新一代数字电视发射机功率放大器分析及损坏处理对策

【摘要】目前，电视发射设备正处于数字固态技术更新的过程中。本文对数字电视发射机、功率放大器电路采用固态技术进行了分析，并给出了维修中损坏及对策最关心的技术问题。这对日常维护、电费、维修费用及工作量，都会有很大的改善。

【关键词】数字功率放大器；损坏与对策；数字电视发射机

一、前言

新一代数字电视发射机的输入信号不是平常的视频和音频信号，而是将音频、视频信号，经过压缩、编码，并与其他数据信息复用打包后的传输码流(TS流)。输入的TS流，经过信道编码与调制单元，形成符合一定制式标准的模拟中频信号，然后上变频至发射频道，经射频放大后发送。这就是数字电视与模拟电视发射机的不同点。

二、数字电视发射机功率放大器分析

1、 数字电视发射机功率放大器的组成

功率放大器是数字电视发射机中的重要组成部分，它决定了发射机的功率输出能力，是发射机成本最高的部分。模拟电视发射机有分放式和合放式之分。分放式指图像载波信号和伴音载波信号经不同的功率放大器分别放大，又称双通道方式，合放式指图像载波信号和伴音载波信号用同一个功率放大器放大，也称单通道方式。

而数字电视发射机不可能采用分放式，因为数字音视频信号总是复合在一起进行调制、解调。因此，要想使模拟电视发射机的功率放大器直接用于数字电视发射机，就必须采用合放式。分放式的功率放大器要经过改造才能用于数字电视发射机。如果图像载波功率放大器和伴音载波功率放大器采用的是完全相同的功放模块，则需要将功率放大器的输入功率分配器和输出功率合成器加以改造，将所用功放模块都组合到一起。如果所用模块不一样，改造就比较困难。一种简单的办法就是将伴音载波功率放大器废弃不用，只用图像载波功率放大器。

新一代数字电视发射机对功率放大器的线性要求比模拟电视发射机要高的多，除了预校正电路（含在激励器中）要提高性能之外，功率放大器的输出功率要适当下降。由于数字电视发射信号的峰均比远高于模拟发射信号的峰均比，为了保证满足非线性失真指标，只采用功率回退的办法技术上不可取，对发射机的性价比也不利。分析数字电视发射技术就要分析非线性预校正技术，这是分析新一代数字电视发射机的又一核心技术。

HPA是系统中主要的非线性器件，其效率和线性度是一对矛盾。通常为了保证高效率，功放会表现出较强的非线性，这种非线性将会造成信号的畸变，使信号的输出频谱发生变化，产生带内、外干扰。为了补偿功放的非线性对数字电视信号的影响，一方面可以采取功放的线性化技术，另一方面也考虑降低信号的PAPR技术。除了数字基带预失真技术以外还可以采用中频的非线性预校正技术，在数字电视激励器中采用分段非线性预校正技术，进一步改善了整机的性能。为了保证新一代数字电视发射机的性能，还要进行幅度、相位和时延的线性校正。不同制式的发射机、校正电路是不同的。这部分电路包含在激励器中。

2、数字电视发射机功率放大器的特点

新一代数字电视发射机中的信号经COFDM方式调制后输出中频模拟信号，通过上变频送入放大部分。在OFDM系统中，每个载波之间的频率间隔非常近，所以交调信号很容易落在频带内，引起交调失真。数字电视的发射机较传统类型，在线性度，稳定度等方面有着更高的要求。对发射机中的功率放大器要求必须工作在较高的线性状态下，增益稳定。

发射系统的放大部分分为激励和主放大电路。其中激励部分为宽带功率放大器，为确保地面数字电视传输的正常稳定，需要具有良好的稳定性和可靠性，其工作频段在470MHZ∽860MHZ，工作状态为AB类；要求增益大于10dB，交调抑制小于—35dB，噪声功率密度大于130dBc/Hz。

放大器模块采用LDMOS FET，具有以下显著特点：

其一：可以在高驻波比（VSWR=

10:1）情况下工作。

其二：增益高（典型值13dB）

其三：饱和曲线平滑，有利于模拟和数字电视射频信号放大。

其四：可以承受大的过驱动功率，特别适用于DVB-T中的COFDM调制的多载波信号。

平衡放大器与单管放大器特性比较，在长期稳定性，输入输出反射，噪声特性元件离散性及对放大电路影响等方面表现出好的性能。

新一代数字电视发射机功率放大器中广泛应用大功率LDMOS晶体管。LDMOS(Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor)即：横向扩散金属氧化物半导体。起初，LDMOS技术是为900MHZ蜂窝电话技术开发的，蜂窝通信市场的不断增长保证了LDMOS晶体管的应用，也使得LDMOS的技术不断成熟，成本不断降低，今后它将取代双极型晶体管技术。

