全固态发射机末级功率放大器电路优化介绍

科学技术创新2018.06
全固态发射机末级功率放大器电路优化介绍
俞大明
（福清市广播电视台，
福建福清350300）近几年来各电视台由于原电子管发射机都已老化，大部分已更新或改造，而全固态发射机已成为更新后的主流设备。

许多一线的技术人员对这方面的知识有待了解，全固态发射机与电子管发射机相比具有明显的几大优点：无故障工作时间长（不存在管子老化）、功耗小（相当于同功率电子管功耗的0.4－0.5倍）、技术指标高、易维护等特点。

而电子管发射机与全固态发射机最明显的区别是在末级功放电路。

现在就目前全固态发射机末级采用管子及多路功率合成和分配技术介绍如下：
1功率管介绍（末级功放管）
目前国内各厂家在1KW 以上的全固态发射机（在FM 段和VHF 段），主要使用PHILIPS 公司生产的VDMOS 大功率管BLF278，（也有使用MOTOROLA 公司生产的MPF151G ，其电路形式及外形封装皆同于BLF278），而在UHF （分米波）段主要使用PHILIPS 公司生产的LDMOS 大功率管BLF861A ，它是早期BLF861的改进型。

这两种管子皆为双推挽硅N 极道增强型D-MOS 管，现将技术参数及特点介绍如下：
（1）BLF278的RF 参数如下：
（2）该管具有以下几个特点：a.高功率增益；b.改变栅极电压大
小可以控制功率；c.有很好的温度稳定性；d.效率高功耗小。

（3）BLF278在调频段（FM ），功率可达300W 以上，工作电流在
8A 左右，（漏极电压为48~50V ）；在VHF （电视）频段功率可达
170W~200W （同步顶功率）以上，工作电流在6A 左右（加电视信号
时）漏极电压为48~50V ；要达到单管的最大功率输出决定于两点：电路的正确设计及调试人员的技术水平。

（4）一般工作电路形式。

由于这种管子为双推挽D-MOS 电路，因此在原来功率管输入匹配、输出匹配之前或之后需加不平衡转平衡输出（分配），平衡转不平衡输出（合成），见图1。

图1双推挽D-MOS 电路通用形式
功率管的输入和输出匹配电路在甲类功放电路中都有详尽的论述，这里我们就不加以讨论。

这里我们只是对双推挽电路的分配
和合成采用的原理加以介绍。

根据功率管输入阻抗的不同，
我们主要采用1：4传输线变压器（管子的输入、输出阻抗为25Ω）和1：1
传输线变压器（管子的输入、输出阻抗为50Ω），进行分配和合成。

现在介绍一种用于调频单管BLF278模块输出功率合成电
路，如图1，D 1、D 2构成1：4传输线变压器反相功率合成器，
合成输出功率大于300W ，D 1和D 2为两节同轴电缆，特性阻抗为25Ω，
BLF278放大管输出为等幅反相，A 1和A 2输出阻抗为25Ω，根据
1：4传输线变压器合成器原理。

C 点为和端输出，D 1和D 2点为差端输出，A 1路输入信号经过D 1同轴电缆芯线1－2－D 2同轴电缆的屏蔽层8－7－C ，A 2路输入信号经过D 2同轴电缆芯线3－4－D 1电缆屏蔽层6－5－C ，A 1、A 2输入信号经过相同的长度，且具对称性。

在C 点产生等幅反相电流互相抵消，无输出，在B 1、B 2点产生等幅
反相信号相减得到合成功率P B1、P B2。

P B1、P B2经D 3（同轴电缆
）1：1平衡～不平衡传输线变换器换成单端输出。

2末级功放电路
2.1末级功放电路以BLF278两管合成电路为单元，调频1KW 、电视VHF 1KW 、末级方框图。

图2TV 、FM 1KW 四路分配合成方框图
电路优点是以两管合成电路为单元，合成功率可达350W 以
上，四路合成可达1.2KW 以上，
若以1KW 电路为单元经同相分配和合成，
可达到5.5KW 以上。

2.2功率合成和分配电路的评价指标
插入损耗小：即合成时尽量降低合成损耗，
成为选择网络结构形式最主要因素，不仅是要求网络本身损耗能做到低，并且要求减少合成级数，最好不要超过三级。

