基于4KW-DDDRA测试立柜的设计
周光成
(国家新闻出版广电总局561台)
【摘要】 DDDRA是“Digital Direct Drive RF Amplifier”的缩写，即为数字直接驱动射频功放放大器。数字直接驱动射频功放放大器是我台近期研发《多频中波发射机》的核心部件。4KW-DDDRA测试立柜是研发《多频中波发射机》过程中诞生的测试设备，是研发必备的测试工具。测试立柜可测试两块射频功放模块的功率合成，从射频输入、模块工作电压以及输出功率等，完全按照实际工作状态而设计。本文主要介绍了4KW-DDDRA测试立柜的设计过程，读者可通过测试立柜的设计，了解研发团队对发射机整个射频系统的大胆改进，进一步理解采用芯片隔离、直接驱动而提高整机效率的设计理念。【关键词】 数字直接驱动 芯片隔离 驱动分配 假负载
1．前言
在大功率中波数字发射机单机模式工作的台站中，在机器发生故障后，由于无备份可倒，只能等待处理完毕后方可恢复播出，从而给处理人员带来巨大的精神压力，这也是单机模式播出台站停播率据高不下的原因之一。基于上述原因，多家单位联合研发《多频中波发射机》项目，从而使单机模式播出台站成为 “主/备”机切换模式。所谓《多频中波发射机》就是对多个工作频率自动调谐，然而要达到这一目标，从技术层面上讲是有很大难度。首先它不像短波或微波换频那样，只需改变体积与参数较小的电抗元件便可轻而易举实现调谐目的，其次是短波或微波调谐范围广，成本低。而对中波而言，调谐网络所使用电抗元件的体积比较庞大，即便是频率改变较小的范围，电抗元件参数则有很大范围的变化，这就给设计上带来诸多不利因素。所以在《多频中波发射机》的整体设计上要尽量减少调谐网络，而调谐网络又是大功率发射机输出网络重要组成部分，整机效率、三大电声指标，很大程度上是输出网络优劣的体现。因此，减少调谐网络的设计思路就放在取消预驱和驱动的调谐网络上。我们知道：在中波数字发射机的每次改频过程中，都伴随着网络调试而带来的巨大的工作量，除了OMC柜的调谐之外，其中预驱级、驱动级的调谐的工作量也很大，尤其驱动级的调谐更为困难，若驱动级的调试不适当，在开机过程中会造成大批量模块损坏的严重后果，这就大大提高了改频的成本。基于上述原因，我们提出了一个大胆的设想，如果省去“缓冲、预驱、驱动级”采用直接驱动，便可以解决由于调谐问题而带来的麻烦，而且整机效率也有所提高。基于上述设计思路，通过研发团队一年多的努力，直接驱动技术已经在数字直接驱动功放模块得到应用。而模块测试立柜则是在研发模块前提前设计、安装、调试完毕。随着模块研发的进展，测试立柜的测试项目、测试形式也在不断完善。因此，模块测试立柜在《多频中波发射机》研发进程中起到举足轻重的作用，解决了《多频中波发射机》核心部件的测试与筛选这一关键环节，为《多频中波发射机》的研发成功奠定了坚实基础。 2．测试立柜设计要求及线路简介2.1 设计要求1）测试立柜必须提供功放模块测试的射频信号源；2）必须具备对功放模块的各级波形进行测试的条件，可以同时显示两块模块的输出幅度、波形、占空比等各项指标进行比对；3）必须完全满足模块实际工作时的供电条件；4）假负载的调谐网络有较宽的通频带，要求对整个中波波段的多个频率进行调谐；5）两块模块输出功率为4KW，仪器必须有可靠的冷却系统，供功放模块、效能电感和假负载的散热。
图1 4KW-DDDRA测试立柜方框图
2.2 电路组成根据设计要求绘出功放模块测试系统的方框图，如图1所示。模块测试立柜有以下6个部分构成：1）RF信号发生器；2）合成器母板；3）供电系统；4）RF驱动监测；5）假负载；6）冷却系统。 3．元器件参数设计与计算3.1 射频信号发生器的选择测试立柜的RF射频源采用Agilent司产的MSO-X3024A系列函数/任意波发生器，它可以提供从1uHz至160MHz的正弦波、矩形波，锯齿波输出，可以改变波形“频率/周期”、“幅度/高电平”、“偏移/低电平”等。具有四输入通道，可同时对两块模块“全桥模式”工作组态的输出波形进行比对。该仪器既是一台信号发生器又是一台四通道示波器，是发射机维护的首选仪器。
3.2 功率合成器母板的设计
