一种大功率中波调幅发射机输出匹配网络的改进

杨永德

（国家新闻出版广电总局763台）

【摘要】 文章对一种大功率中波调幅发射机输出匹配网络中云母电容CDM 294升温故障进行了深入分析，并介绍了用真空陶瓷电容替代云母电容经济实用的改进措施。【关键词】 中波调幅发射机 输出匹配网络 云母电容 改进

1. 前言

我台拥有的一种200kW大功率中波数字化调幅发射机，发射机输出匹配网络中C2B由10个银膜云母电容CDM 294（750pF/30kV/15A）并联组成，在运行维护过程中，发现C2B中云母电容会随播音时间持续出现升温异态，个别出现过温炸裂现象，这严重影响到发射机的稳定运行。由于原机C2B所用的银膜云母电容价格昂贵，多次采取更换方式处理也增加了台站的维护经费负担。为了杜绝此类故障，同时又减少维护经费，对输出匹配网络中的云母电容组C2B进行了改进，很好的解决了这一问题。

2．输出匹配网络

2.1 输出匹配网络我台的中波数字化调幅发射机输出匹配网络由一个串联调谐的带通滤波器和“Γ”型匹配网络组成，其结构如图1所示，其中由可变电感L1、电容C1A和固定电容C1B构成带通滤波器；再由带通滤波器、可变电容C2A和云母电容组C2B构成“Γ”型匹配网络。输出匹配网络主要功能是实现阻抗变换和滤波。

图1 中波发射机输出匹配网络结构

由于发射机调幅波包络还有数字调制形成的边带量化台阶，以及PDM补偿脉冲包含的开关频率及其谐波分量，它们不能夹杂在发射信号中向外发射，否则，将构成收音信号的非线性失真或变成干扰邻频电台的杂散信号。为此，在输出网络内设置了带通滤波器，以便滤去无用而且有害的上下边带信号。通过带通滤波器滤波后的输出信号，就变成外包线为平滑形的调幅波。由于发射机末级功放合成器的输出阻抗是8Ω，即图1中A点输入阻抗R_in为8Ω，经带通滤波器和电容C2A、C2B组成的“Γ”型匹配网络后，将网络B点输出阻抗R_out变换为42Ω。C2A和C2B兼有滤除发射机输出信号中的无用高次谐波作用。发射机末级功放输出合成功率到天线的传输效率η大约为95%，功率P_T=200kW，设输出匹配网络输入端的电压、电流有效值为U_in和I_in，则：U_in=(P_TR_in)^1/2=(((200×1000)/ 0.95)×8) ^1/2=1298VI_in=(P_T/R_in)^1/2=(((200×1000)/ 0.95)÷8)^1/2=162A设输出端的电压、电流有效值为U_out和I_out，则：U_out=(P_TR_out)^1/2=(((200×1000)/ 0.95)×42) ^1/2=2974VI_out=(P_T/R_out)^1/2=(((200×1000)/ 0.95)÷42)^1/2=70.8AC2B是由10只750pf/30kV/15A高频高压银膜云母电容并联组成，整体耐压30kV，可承受电流150A，在规格上完全能满足输出匹配网络要求。但在发射机运行中，随着播音时间延长，我们发现发射机输出匹配网络中银膜云母电容组C2B整体温度会逐渐升高，用红外线点温器测温，电容整体温度在运行4个小时后平均超60℃，个别电容温度更高。电容温度的持续升高会使其外表包封环氧树脂发生爆裂事故，导致发射机出现功率折降、网络驻波比和天线驻波比故障，并自动关机。

3．电容发热故障因素分析

3.1 银膜云母电容CDM294的结构图2所示为银膜云母电容CDM 294的实物图及内部结构图。由其内部结构图可见，该型号云母电容包括环氧树脂、云母片、涂银层三个部分，在制造结构上采用在云母片上喷涂银层做电极板，极板和云母一层一层叠加后，再封固在环氧树脂中制成。电容在用环氧树脂包封时其内浸渍绝缘和外包封装绝缘都是采用环氧树脂结构，但内浸渍绝缘采用配方是环氧树脂-酸酐体系，而外包封装绝缘用的是触变性环氧树脂-改性芳香胺配方体系。作为银膜云母电容电极板的云母片除具有绝缘、耐压性能好外，其电气性能、热导性能（热导率:0.43～4.5W/(mk)）、化学稳定性等特性都比较好；作为电容固化散热的环氧树脂具有粘接力强、电绝缘性好、稳定性强、固化收缩率小等特性，但环氧树脂的热导率较低（0.18W/(mk)），散热性能较差。