与双极型晶体管相比，LDMOS管的增益更高，LDMOS管的增益可达14dB以上，而双极型晶体管在5～6dB，采用LDMOS管的PA模块的增益可达60dB左右。这表明对于相同的输出功率需要更少的器件，从而增大功放的可靠性。LDMOS能经受住高于双极型晶体管3倍的驻波比，能在较高的反射功率下运行而没有破坏LDMOS设备。它较能承受输入信号的过激励和适合发射数字信号，因为它有高的瞬时峰值功率。LDMOS增益曲线较平滑并且允许多载波数字信号放大且失真较小。LDMOS管有一个低且无变化的互调电平到饱和区，不像双极型晶体管那样互调电平高且随着功率电平的增加而变化。这种主要特性允许LDMOS晶体管执行高于双极型晶体管二倍的功率，且线性较好。LDMOS晶体管具有较好的温度特性温度系数是负数，因此可以防止热耗散的影响。这种温度稳定性允许幅值变化只有0.1dB，而在有相同的输入电平的情况下，双极型晶体管幅值变化从05～0.6dB，且通常需要温度补偿电路。

新型LDMOS晶体管的功率越来越大，对于发射机来说，每只晶体管的功率越大代表单个功率放大器所用的晶体管数量越少，设备的成本也就越低。最新的LDMOS FET是宽带的，能够覆盖整个UHF波段。也就是说，一个功放模块在不需要调整的情况下在UHF波段的任一频率下运行。有点所谓“宽带”的功率放大器工作在整个UHF波段，需要两种甚至三种类型的放大器覆盖整个波段。其方框图见图1所示。

三、数字电视发射机功率放大器损坏处理对策

数字电视发射机功率放大器，在电路调整时，由于调整不良产生反常震荡引起损坏的达80%，其余20%损坏的原因差不多都是由阻抗失配所产生的集电极电流过大所致。其他的损坏原因有散热器小，通风不良，调试者失误等造成。

图2示出了防止功率放大电路所产生反常振荡的处理对策。如果能完全防止电路产生这种反常振荡，就能保证80%不会坏。

1、功率放大电路有效Q值

为了消除反常振荡，首先必须降低基极偏压用的高频扼流圈的有效Q值。这是因为功率放大器电路使用在大电流低电压的情况下。根据欧姆定律，电路的阻抗比电子管低很多，所以，如果基极高频扼流圈的Q值高，势必变成易于引起大的反常振荡的状态。如果发生反常振荡，则集电极电流瞬时增大到超过最大集电极电流，致使功率放大器损坏。

2、功率放大电路反常振荡

另外，如功率放大电路有效Q值底，虽不至于损坏，但由于环境温度变化和电源的断合，也可能使功率放大器损坏。

对于反常振荡如果通过频谱分析仪进行观测的话，其波形如图3所示。图3所示的主要频率成份只是基波，二次谐波必须由电路的性能来定。图3是频谱分析仪测试方框图。对于其它反常振荡频率成份必须完全消除之。图3所示的波形是十分反常的情况，通常并没有那么严重。

3、功率放大电路阻抗不匹配

功率放大器损坏的又一个原因在于阻抗不匹配引起电流过大。

图5是使功率放大器晶体管的输出阻抗和负载（50Ω）相匹配的电路，L2、L3、C3和C4匹配网络。在电路调整时，如果改变C3、C4的容量，而对晶体管集电极有大的失配的话，则集电极电流就会变得过大。