合成路数：3dB 耦合器仅适用两路合成。

阻抗变换方式和基于1/4λ传输线路的阻抗变换原理的魏金森网络则用于多路合成。

匹配带宽：3dB 耦合器工作频带宽，易匹配，
多路合成阻抗变换器频带较窄，
在VHF 低频道或FM 段需单频道设计。

隔离性能：隔离能力是指合成电路中有一路无输出，
甚至取掉一路功放（或功放单元）时，对其它各路工作状态的影响程度，要求能对其它各路没有影响。

一致性：要求功率放大器单元每路输出具有同增益、同相位。

2.3各种功放分配合成电路一般论述
实际中（见前面方框图）
都是以两管通过3dB 分配和3dB 合成，组成放大单元，通过多路同相分配和合成组成1KW 单元。

而大于1KW 以上，则是以1KW 单元为基础。

多路同相分配和合成，
一般≤1KW 放大单元级数为二级，1KW 以上放大单元级数为三级。

现着重分析一下，3dB 耦合器和以1/4λ传输线段阻抗变换器原理的多路同相合成网络，以及一些组合型合成网络。

（1）3dB 耦合器（见图3）。

采用3dB 耦合器作为功率分配和合
成网络工作原理如图，将信号源接于端口1，其它各端口接入负载
R ，则当信号源由端口1输入后，带状导体1~2中将有交变电流I I 经过，由于带状导体互相靠近，故在带状导体3~4中将有电流出现，它是由耦合电容C 0和磁场耦合而来，若没通过耦合电容C 0耦
工作类型 f （MHz ） V DS （v ） P L （W ） G P （dB ） ηD （%） 乙类F M 108 50 >300 18-20 >60 甲乙类VHF 225
50
>250
14-16
>50
摘要：近几年来各电视台由于原电子管发射机都已老化，大部分已更新或改造，
而全固态发射机已成为更新后的主流设备。

关键词：全固态发射机；功率管；电路优化中图分类号：TN948.53文献标识码：A 文章编号：2096-4390（2020）06-0164-02164--
2018.06科学技术创新合在带状导体3~4中引起电流I C ；同时由于I I 产生交变磁场作用，在导体3~4中感应电流为I L ，根据电磁感应定理可知感应电流I L
的方向与I I 相反。

当导体1~2和3~4距离合适，
使在3~4中的电流流向端口4的I C 和I L 互相抵消为零，而流向端口3的电流为I C 和
I L 之和。

则端口2和端口3将有信号输出，通常1为输入端、2为直
通端、3为耦合端、4为隔离端。

图33dB 耦合器示意图
当带状导体长度为1/4λ，定向耦合器处于完全匹配时，则如输入为U i e j0°，则2端有2√2U i e j-90°，3端有2
√2
U i e j0°，从功率角
度为P 2＝P 3＝1/2Pi ，而两者的相位相差90°。

3dB 耦合器具有较好的隔离性能，隔离度可达26dB ，容易匹
配，工作频带较宽，一致性较好，
它的隔离特性和宽带是合成和分配电路中最好的。

它的结构形式常用的有蛇形线、带状线、微带线及双绞芯电缆。

其中蛇形线多用于VHF 和FM 波段，带状线和微带线用于UHF 波段，双绞芯电缆在电视频段兼用。

（2）N 路1/4λ线同相合成网络以及魏金森网络。

N 路1/4λ
线同相合成网络以及魏金森网络，
原理是依据传输线理论，对一段1/4λ而言，当一端加入信号源，且内阻为Z I ，另一端接负载Z L ，只要选取传输线的特性阻抗Z C 满足Z C ＝Z I Z L √，即可实现阻抗匹
配。

同样利用多根1/4λ线也可构成N 路同相分配和合成网络，要实现匹配，1/4λ电缆的阻抗为Z C ＝NZ L Z I √，当Z I ＝Z C 时，Z C ＝N √L ，
其原理图如下：图4N 路同相功率合成电路图图5N 路魏金森等效合成网络
在一般理论书中，主要介绍图四的原理，图4中的1/4λ线的
线性阻抗为N √Z L ，A N 点的阻抗到B N 点的阻抗为Z B ＝Z C 2/Z L =
（N √Z ）2
/Z=NZ ，B N 点的阻抗为N 个N √Z L ，并联取Z L 与负载阻抗
Z L 匹配。

