全固態調頻發射機易損功放管的原因及解決辦法

代 偉 許 功

（安徽廣播電視臺 阜陽插花發射臺，安徽 阜陽 236000）

我臺用于轉播中央人民廣播電臺第二套節目的發射機是廣東金意公司產的TXSM3000A 型全固態調頻發射機，該機從正式播出以來距今差不多已經連續運轉超五年了。該機的基本原理框圖如圖1 所示，所需轉播的音頻信號首先進入250W 激勵器完成調制、變頻、功率放大，從激勵器輸出一定量值的射頻功率信號到功率二分配器，通過功率二分配得到兩路相同的功率信號再分別送入相應的1500W 功放模塊進行額定功率放大后，相應得到兩路1500W 功率信號，這兩路1500W 功率信號。

圖1

最后進入Gysel 功率合成器完成總功率的合成后輸出到天饋系統；該機采用微處理器技術、總線控制技術等，有一套較為完善的控制、保護系統，在發生過壓、過流、過激勵、功率不平衡、反射過大等情況時機器自身能迅速動作，采取相應措施保護機器和操作人員的安全。總體來看，這部發射機具有技術較為先進、結構簡單、維護方便等特點，但從維護紀錄來看，在已經過去的幾年里，該機卻共發生大大小小的故障不下十余次，平均每年都有一到兩次故障發生，和我臺其他幾部全固態調頻發射機相比，故障率是偏高了。該機最近一次故障現象是在激勵功率不變的情況下整機輸出功率大幅減小，經查是第二塊1500W 功放模塊中的第1、3 兩塊300W 放大器中的核心元件——場效應管MRF151G 損壞所至。在這次檢修過程中，通過對該機歷史故障維護紀錄比對后，發現只要是在激勵功率不變的情況下整機輸出功率大幅減小的故障都具有以下若干共同點：

圖2

（1）通常有一至兩只或更多場效應管MRF151G 損壞。

（2）損壞的場效應管都發生在第二塊1500W 功放模塊內，在場效應管損壞的同時還會有功放模塊內的末級Gysel 功率合成器中對應著的50Ω/250W 吸收負載開路。

（3）這種相同故障發生多次，發生時間基本上都是在每年天氣較熱的夏季。

我們把以上幾點共同點串起來，然后再仔細思考一下，我們就會產生很多疑問，特別是作為放大器的核心器件——場效應管MRF151G 只要其輸入、輸出回來阻抗匹配，工作電壓、溫度和激勵功率在正常工作范圍，其壽命基本上是半永久性的，像這樣相對頻繁地損壞管子肯定不是偶然的突發現象，而是存在著可以導致管子損壞的不明的潛在故障點。本機共兩塊1500W 功放模塊，這兩塊模塊內部結構及電路應完全相同，每塊都是由六塊以MRF151G 管為核心的300W 放大器并聯互為冗余工作，其工作原理框圖如圖2 所示，由前面二功分器來的功率信號先進入同相三分配器，得到三路同相等幅的信號，然后再分別通過一個3db 正交分配器后，得到兩兩正交、共計六路等幅的功率信號分別送入相應的由MRF15G 為核心的功率放大器進行額定的功率放大后，得到六路約300W 左右的功率信號，然后再通過相應的3db 合成器兩兩合成輸出三路約600w 的功率信號，這三路600W 功率信號再接入Gysel 合成器對應的C、E、H 點，通過Gysel合成器進行功率合成，得到1500w 或更高的合成功率由D 點輸出，通過濾波器后進行。

