TB45-103S液冷发射机功放单元设计分析与维护
【摘要】蓟县府君山发射台两部意大利s i e l公司生产的TB45-103S型10KW发射机为单激励器、双通道液冷电视发射机，用于分米波段二十二频道天津公共电视节目的无线播出任务。本文重点对发射机U A252L L V功放单元的射频逻辑控制、射频控制、射频末级放大、及电源分配控制等环节的设计思路进行了阐述，并对其典型故障进行了分析和总结，不当之处敬请批评指正。
【关键词】UA252LLV功率放大器 HSMP3810 宽带
移相电路 器件烧毁
一．概述
T B45-103S型发射机为单激励器、双通道大功率液冷电视发射机，整机采用5块U A252L L V型2.8K W功率放大器，其中四块用于10K W图像功率，另一块用于1K W伴音功率，图像功放和伴音功放可通用，有力地节约了备件资源。为了方便对末级功放的监测与调整，发射机对5块功放单元的运行数据进行了采样，并在监测单元采用数码管集中显示。功放单元的开关电源采用超高冗余的外置模式，三组2KW开关电源相互协作保障功放单元的稳定运行。功放单元与机架的连接采用螺杆渐进式紧固方式，避免了快速拔插带来的撞击震动和损坏输出接口的风险。发射机的功放单元及功率合成单元采用液冷方式冷却，功放单元外置的开关电源以及激励器均采用风冷模式。
二．UA252LLV功放单元结构
UA252LLV型功率放大器由逻辑控制单元、射频控制单元、射频推动单元、末级放大单元、电源分配单元等组成。如图1所示。此功放为470M H Z-860M H Z的全U段设计，逻辑控制单元接收到开机命令，开启P S U开关电源并与射频控制单元进行数据交换，通过使能信号启动射频控制及射频放大单元工作，如果产生报警信息可及时关断射频控制。逻辑控制单元还通过U p485接口与外部进行数据传输，显示出功放单元当前的工作状态。射频控制单元可以实现射频功率控制和输出相位的整体调节，为减少合成损耗提供必要的保 障。射频推动和末级放大单元均采用以M R F377为核心的放大模块，末级采用8组模块并联模式通过威尔金森分配与合成网络最终输出功率为2.8KW。电源分配单元将三组PSU开关电源合理分配，保证功放单元的供电安全。
三．功放单元分部的设计分析
1.逻辑控制Logic逻辑控制单元接收来自发射机总控的开机命令，并确认功放连锁保护电路正常后，E N A B L E使能信号为高电平，启动P S U开关电源及各级射频放大。通过外部U p485接口将功放单元的输入功率、输出功率、反射功率、电压、电流、温度、不平衡功率等运行数据显示在整机前面板的功放监测单元上，方便对功放单元进行时时监测，确保功放单元稳定运行。射频联锁保护原理图如图2所示，当检测电路检测出过激励，输出过大、反射超限、不平衡功率过大、过压、过流、超温等故障时，IC23(HEF4051BT)的3脚VBIAS由原来
的12V被钳制到-5V，及时将功放单元射频通路关断。I C23为带逻辑电平转换的8通道模拟开关，使用M O S管的开关方式控制信号链路的通断，确保功放单元安全。2.射频控制Control
·射频增益控制
在放大器的射频前级接入了由电容、电阻、电感、二极管等组成的电控衰减网络实现增益控制的目的。其中D1 （H S M P3810）、D2相同，为分布电容很小的P I N管作为电控增益器件之一，它的作用和一般的P N结二极管相同，但结构有所差别。其管子两边分别重掺杂P型和N型半导体，中间本征半导体I的电导率很高，所以P I N管在零偏置时电阻很大，可以达到7-10K Ω。在正偏置时，由P区和N区分别向I区注入空穴和电子，它们在I区不断复合，最终达到平衡，可使原来电阻率很高的I区变为低阻区。正向偏置电压越大使I区的电阻越小，由于P I N管的分布电容很小，使得它的频率特性优良，因此它的阻值只决定正向偏置的电流。在图3中，V D C为电路提供直流偏置电压，增益控制电压为U p，当u P电压为零时，D1阻抗很大，U I通过R1、R2、R3、D1、C1等组成的传输网络正常输出。增益需要调节时，通过功放前面板的增益控制电位器可以使U p在0-12v之间变化，当Up电压逐渐升高时， D1正向偏置电压逐渐变大，D1的阻抗随之变小，A点的电位随着D1阻抗的变小而上升，使得D2的正向偏置变小，D2的阻抗变大，输出U O u t信号逐渐变小，达到了电压控制增益的目的。
·相位调节控制宽带移相电路基于容性负载全反射的机理引入相位偏移。采用变频二极管与3d B桥结合形成混合型移相器，实现 电压调节改变相位的目的。这种调相的方法仅限于工作在m W量级，因此将此调相电路加到功放单元的射频控制级。图4为移相器电路原理图，其中变容二极管、电阻、3d B桥及微带线组成了RLC串联谐振电路。
当f v<f0时，谐振电路相当于r C电路，电流I R超前电压U i，即输出u R超前输入电压U i，相移为φ正。当f v＞f0时，电路相当于RL电路，电流IR滞后电压UI，即输出UR滞后输入电压U i，相移为φ负。当f v=f0时，电路相当于r L C谐振电路，Φ0=0。相位调节向量图如图5、6、7所示。