实物图 内部结构图

图2 CDE公司生产的CDM294型电容外观图与内部示意图

3.2 电容发热因素由于银膜云母电容在规格上能满足输出匹配网络要求，我们从其升温故障现象及对发射机已使用的云母电容测试结果分析来看，造成电容升温故障因素主要有下列几类。3.2.1 电容包封材质问题电容器的主要技术指标是电性能。要确保银膜云母电容器具有良好的电性能，其外包封装材质环氧树脂的质量和包封结构是不能出现偏差的，这关系到电容器的使用质量和寿命，其包封材质问题可能是：1）电容器环氧树脂包封外表质量不合要求尽管电容器的电性能测试是好的，但环氧树脂外包封的外表质量不合工作要求会导致使用时击穿损坏。而且电容器的外表质量往往是生产厂家造成残次品的主要原因。就银膜云母电容器而言，造成电容器外表质量不合格的主要原因是：环氧树脂外包封层产生垂头、气泡、气孔、变色、不平、颜料分离、印迹不清等现象。2）电容器封装结构出现偏差当环氧树脂内外粘合剂的比例和封装的厚度等构造因素出现偏差时，会使银膜云母电容热传导性能出现不同程度的变化，由于电容封装用的环氧树脂的热导率低（0.18W/(mk)）于电容内部云母片的热导率（0.43～4.5W/(mk)），云母温度散热性能高于环氧树脂，在高频、大电流环境下长时间工作，有可能导致电容封装环氧树脂不能及时传导和扩散掉由云母片产生的热量，使电容温度随播音时间逐渐升高，造成电容炸裂现象。3.2.2 C2B并联电容性能问题

为了达到设计要求，发射机输出匹配网络中，使用了10个银膜云母电容并联，虽然它们的标称容量都是750pf，但是每个电容的实际容量是不一样的，性能也有差别。其中任何一个电容性能变化，都会引起C2B整体性能变化，从我们对输出网络和云母电容做的测试结果分析来看，造成电容升温故障的性能问题主要有以下几种：

1) 电容的容量不同当10个云母电容中，某只电容容量偏大时，该只电容表现出的阻抗相对较小。当加在并联电容组C2B两端的电压不变时，流进该电容的电流就偏大，该电容的温度相比其它电容温度会偏高，温度偏高会导致电容的介质损耗增大，电容的绝缘电阻也会降低，绝缘电阻减低又将导致电容的漏电流增大，漏电流增大引起电容介质损耗进一步增大，电容温度持续升高。2) 电容的热稳定性能不同

发射机关机后，立即打开机柜门，在云母电容组C2B保持65℃的高温情况下，对电容进行整体测量时，容量超过14000pf左右，待温度降至室温后，再测量该组电容容量为9000pf左右。待电容冷却后，在室温情况下依次测量该组电容器每个电容容量，其中最大容量约为890pf，最小容量约为800pf。电容发热导致容量变化明显，说明设备所用电容在发射机高频、高压环境下的热稳定性能比较差。

3) 电容绝缘度不同

在云母电容出现故障后，我们对10个电容用摇表进行绝缘度测量，发现原来相差不大的绝缘度，在使用后发现个别电容降低明显。电容的绝缘度主要取决于内部介质的电阻（R1）和绝缘外壳的电阻(R2)，这两种电阻是并联在电容器两电极之间，从原理上讲，内部介质电阻R1与它的有效面积(S1)成反比，而外壳电阻R2也与它的面积(S2)成反比。可想而知，由于电容的绝缘度降低，工作时该电容的漏电流会变大，漏电流大则电容的介质损耗会增加，电容的温度会升高。当电容温度上升，电容介质受热面积会增大，即是使S1、S2增大，这必然使R1和R2减小，即电容绝缘度下降，而绝缘度下降又导致电容漏电流的增加，漏电流的增加又会使电容温度进一步升高。3.2.3 电容受潮电容受潮将导致漏电流增大，绝缘度降低。漏电流的增加将导致电容温度升高，绝缘度又下降，形成恶性循环。所以，在电路中要采取措施防止电容暴露在潮湿空气中。由于我台发射机采用风冷却方式，室内采取温度控制，电容基本不会受潮，故可排除因素。3.2.4 输出匹配网络运行参数变化发射机运行时，输出匹配网络中带通滤波器和“L”型匹配网络工作在发射机运行频率谐振状态下，发射机调制信号最大限度的被传输出去。当输出匹配网络运行参数调整不到位时，可导致输出网络带通滤波器和“L”型匹配网络原有功能失常，使发射机输出调制信号能量不能最大限度的得以传输，而是在输出网络中大量发热耗散，云母电容组C2B成为耗能元件，使电容温度升高。为此，我们更换了新电容，并把发射机输出匹配网络运行参数调整在正常技术参数值上，但发射机运行一段时间后，仍会出现C2B持续升温的异态。故也可排除输出匹配网络运行参数变化这一因素。经过大量的测试、运行试验和合理分析，我们排除了造成云母电容发热炸裂的外界因素，可断定造成云母电容CDM294发热主要是由于该电容在输出匹配网络上使用时在性能上存在着设计缺陷，不能满足该网络工作要求。为了从根本上解决银膜云母电容发热的问题，同时节约维护经费，经过对输出网络运行参数和环境的深入分析、计算，我们决定采用额定电流值大、散热效果好、特性更加稳定的陶瓷真空电容替代原机C2B的云母电容CDM294。