功率輸出至下一級。這兩塊1500w 功放模塊內共有12 塊以MRF151G 為核心的額定功率為300W 的放大器，這些放大器工作在寬帶狀態，工作頻帶覆蓋整個調頻波段，同時是工業化生產，即這12塊放大器電路結構、參數是完全一樣的，既然是一樣的，為什么只有第二塊1500W 功放模塊內有MRF151G 損壞，而第一塊內還沒有出現這種現象呢？另外，在MRF151G 損壞的同時，為什么基本上都會有Gysel合成器中相應的吸收負載開路？（如第1、2 塊300W 放大器這組中有一路MRF151G 燒毀，相應地接在Gysel 合成器中B 點對應的吸收負載也會開路。如圖2）。這說明發射機兩路1500W 功放模塊內存在著不同點，又由于第一塊1500W 模塊沒有出過這類故障，所以就要以這塊模塊作為標準參照，仔細檢查第二塊1500W模塊和第一塊模塊在哪些地方有不同點，而這個不同點很有可能就是造成MRF151G 易損的根源。另外，還應把MRF151G 的損壞和Gysel合成器中相應的吸收負載的開路關聯起來，那就要著重檢查第二塊1500W 功放模塊末級的Gysel 合成器與第一塊1500W 功放模塊內的末級Gysel 合成器有無區別。本機的1500W 功放模塊末級的Gysel 合成器是三路合成器，有三條支路，每條支路是由三段長度為λε/4、特性阻抗為50Ω、具有一定功率容量的傳輸線串聯而成，如圖2 所示，即AB=BC=CD=AF=FE=ED=AG=GH=HD=λε/4，其中CD、ED、HD 這三段采用的是微帶線，其余的為同軸傳輸軟線。C、E、H為三路同相等幅輸入功率的接入點，理想狀態下這三點是互相隔離；B、F、G 三點是吸收負載接入點，理想狀態下在這三點上產生的合成功率應是為零的，但在實際應用中由C、E、H 接入的輸入功率不可能完全相等或同相，那么在B、F、H 三點上就會有一定的、在允許范圍內的合成功率出現，形成損耗功率并被相應的吸收負載吸收，從而不會對整體電路產生不利影響。結合故障中吸收負載開路的現象來思考，吸收負載之所以會開路，肯定是在其上消耗的功率相對過高、時間過長，從而使吸收負載過熱，特別是夏季氣溫較高的季節，吸收負載就會更易變質到完全開路。當某一吸收負載開路后，在相應的吸收點上的合成功率便會沿著傳輸線反向輸出至3db 合成器，這時的3db 合成器反向變成了分配器，輸出兩路等幅正交的功率信號至相應的兩路300W 放大器的輸出回路，這就相當于使相應的放大器核心器件MRF151G 工作于高駐波狀態，從而造成MRF151G 的損壞。可見這部發射機第二1500W 功放模塊易損MRF151G 的原因是Gysel 合成器中相應的吸收負載開路所致。吸收負載開路是在其上消耗了超出允許范圍內的合成功率所致，也就是在B、F、H 這些吸收點上產生了超出正常范圍的不平衡功率，這些功率的大小主要取決于輸入功率的不平衡程度以及在吸收點上幾路功率信號的相位是否反相或相位相差的程度來決定的，從本機實際工作情況來看，輸入到Gysel 合成器的三路功率信號應是同相等幅的，即使幅度略有不同，它們的差別也應是在允許范圍之內的，因為在1500W功放模塊內的所有300W 放大器、3db 功率分配器和3db 功率合成器基本上是完全相同的，那么對在B、F、H 這些吸收點上不平衡功率的大小主要影響就只有剩下通過不同路徑到達這些吸收點的功率信號的相位差偏離所需的180°太多因素所致。如果構成Gysel 合成器的λε/4 傳輸線的實際長度與理論上電磁波在傳輸線內傳輸時的波長的四分之一電長度相差太多，就會造成通過不同路徑到達這些吸收點的功率信號的相位差偏離過多，這些功率信號在吸收點合成，由于它們相位不是反相，在進行矢量合成時就遵循平行四邊形合成法則，就會在相應的吸收點上得到較大的功率信號，并消耗在吸收點所接的吸收負載上。正是基于這樣的思路，著重比對檢查第二塊與第一塊1500W功放模塊內Gysel 合成器中的λε/4 同軸傳輸線的長度是否一致，經比對后發現第二塊內的λε/4 同軸傳輸線AB、AF、AG 的長度比第一塊內的相應位置的λε/4 同軸傳輸線多出近10 厘米。根據傳輸線理論可知，對于該機工作頻率為103MHz 射頻信號來說，經過這多出的近10CM 的傳輸線后相位就會偏離出允許范圍，一如前面所述，最終在吸收點上得到較大的功率信號，并消耗在吸收點所接的吸收負載上，這些吸收負載如長期消耗較大功率并工作于較高溫度的環境中，有可能在某一時間不堪重負而損壞，即而使前面的相應的300W 放大器工作于高駐波比狀態，造成MRF151G 的損毀。

以第一塊1500W 功放模塊為標準參照，裁去第二塊1500W 功放模塊內Gysel 合成器中λε/4 同軸傳輸線AB、AF、AG 多出的部分，并重新焊接牢靠，檢查無誤后開機，在同樣的激勵下，第二塊1500W 功放模塊的總的輸出功率比以前高出不少，說明無用的損耗減小了。通過這次處理后，這部發射機已經安然渡過炎熱的夏季，走出了一到夏季就壞管子的怪圈。