如图2所示。功率合成母板是按照两块功放模块工作模式设计的。主要有以下几个部分组成：1）射频驱动分配：从射频信号发生器送来的5VP-P矩形波信号至功率合成器母板，首先经过耦合模式选择（直流/交流）跳线、缓冲隔离至射频驱动分配（MC100ELT22）芯片。该芯片为TTL-CMOS-PECS电平转换芯片，芯片内部由两个独立的电平转换电路组成，完成不平衡/平衡转换功能。如果将两个输入端并联在一起，其输出端便得到两个（RF1+和RF1-）、（RF2+和RF2-）波形与相位完全相同的平衡信号，这两个平衡信号分别送至两块被测试模块（全桥工作模式）的射频输入端。2）数字量的模拟：模块控制信号（ON/OFF）是由调制编码板提供，功放模块的工作模式设为低电平有效，即：调制编码板送来的控制信号为低电平时模块开通。所以，用两个小豆开关S1、S2分别模拟两块模块的控制信号，开关的一端接高电平，另一端接地，用以模块的开通/关断控制。3）故障复位：数字直接驱动功放模块具有故障存储功能，一旦模块电源、射频保险开路故障，便锁存并送至控制板做处理，只有在故障复位后才能重新开启测试立柜测试功能。所以，测试立柜设有故障复位。故障复位信号设为低电平有效，同样用小豆开关S3模拟。4）高频磁芯电感：在模块的研制初期，并没有把多功能电感设计进去，当时的设计思路是：既然是《多频中波发射机》就没有波段选择的必要。但在试验进程趋近尾声，模块的版本基本上定型，模块的输出波形基本类似于哈里斯模块的波形，但设计者追求完美，便开始将多功能线圈接入电路。经过多次试验，由两个串联后为25uH左右的高频磁芯电感接入对高次谐波的抑制取得较好的效果。图3和图4为两种机型模块输出波形的对比，从对比中可以看出，数字直接驱动功放模块上升沿和下降沿时间远小于DX发射机模块。目前，《多频中波发射机》已调试完毕，三大电声指标均达到甲级水平，整机效率90％以上，优于DX发射机86％整机效率。5）输出变压器：输出变压器初级双线并绕15圈，次级用6mm2多股胶皮线绕16圈。图2 功率合成器母板原理
图3 DX发射机功率模块输出波形图 图4 数字直接驱动模块输出波形图
3.3 假负载电路的设计与计算
假负载的设计其实就是谐振元件参数的选择。我们知道，谐振时必须满足ωL=1/ωC，其中，我们可以改变C 、L 、F三个参数中的任意一个来实现谐振。但是，在调谐的实际应用中，通常我们通过可调电容C、可调电感L使网络实现谐振，而对于大功率输出网络而言，一般都采用可调电容的方式实现网络调谐，而电感多采用中间抽头的办法来解决扩展调谐范围。因此，在设计电感、电容时要有足够的可调范围。在研制《多频中波发射机》时，主要是针对我台单机播出的问题，要求在600kHz至1MHz的频段内的3个频率进行调谐。所以在设计假负载时把中心工作频率?0选择为800kHz。
3.3.1负载电阻的选择
负载电阻RL选择32只100Ω/200W无感电阻串、并联组合而成，组合后为50Ω/6.4kW，因采用无感电阻，负载电阻呈纯阻，无电抗成分存在，所以使测试立柜的负载调谐更方便可靠。负载电阻如图5所示。
图5 负载电阻
3.3.2电抗元件的计算与选择
由于假负载采用串联谐振，而串联谐振又是电流谐振。所以，在设计电路和选择元器件时必须引用通用谐振曲线的概念。我们知道，对于串联谐振电路而言，I为回路电流有效值，谐振时电流I0达到最大值，即：I=I0=E/ZL，（式中：E为加在串联谐振回路的电压；ZL为负载电阻）。故有：分子、分母同乘以（ω0/ω0）得：令 得:由式（1）可以绘出对不同Q值的谐振曲线如图6所示。图6 串联谐振通用谐振曲线
由于定义通用谐振曲线中幅值下降至峰值的0.707倍时的频率范围为相对通频带。显然，从图6通用谐振曲线可以看出，Q值越高，相对通频带B越窄，电路的选择性越好，这对于接收设备而言，说明灵敏度越高，这无疑是衡量接收设备优劣的重要标准之一。但是,对于大功率输出网络的串联谐振而言，谐振时电抗元件两端的电压是信号源电压的Q倍，为了保护大型元器件，往往采用压低值Q加宽通频带的手段达到两者兼顾的目的。而对于《多频中波发射机》的负载网络而言，需要有较宽的通频带。因此，在大功率末级网络的设计中，Q值不宜选择过高。为了更方便推导串联谐振回路的元件参数，通常利用通用谐振曲线，它对于任何不同参数的串联谐振回路都是合适的。在式（1）中，若令：故有：所以：注：ζ称为回路的一般失谐，它决定电源频率与回路参数。在谐振时ζ= 0，当电源频率高于回路谐振频率时ζ为正值，当电源频率低于回路谐振频率时ζ为负值。将式（2）代入式（1）可得：为了导出通频带与回路参数的关系，先导出当一般失调ζ为任意值±n与ζ值对应的频率和谐振频率?0的关系。设ζ2 =±n，与ζ2对应的频率为 ?2。ζ1 =±n，与ζ1对应的频率为?1。则通用谐振曲线的表达式为：将上式相加可得：式（4）表明，回路的谐振频率?0等于与ζ =±n（n为任意值）对应的两个边界频率?2与?1的几何平均值。