隔离特性可从电流走向进行说明，以一路为例，A 1进来的
电流分为I 1和I 2。

一路为：I 1A 1点→I 1（-90°）B 1点→I 1'（-90°）B 2点→I 1"（-180°）A 2点
二路为：I 2A 1点→I 2------→I 2'（Z g1）--→I 2"（Z g2）A 2点
从A 1点出来的信号经一路和二路在A 2点相互抵消，说明A 1
和A 2之间无影响，相互隔离。

同样任意两路之间也无影响，
因此该网络具有良好的隔离性能。

多路合成器当一路或几路非正常工作时，
工作状态分析。

当有N 路功率合成器，有M 路正常工作时，总的输出功率公
式，故障路上隔离电阻功耗公式，
以及无故障路上隔离电阻的功耗公式（详细推导过程不在论述）。

下面给出具体公式，
在实际工作中可以加以计算。

如每路的输入功率为P 0，共有N 路，其中M 路正常工作，具体公式如下：负载总输出功率：P 总输出功率＝M 2N P 0（1）
正常工作路上的隔离电阻功率：P g1隔正常＝N-M N
(
)
2
P 0（2）
非正常工作路上的隔离电阻功率：P g2隔无输出＝M N
(
)
2
P 0（3）
下面给出四种同相合成电路工作情况，在一路损坏情况下工作状态分析：
从表上可以看出，路数越多，当一路损坏时对总的输出功率影
响减少，这里应注意的是隔离电阻的选取，
每一路的隔离电阻一定要选择可能出现功耗最大的电阻，
一般是一路损坏时，损坏路的隔离电阻功率最大，以六路5KW 合成网络为例，其隔离电阻必须大
于0.694×1000，即必须选取隔离电阻在700W 以上，否则功率太小易损坏电阻，则会对其它各路数功放产生影响。

图6六路同相合成器加入1/4λ阻抗变换器
上面讲的同相合成网络，一方面合成路数越多，1/4λ传输线阻抗很大，如在四路以上时同轴电缆的阻抗都在100Ω以上，实际
采购这种同轴电缆比较困难，因此在四路以上合成器电路中，
右边仍为魏金森网络的等效电路图，
左边不经过1/4λ阻抗变换，而是用等长的50Ω同轴电缆，连接到变阻器上，
而变阻器将并联点上的阻抗50/N 变为50Ω，即采用1：N 1/4λ阻抗变换器，
该阻抗变换器采用同轴型结构，利用阶梯阻抗变换的原理，采用平坦型设计，加一级或二级入1/4λ同轴型变阻器，实现宽频带的匹配。

在上述两种网络中，可以实现各路之间相互隔离，
但是对负载失配时（驻波比S 较差或全反射）隔离能力较差，
反射的功率通过合成网络加到各路功放上，对功率管会造成损坏，
这就对反射保护电路要求较高。

而环行器混合型多路合成网络是在魏金森等效网
络基础上，在每一路输出合成前加环行器，
位置在图6A1至A6各点之后。

它是利用环行器的单方向传输的特性来实现隔离的，
当反射信号回到各路功放时，先到环行器上，
然后加到环行器的另一端负载上，从而保护了功放电路，在实际使用中应注意环行器的相移。

多路使用时环行器必须同插损、同相移，否则会降低合成效率。

在每种功放进行多路合成时，应从技术指标、结构、经济性多方面比较，寻求一种最佳方案。

本文只是对目前末级功放电路中，功放电路及分配合成电路
一点浅见，希望能给从事发射机生产、
维护的同行提供点帮助。

文章中可能存在一定的不足和片面性，
希望各位能提出宝贵意见。

类别
负载总功率 损坏路隔离电阻功耗 正常路隔离电阻功耗
四路中1路损坏
2.25 P 0 0.563 P 0 0.0625 P 0 六路中1路损坏 4.16 P 0 0.694 P 0 0.028 P 0 八路中1路损坏 6.125 P 0 0.744 P 0 0.015625 P 0 十二路中1路损坏
10.08 P 0
0.840 P 0
0.0069 P 0
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