这表明：

在图6所示的失配等效电路（a）中，给天线馈电的同轴电缆在任意点上可以断开。

令输出匹配电路阻抗为ZL，在任意点开路的可变长度的同轴电缆的阻抗为：

Za=jZo•ctgL（1）

L是在B点开路的电缆的长度。如果同轴电缆在B点短路，则：

Za=jIo•tgL （2）

现在，只考虑电缆开路的情况。改变同轴电缆长度L，Za的变化如图6（c）所示，即Za随同轴电缆长度L的变化在－∽～＋∽间变化。

晶体管集电极的输出阻抗为Zco，如图6（a）。

把输出匹配的阻抗ZL和从可变长度的同轴电缆的A点看的阻抗Za表示为下式：

Zco=ZL+Za （3）

现在若把ZL看做为只有正的虚数部，则公式（3）的图形如图6（d）。这个图是假定的，Zco的实数部不变化，只考虑虚数部的变化。则：

（a）失配等效电路。

（b）可变长度同轴电缆阻抗从A点向B点看的阻抗，Za=-jZo•ctgL而Zo=同轴电缆线路特性阻抗。L=同轴电缆线路长度。λ=所用频率的波长。B点断开。

（c）Za=jZo•ctgL的图。

（d）Zco=ZL+Za[ZL=Im(ZL)Za只考虑了虚数部分]。

由图6（a）可知：据Zco随可变长度的同轴电缆断开的B点的位置也在-∽～+∽间变化。

再看图7所示失配时集电极高频电流的情况。

当Za在-∽～+∽间变化时，根据等效电路，流过晶体管集电极的高频电流为：

（4）

式中：

iRF=流过集电极的高频电流。

URF=集电极端点上呈现的高频输出电压。

RL=晶体管工作时的输出阻抗（实际上也含有虚数成份）。

如果把图6（a）的阻抗和公式（4）比较，当Za合ZL的合成阻抗为零时，高频电流im最大，即：

（5）

但是，当ZL+Za=±∽，即Zco为无限大时，高频电流为最小，即：

（6）

所以，集电极内部消耗的功率，在ZL和Za的合成阻抗为零时，此内部损耗为最大。

晶体管电流输出越高或RL越低，因此，当天线馈电电缆在Zco=∽的点上开路时，集电极电流过大和易于损坏是密切相关的。

上述的按长度可变的同轴电缆来考虑失配的方法和在同轴传动输出匹配电路的可变电容器时考虑失配的方法是一致的，但是，由于是考虑失配的基本方法，所以，把它用来进行考虑仍有十分密切的关系。

4、功率放大器在失配时保护晶体管的两种方法

为了在失配时保护晶体管，一般采用图8所示的（A）、（B）两种方法：

（1）防止天线馈电反常的方法，当有反射波（或天线回路反常）时，直流放大器工作，从而使继电器动作，切断集电极电路，使回路停止工作。

（2）防止输出匹配可变电容变化过大的方法。即使可变电容Vc1、Vc2为零，回路中仍有C1、C2工作。

5、数字功率放大器特性参数要求与使用

（1）功率放大器应满足的参数要求

①输出功率要在达到所规定的非线性指标范围之内，才有实际意义。即输出功率应为线性输出功率。

②应具有较宽的线性动态范围，以保证与传输图像质量直接相关的微分增益和微分相位失真，满足技术指标规定值（DG=2%，DP=5º）。

③在输出电压中不存在互调分量，至少要使三阶互调分量达到所规定的技术指标（如IM3=-58dB）。

④尽量在满足非线性指标的前提下，加大输出功率及具有高效的功率增益，以减少功率放大器的级数，缩小整机体积。

⑤输出功率一频响应满足8MHZ带宽，不平坦度通常为±0.5dB。

⑥输出功率受温度影响要小，以确保输出功率基本恒定。

（2）数字功率放大器的使用

功率放大器高频大功率晶体管的特性参数，直流电流放大系数，如图9所示的二种情况：

①不管直流电流放大系数怎样低，必须保证在集电极电流高时仍不致显著下降。

曲线1：hFE高，而Ic大的地方，hFE急剧下降。

曲线2：hFE延伸到Lc大的地方。

②直流电流放大系数大，但在集电极电流大时则应急剧下降。

③实际上hFE大的晶体管在甲乙类工作状态时，偏置电流的微小变化都可以表现出大的集电极电流变化，因而导致特性变坏。

④晶体管的直流放大系数也有超过100的情况，我们如何合理的压低hFE也是使用中应该注意的一个技术问题。

⑤在使用中还应该注意晶体管内热分布均匀化的问题，高频大功率晶体管，由于片状结构是重迭式的，所以有非常多的分割接点，整片都有接点。因此，必须加宽节点间的间隔以使热分布均匀化，从而改善散热条件。

四、结语

当前，数字电视发射机功率放大器固态技术有了较大发展，如果使用得当，寿命会更长些。而且会节省大笔日常维护费用。损坏维修的间隔期也可延长到每年一次。而且在有效寿命期内还会有更多的结余。

数字电视发射设备的价格与功率的关系式是：Y=mx+c

数字电视发射设备体积小，常数C也相对小。斜率m与功率成线性关系。因此，对于价格的比较主要取决于功率。

在走向市场经济的今天，要求电视发射设备的投资成本必须在15∽20年设备有效使用寿命内偿付完。由于目前数字电视发射机固态器件有了较大改进，更适应各级电视发射台在数字电视发射设备更新换代及技术改造中的要求。这是我们对新一代数字电视发射设备进行了以上的简介，以供参考。

作者简介：

李明星（1964—），男，河南汤阴人，大学专科，广播电影电视专业工程师，现供职于河南有线电视网络集团有限公司鹤壁分公司，主要从事广播电视网络工程传输工作，曾在部级科技期刊上多篇，获得科技论文奖多项。

刘志学，男，广播电影电视专业高级工程师，现供职于河南省鹤壁市电视发射中心，主要从事广播电视网络信息传输工作，曾在部级科技期刊上多篇，并有省部级获奖工程多项。

李想，现就读于南阳师范学院。