射频功率放大器

摘要：介绍了中波广播发射机中射频功率放大器的组成，工作原理和效率分析，以及其维护、维修的要点，并对比实际电路做刨析。
关键词：射频功率放大器；场效应管；工作原理；效率；维护；维修

0 引言
    随着广播进入数字化的发展模式，生产和运行的全固态PDM和DAM中波广播发射机中的射频功率放大器，也就是功放末级全部采用了场效应管桥式丁类放大器。高频功率放大器实质是一种受控源能量转换器，在高频振荡电压激励下，将电源供给的直流能量转换成高频交流能量。因场效应管在低躁声、大功率、高效益方面的性能十分优越而得到广泛应用，是功率放大器最理想的放大器件，特点是输入阻抗高、输出功率大、开关速度快，通频带宽、高频特性好。调制功放是全固态中波广播发射机中的高电压、大电流汇聚之处，是绝对的故障高发区。无论是1 kW、10 kW、50 kW的全固态PDM或DAM机中，这一块大同小异，一般中、小功率机上调制和功放是分开的，中大功率机上则合二为一，统称调制功放，多见于50 kW、100 kW、150 kW机，加工成独立小合，便于维修和互换。

1 电路结构和原理
    射频功率放大器不同于其它工作于甲类、乙类、丙类的电子管射频功率放大器，不需要高电压；也不同于其它低频功率放大器，没有多少带宽。丁类放大器中场效应管工作于开关状态，漏极耗散功率非常低，虽然开、关过度期工作在线性区功率很大，但工作频率高，过度期非常短，工作效率比以往功率放大器大大提高，实际上就可以做到百分之九十以上。
    场效应管丁类放大器都是由两个或以上成对的管子组成，它们分成两组轮流导通，合作完成功率放大任务。控制场效应管工作于开关状态的激励电压可以是正弦波也可以是方波。实际电路有两种，即电流开关型和电压开关型。因为电流开关型电路中，输出电流是方波，工作频率高时场效应管开关转换时间不能忽视，所以中波广播发射机中采用电压开关型电路。分为全桥和半桥两种工作方式。
    桥式功放就是现在生产和运行的中波广播发射机中的射频功率放大器，桥式功放是由4个场效应管按电桥形式连接，以丁类开关放大方式工作的连接方式被叫做桥式功放，此全桥连接方式是一个H型，故又称为H型丁类放大器。全桥电路是由两个半桥组合而成，左右两部分的输出与相对的合成变压器初极线圈首尾相连，这种结构类似传统推挽电路形式。两个射频功率放大器被设计成由独立电源系统供电，推动信号也是由电桥两部分各自独立输入，射频功率放大器这个半桥工作方式就被利用到预推动级。

2 实际电路解析
    为了便于互换和维修，在发射机中，无论是预驱动放大级，驱动放大级，还是射频功率放大级都采用相同的射频功率放大器。将其做成模块形式，即一组功率放大器为一个模块。例如762厂生产的AM103S5-10 kW，DAM的机中就有42个大台阶功放模块和6个2进制功放模块，还有4个功放模块用在推动和预推动级。这些功放模块随功率大小和使用机器型号不同，加工成各种小板，便于互换。
    供电电压分别供给两部分电源输入端，由每组桥臂下功放管返回地面。供给大台阶功放模块的是230VDC，供给2进制功放模块115VDC，30VDC，115VDC供给推动级模块，60VDC供给预推动级模块。
    电源电压经射频扼流圈L1，L2和保险丝F1，F2。若电桥中半部分保险丝熔断，另外半部分会继续工作。对于用全桥结构的功放模块，此时仍能放大输出，只是输出功率减小了，输出到射频变压器初级的射频电压峰——峰值是原来射频电压的一半。
    C1，C2，C3，C4为旁路电容，将不需要的射频部分旁路到地，红色发光二级管DS1，DS2在模块保险丝熔断时通过R1，R2点亮，R1，R2为限流电阻。
    射频推动电路由变压器T1，T2及相关并连匹配网络组成。两个射频推动变压器分别用于全桥A＼B两部分。单独来自射频分配器的同轴电缆把射频推动电压馈送到每个模块的A＼B两部分，这样两部分推动信号互不影响，不会因某部分推动信号故障而影响另一部分正常工作。
    射频推动变压器初级分别带有并连匹配网络增宽了输入回路的带宽，就使中波广播在任何频率下工作都不用变换元件参数。变压器T1的匹配网络由L3，R3，R5组成，变压器T2的匹配网络由L4，R4，R6组成。
    每个射频推动变压器有两个次极线圈，可提供两个相位相差180度的推动信号电压，背靠背齐纳二级管VD1，VD2，VD3，VD4是保护场效应管控制栅免受过激损坏及产生的瞬间电压冲击。
    V1，V2，V3，V4是N沟道的大功率MOS场效应管IRFV350，工作于开关状态，将供电电压通过C8供给合成变压器初级线圈，产生一个方波电压输出。
    控制电路由来自调制编码器TTL高电平及较小的负电压控制射频功率放大器的通断。负电压由直流稳压电路B-提供，因为模块有开关特性，根据在某段时间工作模块数量，负电压会随调制情况而取值不同并且改变模块通断时间。
    模块板上控制电路由V5，V6，V7及相关器件组成。来自调制编码器的TTL“低”控制信号会使三极管V5导通，V7截止，使变压器T1次极通过V5射频接地，为并接的场效应管V3控制栅提供射频推动信号；同理，供给V4的射频推动电路，只不过通过V6射频接地而已。当TTL“高”控制信号到来时，使V5截止，V7导通，将来自变压器T1，T2的正半周射频推动信号电平被VD7，VD8箝位于略高于地电位，场效应管导通所需的推动电压有几伏，大大超过二级管结电压就可有效防止并接的场效应管V3，V4导通。
    场效应管交汇处是半桥的输出端，电容C8做直流隔离。
    射频放大器模块在OFF状态，合成变压器初级线圈就没有电流供给，模块也不会有任何功率输出。但电流仍会通过合成变压器次级，除非所有射频放大模块输出功率为零，这就使得合成变压器初级线圈产生射频电压。当V1导通V2截止时，感应的低阻射频电流就流经V2的反接二级管，由旁路电容C3，C4旁路掉；当电压极性相反时，V1截止V2导通，感应的低阻射频电流就流经V1的反接二级管，由旁路电容C1，C2旁路掉。