通过调整R1电位器，改变了变容二极管的电容容量，进而使输出电压相位超前或滞后输入电压相位，达到了调节功放单元相位的目的，通过和其它功放单元相位的合理调整，最终可以使整机功率输出达到最大值。根据威尔金森网络特点在调整本单元输出相位时可能影响相邻功放单元的工作状态，应反复调整各个功放单元使相位均保持一致，达到功放单元端口良好匹配，减少功率在合成网络的损耗，使功率合成达到最佳状态。调相后的功放运行一段时间后, 由于器件状态、环境温度等因素会发生变化，可能使功放单元的整体工作状态产生变化, 导致整机功率下降，还需要时时关注功放的功率输出及反射，必要时应重新进行相位调整。3.末级放大AMP
图8为末级380W功放模块原理图， 核心部件T1、T2为M R F377场效应管，非常适用于大功率线性放大单元，32V直流电压V D C通过R9、R11为功放管T1、T2提供栅极电压V G S，通过改变R9和R11可改变功放管的的静态工作点。V D C还通过R14、R15、T R3、T R4等给功放管T1、T2提供漏极电压。稳压管D3、D4稳定静态工作点，从而获得最佳线性指标。其采用一体化结构的对管进行推挽放大，具有输入、输出易于匹配及前后级隔离好的特点，并可以获得最
为满意的幅频特性、增益特性以及良好的线性指标。单级380W功率放大单元静态工作电流I D Q=0.1A，可通过电阻R22=0.01ω测量静态工作电压为1mv。4.电源分配Distribution电源分配原理图如图9所示。电源分配单元中利用两个整流桥V T1、V T2实现了三组32V开关电源合理分配，相互协作的设计理念。V D C1、V D C2、V D C3-8分别为射频控制级、射频推动级和末级射频放大单元供电，V1的正端1脚除直接为V D C3、V D C4供电外，还通过V T1的D1为射频控制级V D C1、推动级V D C2供电。V2的正端2脚除直接为V D C5、V D C6、V D C7供电外，还通过V T2的D5为射频控制级VDC1、推动级VDC2供电。V3的正端 3脚除直接为V D C8、V D C9、V D C10供电外，还通过V T2的D6为射频控制级V D C1、推动级V D C2供电。其中D2、D5、D6又使三组电源相互隔离，单组电源故障后彼此不受影响。通过这样的设计保障了三组电源中有任意一组甚至两组电源故障都不会造成整个功放不工作，只会影响部分末级的供电，充分优化了开关电源的资源，为射频控制和推动级供电提供了三层保障，解决了功率放大器单一开关电源高故障率的瓶颈问题。
四.故障实例与检测
（1）功放模块器件烧毁故障
·场效应管MRF377故障在一次维修中发现整机输出功率下降至9K W。功放前面板A L A R M红灯亮，监测面板显示A3报警且红灯报警。通过功放监测单元检测工作电压VCC=32V，工作电流IDC=70A，输出功率F W D=2.1K W。检查处理：用转接控制线将连接功放模块，在转接控制线上应设置使能开关，来控制功放模块的ENABLE信号，功放模块输出端终接500W、50Ω负载。首先断开激励，standby状态开机并送入enable控制信号，检测单级放大器电阻R14上静态电压为1m v，r15上静态电压为0m V。检查T2外围偏置电路均正常，初步判断R15所在的T2功率放大器损坏，测量该场效应管漏极已经短路（正常时漏极对地电阻为3.5k Ω）。更换后，对380W功放模块重新进行静态调整。调节电位器R11使V R15为1m v。将整机功率调至 满功率10K W，通过功放监测板测量其工作电压为32v，电流为90A，输出功率为2.8kw，故障排除。·电解电容C39、贴片电阻R14和R15开焊烧毁故障如果场效应管正常，可能是供电端接触不实或接触面变小产生热阻发热，温度积累并升高造成焊锡热熔，而每日关机后温度下降焊锡冷却重新凝结。反复过程中致器件开焊或焊盘烧坏。
·合成吸收负载R36烧毁故障电路设计要求吸收负载的作用一是当有放大管不工作时吸收由此造成的不平衡功率确保输出。二是反射功率过大时吸收掉过大的功率保护射频放大管。所以当吸收负载烧坏时，要检查这两个原因。若射频放大管正常，则说明有极大的反射功率瞬间产生，超过吸收负载本身极限功率而烧毁。·电感L3开焊故障电感L3是射频放大管输出的保护屏障。电感L3开焊表明通过其线圈的瞬间信号太大而产生热能，热量传到焊盘，积累超过焊盘负重，使其开焊。电路设计正常工作时不会发生上述情况。L3线圈发热只有反射来的信号会使其产生过大的热量。前面已分析放大器有反射保护控制电路，当发射信号过大超过保护阈值后会自动降低输出功率来保护自身不受损坏。由于任何信号在电路中都有传输时间，逻辑控制电路的响应时间是所有保护电路中响应时间最快的，因此射频电路的控制一般不使用CPU控制。（2）功放单元无功率输出故障在功放单元无功率输出故障检修中，检测功放单元供电电源正常，射频输入信号正常，工作电流为50A的静态工作状态。图10为功放射频前级，射频输入经过电阻R1、R2、R3和H1分配给射频预驱动管T1、T2。R1、R2、R3组成Π型衰减网络，根据阻值可计算出K=R2/R1=0.06， R1=50*(N+1)/(N-1)，N=UI/UA1，算出 Ui=1.4 Ua1，则π型网络为3d B衰减器。进一步检查发现R2电阻虚焊，造成U a1变大，f A S T P R O T E C T I O N电路为过激励保护电路，当在A1点检测到输入信号过大时， Ua2输出为低电平，拉低预驱动管T1、T2的栅极电压，使功放单元末级功率输出为零，确保射频通路的安全。
五．结束语
UA252LLV型功放单元的设计与控制原理具有代表性和创新性，值得学习和总结，希望得到同行的批评与指正。B&P