因而由式（3）可以求出对应于通频带边界频率的一般失调ζ。
若令：ζ=±1
到此为止，我们利用串联谐振的概念推导出绝对通频带与回路参数之间的关系。从而可以由已知量计算出元件的参数。
若已知：中心频率?0为800kHz；通频带B选择400kHz；RL=50Ω，利用有关计算公式得到电抗元件的基本参数。由公式（5）得：通过上述计算可以大概选择电抗元件的基本参数，但为了扩展调谐范围，在实用电路选择参数时必须留有充分的余地。所以，在绕制电感时分别在8uH、15 uH处两个抽头，末端的电感量为25uH。电容由两只并联而成，其中：一只用OMC柜的2300pf的真空陶瓷可调电容，另外再并一只1000pf的固定真空陶瓷电容。3.4 RF驱动监测 模块采用直接驱动，对模块的驱动级电流有较高的要求，由于驱动级电流是模块正常工作与否的标志，所以，有必要对模块的驱动级电流进行检测。本模块测试立柜对驱动级电流的检测采用了D85-305型数字式直流电压电流表，可以在同一仪表上同时分别显示被测量的直流电压和电流。从方框图1可以看出，电流表是串在+48V供电回路，通过表的显示，可直观的查看模块驱动级供电电压及电流和模块的工作状态。3.5 冷却冷却对象：1) 对被测试模块输出级场效应的冷却；2) 对输出变压器磁环的冷却；3) 对假负载的冷却。测试立柜可同时测试两块模块，每块模块的末级由8只型号为IRFP460LC的场效应管组成的全桥式组态，输出2KW功率，测试立柜共4KW输出功率都损耗16只IRFP460LC场效应上。所以在模块的两侧垂直于场效应管散热片方向分别安装两台台湾产型号为FP-108EX风扇对场效应管强制冷却。在测试立柜进行测试过程中，输出变压器磁环和多功能磁芯电感温度高达600℃以上。为此，在其正前方安装一台型号为FP-108EX风扇对其强制冷却。假负载的冷却是测试立柜冷却系统最为关键的一个环节，4KW的输出功率全部耗散在负载电阻上，负载电阻的冷却方式必须使空气有良好的对流，能够顺畅带走热量。故在假负载的进、出口处各装两台型号为MQ20060风扇对假负载强制冷却。3.6供电设备如图1所示。供电系统有四部分组成：1) 220 V交流供电：为X3024A系列函数/任意波发生器、风扇、+48V、+12V开关电源提供交流供电；3Φ380V交流供电，为+250V整流器提供交流供电；2）+12V供电：+12V直接送至合成器母板，接入模块内可调稳压块输出+5.5VDC，为模块的隔离芯片及检测电路提供供电电压；3）+48V供电：+48V直接送至合成器母板，接入模块内直流变换器，变换成两组±12VDC，为直接驱动芯片提供供电电压。驱动电流表串在+48V供电回路，在对模块进行测试时，可通过驱动电流判断直接驱动芯片工作正常与否；4）+250 V供电：采用数字式控制稳压电源，输出调节范围0-250V，输出电流调节范围0～30A。250 V稳压电源直接送至合成器母板，为“全桥工作模式”的场效应管提供漏极电源。在对模块进行测试时，可选择从0-250V每1V/每档或10V/每档步进启动。 4．结束语4KW-DDDRA测试立柜示意图如图7所示。由于篇幅所限，测试立柜的机械制图与加工在本篇不作介绍。图7 4KW-DDDRA测试立柜示意图
总之，4KW-DDDRA测试立柜是研发《多频中波发射机》的专用测试设备，具有体积小、重量轻、工作稳定、使用方便、机柜设计合理、无高频残波辐射、移动方便、冷却系统良好，可以对被测试模块长时间加电测试。测试立柜自模块的研发至今共试验测试近300块模块，未出现任何故障，完全符合设计要求。另外，在模块的修复过程中，维护人员借助测试立柜的测试结果查找与分析故障模块的故障点，是今后多频中波发射机维护人员必备的测试工具，具有广泛的应用推广价值。还可借鉴该测试立柜的设计思路，开发其它形式的模块测试设备。 参考文献：1. 赵震初,《无线电技术基础》,天津科学技术出版社,84年秋，41012. 阎石,《数字电子技术基础》,高等教育出版社,1981年第一版 编辑：中国新闻技术工作者联合会
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