4. 输出匹配网络改进

在射机输出匹配网络中，我们考虑用真空陶瓷电容器（CKT2000/10/200）代替高频高压云母电容CDM294，除了真空电容在技术参数上能满足输出网络工作环境和要求外，真空陶瓷电容器在输出网络应用和性能上也比该型云母电容更有优势：1) 具有更好的工作稳定性位于200kW中波发射机输出匹配机柜的元器件都工作在高频、高压、高温和强磁场等复杂环境之中，如何减少环境对发射机稳定性的影响，就要求我们选择稳定性更好的元器件，真空陶瓷电容是以真空作为介质，电容的电极组是采用高导无氧铜带通过一套高精度模具一道道引伸而形成的一组同心圆柱电极组，被密封在一个陶瓷外壳真空容器内，在性能上与云母电容相比绝缘强度高、耐压高，性能稳定性也更加可靠，而且不易产生飞弧、电晕等现象。2）可以减少电容使用数量及分布参数影响在原输出网络中采用了10只云母电容并联，如图4所示，由于10个电容之间采用薄铜片不规整连接，在高频、高压工作状态下，铜片上会产生的较大寄生电感和分布参数。改进后仅需要使用4只真空陶瓷电容器并联，而且电容之间采用规整的铜片连接，这可大大减少连接片产生的寄生电感和分布参数，提高整个输出匹配网络的稳定性。4只真空电容在容量（8000pf）上比云母电容组的容量（7500pf）大500pf，可通过调整可调电容C2A满足输出网络工作条件。改进后的真空电容并联组C2B如图5所示。

图4 改造前10个电容并联接线图 图5 改造后4个电容并联接线图

3) 损耗小，额定电流大由于真空陶瓷电容器采用真空介质和低损耗的绝缘陶瓷外壳，及无氧铜电极结构，具有额定电压值大、额定电流大、损耗小等优点，在一般自然风对流冷却情况下，即使在很高的频率下，也能通过很大的高频电流。原来设计的高频高压云母电容每只的额定电流为15A，而改造后的真空陶瓷电容器每只的额定电流为200A，有效防止了因电流造成的发热问题。4) 过电压的自愈能力强真空陶瓷电容器能承受瞬时的过电压，瞬间过电压对电容性能造成的伤害通过其自愈能力，也可得到很好的恢复。而对高频高压云母电容CDM294来说，将会造成永久性破坏，5) 节省空间，利于散热对于给定的电容量和额定电压值而言，真空陶瓷电容器所占空间最小，一定程度上改善了整个输出网络机柜的通风冷却效果。6) 改进后可以节约大量的资金在确保该真空电容可靠性的条件下，采用国产真空陶瓷电容器替代进口云母电容器不仅可以减少对进口电容器的依赖，大大缩短采购周期，而且可以节约大量的资金。另外，由于真空电容工作性能稳定，使用周期长，也很大程度上减少了用于更换电容的维护经费。两种电容器的性价比对比如表1所示。

表1 真空陶瓷电容器和云母电容器性价比对比表

7) 改造后容量稳定，发射机指标改善在以往C2B发热导致容量发生变化时，都是采取调整C2A来协调电路，发射机技术指标都不太理想，在用真空陶瓷电容替换掉云母电容CDM294后，随着播音时间的延长，CB2真空电容最高温度始终保持在30℃左右，输出网络工作状态平稳，运行数据符合要求，可以说取得了较好的工作效果。经对发射机技术指标的实际测试，已恢复为故障前的良好状态。

5. 小结

由于200kW中波数字调幅发射机多采用大功率风机冷却，在内部构造上又使用了大量的插接件和信号连接电缆，在高频、高压工作环境中，由于接触不良或器件质量等问题，极易发生线路连接处打火和元器件发热烧坏等故障。为了确保发射机的稳定运行，以及信号的传输质量，作为维护者，不仅平常要注意观察发射机运行参数的变化，及时分析了解发射机的运行状态，平常在维护中，也要对发射机插接件固定螺丝及时进行检查紧固，对发射机所用的电解电容、云母电容等电容器及时进行检测，对性能不良的要及时更换。只有对发射机元器件维护做到心中有数，才能有效避免电容等器件的发热损坏，保障设备的稳定运行。 编辑：中国新闻技术工作者联合会