XL 全固態高功率中波發射機

2001-08-20 朱文星廈門廣播電視局依馬獅網

介紹

本文闡述了Nautel新開發的高效率、高功率和XL系列廣播發射機的運行，且指出了其高于一些廣播發射機新技術的明顯優點。本文所重點講述的是XL系列發射機里中波AM發射頻段的60.0kW。

D級功率放大器

Nautel高效率和高穩定的寬帶功率放大器引用了4個MOSFET，組成一個H形。下面圖 1是其示意圖：

圖1 簡化的RF功率放大器

這些MOFET在RF載波被驅動，作為一個開關來形成一個電壓方波。管子Q1和Q4被驅動來飽和波的正半部分，Q2和Q3作為負半部分。被引入到T2變壓器的初級輸出電壓是一個峰值等于電源電壓的的方波。T2變壓器的輸出被連接到一個濾波電路。如果Q1到Q4是理想開關，D類放大器則可以達到100%的效率。然而，所有的MOSFET都有一個小的“on”阻抗（Rds-柵極源極間電阻）和一個相對大的柵極-源極容抗，在MOSFET器件就有了重要的元件損失。傳導損失和開關損失可以用以下公式定義：

傳導損失=I2Rds (1)

開關損失=Fc(B+)2Coss (2)

在這里：Rds柵源極間阻抗；Fc載頻；Coss為MOSFET寄生輸出容抗；B+為功率放大器電源電壓。

等式（2）定義了MOSET的開關損失。在一個傳統的D類放大器里，這可以是一個放大器的最大限制因素，因為在器件工作在1.6MHz且存在著大的柵源電壓時會有過大的功率耗散。

XL發射機電路方框圖

XL系列發射機使用一個創新的技術，它允許將近90%的寄生容抗存儲功率轉換到輸出負載中。結果只有10%的理論開關損失在MOSFET耗散（等式3）。Nautel的新型D類功率放大器達96%的效率！功率模塊的總效率，如圖2所示，包括界面間調制器，RF功率放大器和輸出合成變壓器是96%。

開關損失≈（0.1）Fc（B+）2Coss （3）

RF功率放大器單元重240克；效率96%；輸出功率800W，在載波時，100%連續音頻調制時平均RF輸出功率是1200W；尺寸：117×71×35mm。

如一個D類功率放大器，由8個IRFP460 MOSFET組成，產生800W的輸出功率，Rds為0.40，MOSFET結合溫度為75℃，在B+為130Vdc平均MOSFET寄生阻抗（Coss）等于500pf。通過每個MOSFET的RMS電流（π/2次的平均柵流）等于2.42A RMS。這樣，合成序列損失（2.34W）加上開關損失（1.35W），每個MOSFET就是3.69W。由于每個MOSFET產生100W的輸出功率，D類功率放大器是96.3%效率。

XL系列發射機不受重大的熱力循環影響，因為所有的RF放大器在任意調制水平里都是連續工作。這是十分必要的，因為熱力循環是引起器件故障的一個重要因素。

界面調制器

界面調制器由兩個開關器控制的相同PDM組成，一個延遲1/2μs。每個調制器產生矩形波，然后兩個矩形波各自被濾波之后再在RF合成器里相加。

這個調制器的特點包括：(1)高效率；(2)只需要一個簡單的寬帶低通濾波器來濾波實際的開關頻率；(3)重要的是有更小的輸入開關電流，這樣減少了噪聲且提高了負載頻響來得到所需要的高性能。

這個調制器也使用了Nautel專利的電壓補償電路管允許調制器在無穩壓的DC功率電源上工作。這樣的結果是，少了一個花錢且無效率的穩壓電路。

調制音頻信號通過一個運行的放大器，在這放大器里面的反饋環有一個乘法器電路，之后產生一個模擬“分配”功能。電源電壓的一個取樣被引入到乘法器的另一個輸入。用于產生PDM驅動信號的模擬輸出結果就包括了音頻調制信息和一個代表電源電壓相關聯性的成分。這樣PDM信號自動操作來動態補償電源的波動與噪聲、負載穩定效果。

調制單元重260g；效率98%；輸出功率1600W，在100%連續調制平均輸出功率為2400W；尺寸117×71×35mm。

這樣，在所有的XL系列高功率發射機里，就可省掉一個輸入dc穩壓器。這樣高電壓功率電源就很簡單，花費很少且穩定。

串形合成器VS并列合成器

現代全固態發射機利用很大數目的功率放大器。它們的輸出通過一個RF合成器進行功率合成，組成任意功率的發射機。

1.串形合成器

如圖4所示，串形合成器在近來將近所有的全固態中波AM發射機里都會發現，在那兒功率放大器的輸出被串起來就如Σ（V1...Vn）。這個合成器有一個內在的缺點。如果一個PA的低阻抗曾經被增大，如用一個已被替換的PA工作的發射機或在MOSFET在故障模式里柵源極電阻很大時，這樣就會在串形合成器變壓器上引入一個很大的電壓。鐵素體的過壓會導致合成器的損傷。

一些商業AM發射機現在使用超過100個功率放大器，它們被連接成串形合成器。一個進入高阻抗模式的PA會很容易地損壞脆弱的合成器，而使發射機好長一陣子不能正常工作。