中国新闻技术工作者联合会2011年学术年会论文集
DX-400中波发射机功率取样放大电路工作原理及调整方法
刘 博 崔丽艳 （国家广电总局953台）
刘 辉
（国家广电总局763台）
[摘 要] 本文通过公式推导，定量定性地论述DX-400中波发射机并机网络入射波、反射波功率取样放大电路的工作原理，并结合实际电路进一步介绍入射波、反射波功率取样放大电路调整方法。
[关键词] 射频功率取样板 定向耦合器 入射波/反射波功率 同相放大器 模拟乘法器
1 前 言
953台维护的发射机是美国Harris公司生产的DX-400中波发射机，它由两部PB-200单元（单机）和并机网络组成。入射波功率、反射波功率是衡量发射机工作是否正常的重要指标，PB-200单元、并机网络都有独立的入射波功率、反射波功率取样放大电路，它们的功率取样放大电路结构基本相同，PB-200单元检测的是单机功率，并机网络检测的是并机功率，所以本文重点介绍并机网络入射波功率、反射波功率取样放大电路工作原理，并结合实际电路进一步介绍入射波、反射波功率取样放大电路调整方法，加深对功率取样放大电路工作原理的理解。
2 并机网络入射波功率、反射波功率取样放大电路工作原理
为了能有效准确地监测发射机实际输出功率，且不影响发射机正常工作的情况下，在大功率发射机中，一般都采用负几十dB弱定向耦合器，从发射机射频输出处拾取信号，图1所示DX-400中波发射机并机网络入射波功率、反射波功率取样通路原理图。
图1 DX-400中波发射机并机网络入射波功率、反射波功率取样通路原理图
347
中国新闻技术工作者联合会2011年学术年会论文集
在图1中，总入射波功率、反射波功率的取样是经过并机网络输出处的射频功率取样板，把流过射频铜棒上高频电流，通过平板电容与射频电流取样线圈将电压与电流耦合到射频功率取样板上。参看图2所示射频电压电流取样示意图，进一步说明信号拾取的工作原理。
在图2中，射频铜棒与射频电流取样线圈（铁氧体芯的电感）T2构成了弱定向耦合器，为了消除射频干扰，射频功率取样板与射频电流取样线圈外表面安有金属屏蔽罩，根据安培环路定理（右手定则），可知通过射频棒上的交变电流产生交变磁场；根据法拉第电磁感应定律，可知在交变的磁场作用下，即穿过回路所包围面积的磁通量发生变化时，T2两端会产生交变的感生电动势，感应电动势与穿过T2的磁通量对时间变化率的负值成正比，感应电动势在T2这个回路中产生交变的感生电流i。C7与C9是通过铝板距离射频铜棒一段距离构成平板电容，将射频电压耦合到射频功率取样板上。
图3所示入射波/反射波电压取样等效图，根据传输线理论，可知在射频输出铜棒上任一点电压和电流都是入射波和反射波的矢量和。设入射波电压为Ef，反射波电压为Er，传输线特性阻抗为Z0，角频率为ω，电波在导体中的传输速度为ν，设发射机输出网络输出至射
图3 入射波/反射波电压取样等效图
X
X
图2 射频电压电流取样示意图
频电流取样线圈处的铜棒长度为X米，这样X点的电压EX、电流IX传输方程式为：
EX=Efe
IX=
EfZ0
e
?jωνX
+Ere
?
jωνX
式1 式2
?jωνErjωνeZ0
假设射频铜棒与T2之间的互感为M，T2电感量为L（1KHz下，实测0.37mH），当RF铜棒上有高频电流IX通过时，在T2上产生的感应电动势为e，这个电动势e在T2及R6、R7中形成高频电流I1，这样：
e=jωMIX=（R6+R7+jω L）I1 式3
348
中国新闻技术工作者联合会2011年学术年会论文集
因为ωL＞＞ R6+R7，所以：
I1M
式4 ≈
IXL
EA=?I1R7=?R7
M
IX 式5 L
EB=I1R6=R6
M
IX 式6 L
因为R6=R7，所以EA=-EB。
平板电容器C7与C3、C19组成电容分压器，C3、C19上分得的电压为EC；平板电容器C9与C4、C18组成电容分压器，C4、C18上分得的电压为ED。根据电容分压公式可推导出EC、ED表达式：
C7
EC=EX 式7
C7+C3+C19
ED=EX
C9
式8
C9+C4+C18
因为C7 =C9，实测C7=0.3pF，所以C3+C19＞＞ C7、C4+C18＞＞ C9，假设C3+C19=C4+C18，EC、ED可简化为：
C7C9
EC=ED≈EX=EX 式9
C3+C19C4+C18
CR1二极管两端电压为EAC。
EAC=EA?EC
式10
把式5、式9代入式10，可得：
MC7
EAC=EA?EC=?R7IX?EX 式11
LC3+C19
把式1、式2代入式11，可得： XXXX
?jωjωC7MEf?jωνErjων()?(Efeν+Ereν) 式12 eeEAC=?R7?
