極0.5 V;集電極電壓28 V。

Q2 型號(hào):MRF136(N 溝道)MOS 管;柵極電壓0.7 V;漏極電壓28 V。

Q3 型號(hào):MRF141G(N 溝道)MOS 管或BLF248(NPN型)晶體管;柵極電壓2.8～3.6 V;漏極電壓28 V。

Q1 和Q2 管基極與發(fā)射極或柵極與源極電壓差為0.7 V左右。

8 DF100A 型寬放的發(fā)展方向

DF100A 型寬放設(shè)計(jì)之初有300 W 功率，只用到200 W功率，有足夠的富裕量。但是實(shí)際情況卻并非如此，在低頻段還能滿足需求，但在高頻段時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)輸出功率不足的情況，再加上長時(shí)間不間斷的工作原因，寬放故障率越來越高，在此提出一些建設(shè)性想法用以解決此問題。

利用現(xiàn)有設(shè)備，將兩組寬放進(jìn)行功率合成。在兩組寬放輸入端之前，將射頻信號(hào)進(jìn)行功率分配后再分別送入兩組寬放，又在兩組寬放分別放大之后加入功率合成器。這樣，利用每組寬放單獨(dú)放大后的功率再進(jìn)行合成，使得輸出功率會(huì)更大，從而解決單獨(dú)寬放輸出功率小的問題。