3 维修的要点
    功放模块常见在不同位置，同一功放模块常重复损坏。一般是场效应管与散热体之间的绝缘体有损伤，尤其在修复后的模块上发生，任何一焊点的碎片或散热体上的毛刺，都可以导致绝缘体绝缘失效，从而引发模块常重复损坏。维修时要先检查模块板上有无虚焊、连焊，印制铜皮有无断裂及打火痕迹，元器件有无变色、开裂现像，可起到事半功倍的效果。模块开关电路也可导致场效应管损坏，若仅桥式功放一
边的场效应管击穿，在修复模块时要检查模块开关电路是否有器件损坏。如果射频推动信号电平和相位不正常也会导致场效应管损坏，要着重检查射频推动变压器T1，T2及双向二级管VD1，VD2，VD3，VD4。
    功放模块也常见在同一位置不同功放模块连续损坏。所有功放模块的推动信号电平在23 V左右，各模块之间推动信号的相位差也应在5度以内，这些常存在于模块外电路，如射频推动电缆故障，射频分配板或合成母板上的插头连接不良。正像模块之间推动信号的相位差应在5度以内一样，每个模块场效应管的漏极转换波形的相位差也应在5度以内。如模块接插不良，射频功放补偿线圈抽头错误，或射频输出环形变压器有问题。这种故障模块损坏前会工作一段时间，但工作温度较其它模块要明显偏高。每一模块的射频输出由输出变压器耦合到功率合成器，所以要常检查输出变压器磁环是否破裂，是否有打火痕迹。模块经常拔下、插上致使插座接触簧片张力减退或簧片变形，造成接触电阻增大，也会导致模块被烧。
    在随机位置上也会出现模块连续损坏，这就要看A＼D转换器采样脉冲、调制电源、驻波比保护电路、过载保护电路、冷却气流不足、发射机网络失谐等等。

4 维修实例
    射频功率放大器故障由面板“功放”红灯显示，也称“包络出错”故障。这种故障的检测原理是将两个相关的音频信号进行比较。一个信号是A／D转换板上数字音频信号再经D／A反变换，恢复成原来的模拟音频信号和另一个从发射机输出端取样的已调制信号经解调后得到的音频信号，正常时，两个信号波形基本同型，“功放”灯呈绿色。假如有个功放发生故障，调幅波的包络就会失真，解调后得到的音频信号与A／D转换板上重建音频信号不再相同，“功放”灯变成红色。“功放”红灯亮就表示可能有功率放大器故障，可由功放板上的红灯来确定哪只功放有问题。例如突然烧毁绝大部分功放模块，不能开机播出。先看电源部分，交流接触器年久打火烧坏，更新后，逐一换上保险，虽能开机播出，但输出功率很低，正常调整高功率不起作用。仔细检查，是推动电压偏低，突然的欠激工作导致大部分功放模块瞬间烧坏。可见要时常关注激励信号，避免造成更大的损失。尤其在自动控制不间断播出的今天。