小型高效一體化大功率調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王洪玖

（作者單位：杭州眾傳數(shù)字設(shè)備有限公司）

2010年以來，AMPLEON和NXP分別推出了BLF18系列與MRFE6VP系列功放管，單管輸出從300 W、600 W發(fā)展到1 200 W、1 500 W甚至1 800 W等更高的功率等級(jí)，封裝從BeO陶瓷變?yōu)榄h(huán)保塑封。使用ADS軟件，功放模塊的輸入輸出阻抗變換巴倫實(shí)現(xiàn)了全微帶化設(shè)計(jì)，附著在銅基板上的功放模塊一致性、可靠性、易維護(hù)等性能都得到了很大提升。因此，設(shè)計(jì)小型高效一體化大功率發(fā)射機(jī)成為可能。

1 功放管的選型

功放管的選型是發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的首要問題，關(guān)系到整機(jī)的功率分配合成方式、機(jī)箱布局體積、效率、可靠性等。各種功率等級(jí)功放管的性能參數(shù)[1-2]如表1所示。

表1 各種功率等級(jí)功放管的性能參數(shù)

確定設(shè)計(jì)目標(biāo)為功率5 000 W，高度5U一體化發(fā)射機(jī)。其一，從設(shè)計(jì)目標(biāo)功率5 000 W考慮，需要選擇4只1 500 W等級(jí)或6只1 200 W等級(jí)管子進(jìn)行功率合成。其二，從結(jié)構(gòu)布局考慮，采用平面式布局較合理。其三，從合成方式考慮，采用兩級(jí)合成方式比較合理。其四，從可靠性考慮，相對(duì)4只管子，使用6只功放管進(jìn)行合成，單管功率低，熱量分散，單管故障后不平衡功率小，降低了對(duì)平衡電阻功率的要求，整機(jī)效率雖然會(huì)有降低，但可靠性有一定的提高。其五，從制造成本和維護(hù)成本考慮，目前1 200 W等級(jí)的功放管價(jià)格在1 000元，1 500 W等級(jí)的管子在2 000元。最終，選擇使用功放BLF188XR，價(jià)格適中，約為MRFX1K80H的1/2，使用6只，功率總額為7 200 W，如果使用4只MRFX1K80H，功率總額為7 200 W，價(jià)格高出30%。

2 設(shè)計(jì)概要

2.1 六路分配合成板

分配合成板的主要技術(shù)要求[3]：工作帶寬要達(dá)到全帶寬最優(yōu)；輸出端口相互隔離度不小于23 dB；各端口駐波比不大于1.15；各輸出端口間相位差不大于2.5°；各輸出端口插損不大于0.3 dB；滿足額定功率。

功率分配合成有幾種不同的類型[3]，每種都有其優(yōu)勢(shì)的帶寬、隔離度、駐波比、插損等性能。按照合成相位的分類：理想的同相功率分配合成沒有相移，輸入端口之間的為0°關(guān)系，可偶數(shù)或奇數(shù)的組合輸出，頻率帶寬范圍為約25 MHz以內(nèi)，常見的形式為威金森式、吉賽爾式；理想的反相功率分配合成相移為180°，兩個(gè)輸入端口之間相位相差180°，適用于2的指數(shù)倍數(shù)的合成路數(shù)（2，4，8等），頻率帶寬范圍為約50 MHz以內(nèi)，常見的形式為3 dB正交電橋式。

威金森型分配合成具有相對(duì)較窄的帶寬特性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作頻率可達(dá)2 GHz，由于采用1/4波長(zhǎng)傳輸線實(shí)現(xiàn)，尺寸偏大。威金森同相功率合成器可實(shí)現(xiàn)N路的分配合成，其電路平面結(jié)構(gòu)和駐波比特性如圖1所示，通過端口間相互的隔離電阻，在87～108 MHz的頻率范圍兩路合成可達(dá)到約23 dB以上的隔離度、0.2 dB的最大功率損耗；在±10%帶寬內(nèi)，3路合成可以實(shí)現(xiàn)小于1.30的駐波比，或2路合成實(shí)現(xiàn)小于1.15的駐波比，可較好地實(shí)現(xiàn)功率合成。

圖1 N路分配合成器電路平面結(jié)構(gòu)和駐波比特性

六路分配合成采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)，分配板先進(jìn)行三分配再兩分配成六路，合成板采用先兩路合成再三路合成輸出。通過ADS仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了全帶寬的設(shè)計(jì)。考慮到微帶線通過的功率容量和插損[4]，在3路功率合成時(shí)選用3 mm厚的聚四氟乙烯板材帶線寬帶大于3 mm，可有效保證每路微帶線的功率容量。通過圖2的調(diào)頻功放的熱成像實(shí)例測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，在輸出5 000 W功率時(shí)帶線溫度不超過75℃。采用整板鍍金工藝，進(jìn)口高頻板材，保證產(chǎn)品的一致性，生產(chǎn)調(diào)試簡(jiǎn)單，同時(shí)，帶寬寬、承受功率大、插損小，從而較大提高了整機(jī)效率。