C3+C19LZ0Z0
C19为入射波功率调平衡可调电容器，使取样电压与取样电流幅度相等，这样下列等式成立：
C7M1
=R7()=Ka
C3+C19LZ0
式13
所以，
EAC=?2
?jω?jωC7
Efeν=?2KaEfeνC3+C19
式14
XX
同理：CR2二极管两端电压分别为EBD，把EB、ED公式分别代入，可得：
EBD
jωC9M
IX?EX=EB?ED=R6=?2KaEreνLC4+C18
式15
X
通过上述等式，可知CR1、CR2之间电势差分别为入射波电压与反射波电压的2Ka倍，这样经过二极管检波，成比例的入射波和反射波电压被分离出来。
CR1是入射波功率耦合器的检波二极管，分离出成比例入射波电压经CR1检波变成脉动直
349
中国新闻技术工作者联合会2011年学术年会论文集
流信号Uf，C19用于入射波功率调整平衡，射频阻流圈L2和电容C11构成高频滤波器滤掉射频成分，电阻R18和电容C30组成低通滤波器，把Uf中的音频变化量滤掉。这样，拾取的成比例入射波电压基本与载波情况下一致。
成比例反射波功率分离电路与成比例入射波功率分离电路结构和原理一样，故不赘述。 我们所要测量是入射波功率和反射波功率，而拾取的是成比例入射波电压与反射波电压，怎么能把电压与功率之间建立联系呢？
U22
因为功率公式：P=R ，即P∝U 式16
可知在负载电阻R不变的情况下，功率与电压的平方成正比例关系。对所拾取来的电压信号进行平方运算，通过模数转换及显示电路，就可以将功率数值表示出来。
在图1中，可知入射波功率、反射波功率取样电路结构组成基本一样，所以在这里只介绍入射波功率取样通路工作原理，从射频功率取样板拾取的成比例入射波电压信号通过主合成器接口板、CCU接口板送到CCU子柜中的合成器模拟输入/输出板上。经过电阻排R128 （10k）与电阻排R91 （220k）分压，再送到同相放大器U18A上，U18-3为同相输入端，U18-2反相输入端与地接电阻排R91-3，4，并与U18-1输出端之间接电阻R95（100k）。其输出公式为：
u0=(1+
R95100k
)ui=(1+)ui≈1.45ui 式17 R91220k
ui经过同相放大器U18A放大的信号送到U25-10.3输入端，U25采用高性能模拟乘法器AD534，图4所示AD534组成乘法器方框图。
图4中X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2分别为U25的输入，+VS、-VS为乘法器正负电源输入，通过输出端u0与Z放大器连接向输出集成运放提供有源负反馈，可降低X、Y通路部分产生的非线性。SF为算法因子（刻度选择），若没有外接电Y2、Z2均接地为0V。
这样此时AD534乘法器传输方程为：
uuu
u0=K(uX1?uX2)(uY1?uY2)=X1Y1=i 式18
10V10V
2
X110X21Y13Y24+V-I-乘法运算+V-I-基准电压偏置刻度选择2SF正电源负电源+A-4+VS11-VS8OUTu0Z17Z26+V-I-0.75衰减器高增益输出放大器 图4 AD534组成乘法器方框图
阻（开路），仅利用内部0.75衰减器时，比例因子K为1/10V。U25的X1与Y1接在一起，X2、
AD534乘法器U25-8输出接同相放大器U18B输入端，U18B是一个特殊同相放大器，使用两只调整电位器，R90用于入射波功率调零，R103用于入射波功率校正，放大增益可调，经过U18B放大的信号，送到8路模拟复用器U30-4上，通过选择开关选通后，再经背板与CCU控制板通路送到CCU PLC模拟输入模块进行模数运算，运算后的入射功率数据送到MMI（人
350
中国新闻技术工作者联合会2011年学术年会论文集
机接口）及发射机显示板上显示。
3 并机网络功率取样放大电路调整方法
通过前面推导出的成比例入射波电压和反射波电压公式，可知若调整出成比例入射波电压与反射波电压，必须分别调整入射波功率平衡可调电容C19和反射波功率平衡可调电容C18。以调整入射波功率为例，理论上，当发射机输出阻抗与天馈线阻抗调整一致时，发射机输出功率全部通过馈线送到发射天线上，VSWR（电压驻波比）为1，即在射频铜棒中传输的高频电流只有入射波分量，而反射波分量为零。根据这个原理，将射频功率取样板上S8双刀双掷开关由正常位倒置校准位，这样电流取样线圈T2电流方向反相180°，即入射波功率拾取通路人为变成反射波拾取通路，因反射波电压基本为零，调整C19，使其输出取样电压为零，即入射波功率平衡调整完毕。
入射波功率调整方法：在关机断电情况下，在TCU（发射机控制单元）机柜里，用延伸板将CCU子柜中模拟输入/输出板接到外侧，并把并机网络中射频功率取样板上S8开关由正常位倒置校准位后，合电开机，在载波情况下，调整射频功率取样板入射波功率平衡可调电容C19，使CR1检波二极管两端拾取的电压、电流等幅、同相，这样送到模拟输入/输出板上同相放大
表1 入射波功率调整时运放U18有关管脚电压值
器同相输入U18-3上的成比例反射电压基本为0V，然后调整入射波功率调零电位器R90 使U18-7输出0V，观察MMI发射机控制菜单入射波功率为0kW。关机，将射频功率取样板上S8开关由校准位倒置正常位，开机，参照此时PB1、PB2单元入射波功率表值，调整模拟输入/输出板入射波功率校准R103电位器，使MMI中发射机控制菜单内入射波功率值等于PB1与PB2入射波功率之和。
反射波功率调整方法：开机，调整射频功率取样板反射波功率平衡可调电容C18，使送到模拟输入/输出
中功率显示
200kW
高功率显示400kW
S8置校准位，调整功率零点R90 S8置正常位，调整功率校准R103序号
测试点 位置
中功率高功率显示0kW
显示0kW
序号
测试点位置
1 U18-3 0.004V0.023V2 U18-1 0.005V0.034V3 U18-5 0.003V0.003V4 U18-6 0.001V0.002V5 U18-7 0.005V0.005V
678910
U18-3 1.618VU18-1 2.372VU18-5 0.566VU18-6 0.565VU18-7 1.137V
2.438V3.578V1.283V1.281V2.491V
表2 反射波功率调整时运放U18有关管脚电压值
S8置正常位，调整功率零点R120 S8置校准位，调整功率校准R109序号
测试点 位置
中功率显示0kW
高功率 显示0kW
序号
测试点位置
中功率显示200kW
高功率显示400kW
1 U18-12 0.001V2 U18-14 0.002V3 U18-10 0V 4 U18-9 0 V 5 U18-8 0.005V
0.003V 60.004V 70V 80V 90.005V 10
U18-12U18-14U18-10
1.552V2.288V0.521V
2.347V3.46V 1.194V1.194V2.412V
U18-9 0.521VU18-8 1.163V351
中国新闻技术工作者联合会2011年学术年会论文集
板上同相放大器同相输入U18-12上的成比例反射波电压为0V，然后调整反射波功率调零电位器R120 使U18-8输出0V，观察MMI发射机控制菜单反射波功率为0kW。关机，将射频功率取样板上S8开关由正常位倒置校准位，开机，在载波情况下，参照此时PB1、PB2单元入射波功率表值，调整模拟输入/输出板反射波功率校准R109电位器，使MMI中发射机控制菜单内反射波功率值等于PB1与PB2入射波功率之和，这样反射波功率调整完毕，关机，将射频功率取样板上S8开关由校准位倒置正常位。
表1、表2分别在发射机中功率200kW与高功率400kW下，入射波功率与反射波功率调 整时U18有关管脚电压值。
通过实测数据可以验证有关运放及乘法器的工作情况是否符合前面公式推导，在表1中，以S8在正常位且发射机并机开机中功率（200kW）为例，可求出同相放大器U18A增益
A1=
2.372V
≈1.467
1.618V
，与式17推导A=1.45增益基本一致。U18A输出电压2.372V经U25模拟乘
(2.3721V)2
≈0.563V，理论法器输出为0.566V，将U18A输出电压代入式18，求得理论电压u0=10V
与实际电压基本一致；0.566V送到同相放大器U18B输入端，调整模拟输入/输出板入射波功率
1.137V
=≈2，1.137V电压送到8A2校准电位器R103，U18B输出为1.137V，这样U18B增益0.566V
路模拟复用器U30-4上，通过选择开关选通后，再经背板与CCU控制板通路送到CCU PLC模
拟输入模块上，进行模数运算后，将数据送到MMI发射机控制菜单中显示入射波功率200kW。
另外，TCU机柜发射机显示板有总入射功率、总反射功率、功放电压、总功放电流选择按钮，按相应选择按钮，仪表可显示相应表值。对于总入射波功率、总反射功率显示值调整，只需调整好总入射波功率显示即可，在开机状态下，调整发射机显示板上仪表校准电位器R29，使显示的总入射波功率等于MMI中发射机控制菜单内入射波功率值即可。
4 结束语
一般来说：入射波功率、反射波功率取样显示电路调整都是在调机时完成的，负载是大功率假负载而不是发射天线，但实际维护中，更换或试验并机网络射频功率取样板或CCU模拟输入输出板时，需要重新对入射波功率、反射波功率取样放大电路进行调整，在没有假负载情况下，可在天调网络调整非常好的基础上，进行相应调整。
参考文献：
1．国家广播电影电视总局无线电台管理局.广播电视发送与传输维护手册10-4分册.DX型大功率中波发射机；
2．国家广播电影电视总局无线电台管理局.广播电视设备维护图册（一）.DX系列发射机； 3．吴运昌.编著.模拟集成电路原理与应用.华南大学理工出版社.1995年5月； 4．DIRECTIONAL COUPLERS .ING.A.Ramón Vargas Patrón。
352
DX - 400中波发射机功率取样放大电路工作原理及调整方法 - 图文