2.2 低通濾波器

低通濾波器的設(shè)計(jì)采用切比雪夫原理[4]，結(jié)構(gòu)為分布式電容與分布式電感的九階低通濾波器。使用濾波器設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和仿真，設(shè)定型式為切比雪夫、低通、并聯(lián)、波動(dòng)系數(shù)0.05 dB，9階、帶寬115 MHz，輸入輸出阻抗50 Ω，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖2 調(diào)頻功放熱成像實(shí)例測(cè)試

表2 低通濾波器參數(shù)

圖4 整機(jī)原理圖

仿真結(jié)果：在87～108 MHz范圍內(nèi)，插入損耗0 dB(理想情況下)、回波損耗≤-19.4、帶外抑制（174 MHz）≤-50.82 dB

從大功率的使用要求考慮，降低插損是首要考慮的問題。沒有采用通常的圓銅線或扁銅線繞成空心螺旋線圈，從微帶電感上受到啟發(fā)，設(shè)計(jì)了折線式分布參數(shù)電感，經(jīng)過對(duì)使用的金屬材料的甄選、涂覆工藝的保證、精密模具的加工調(diào)試和反復(fù)的性能試驗(yàn)測(cè)試，得到了一定外形尺寸下的比較精確的電感值。實(shí)物見圖3，經(jīng)過調(diào)試，在87～108 MHz范圍內(nèi)，插入損耗低≤-0.2 dB、駐波比≤1.25（回波損耗≤-20 dB）、帶外抑制≤-45 dB，實(shí)測(cè)承受功率大≥5 kW，從而較大提高整機(jī)效率，滿足了設(shè)計(jì)要求和使用要求，獲得了較高的性能指標(biāo)和良好的熱穩(wěn)定性，保證了發(fā)射機(jī)的諧波輻射優(yōu)于國(guó)標(biāo)要求。

圖3 低通濾波器實(shí)物圖

2.3 開關(guān)電源選型

開關(guān)電源的故障率相對(duì)較高，我們選用四只品牌高效開關(guān)電源，組成的N+1供電組的輸出功率可以達(dá)到12 000 W，實(shí)際使用功率約7 000 W，電源輸出功率的冗余量約70%。整流模塊適應(yīng)-40～+75℃；電源工作效率高達(dá)96.2%；標(biāo)準(zhǔn)安裝結(jié)構(gòu)和熱插拔設(shè)計(jì)，高功率密度，電源模塊及安裝機(jī)架體積小、1U高度；率因素校正為0.995；CAN 接口，自動(dòng)均流；完善的保護(hù)功能（過壓、過流、過溫、短路及防雷）；支持熱插拔，N+1冗余，維護(hù)方便；具有前面板LED指示；具有ROSH6、UL、CSA、VDE、CE等相關(guān)認(rèn)證；內(nèi)置兩只大風(fēng)量智能散熱風(fēng)扇，支持風(fēng)扇的變速功能。

3 整機(jī)簡(jiǎn)介

小型高效一體化大功率調(diào)頻發(fā)射機(jī)的整機(jī)原理如圖4所示。

整機(jī)由激勵(lì)、100 W推動(dòng)功放、5 000 W末級(jí)功放、主控、電控、冷卻等6個(gè)功能單元組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)上采用正反兩面布局，按照功能不同，正面為5 000 W末級(jí)功放單元，反面為激勵(lì)、100 W推動(dòng)功放、冷卻、主控、電控等單元。各個(gè)功能單元模塊化設(shè)計(jì)放置在正反兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整體性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。激勵(lì)單元采用DSP+DDS的數(shù)字調(diào)制板，指標(biāo)高，接口完備。100 W推動(dòng)功放單元采用NXP公司高增益抗高駐波比抗靜電的塑封管，兩級(jí)放大，全微帶輸入輸出阻抗變化，電路簡(jiǎn)潔，可靠性高。主控單元采用24064液晶屏作顯示頁面簡(jiǎn)潔明了；實(shí)時(shí)檢測(cè)功放狀態(tài)和告警信號(hào)便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制；故障下功率自動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)功能。電控單元配置大容量空氣開關(guān)、B1級(jí)避雷器保護(hù)系統(tǒng)。冷卻單元使用三只并聯(lián)冗余強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方式，風(fēng)機(jī)壽命達(dá)10萬小時(shí)，風(fēng)量大噪聲低、冷卻效果好，一只風(fēng)機(jī)故障可以保證發(fā)射機(jī)正常工作。整機(jī)進(jìn)風(fēng)防塵設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命，維護(hù)方便。機(jī)箱采用高光潔不銹鋼板，高精度數(shù)控加工成型，整體結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良。

4 結(jié)語

采用6只BLF188XR功放管設(shè)計(jì)的5 000 W調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)具有小型化、高效率、一體化、模塊化、數(shù)字化、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過廣電總局規(guī)劃院檢測(cè)中心測(cè)試，主要技術(shù)組指標(biāo)：輸出功率5 000 W連續(xù)可調(diào)；射頻效率75%；殘波輻射＜-70 dB；頻率響應(yīng)＜±0.1 dB；左右聲道電平差＜0.1 dB；立體聲分離度≥60 dB；立體聲信噪比≥80 dB；失真度＜0.1%，完全滿足入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求。