DX-200中波发射机输出匹配网络优化设计

滕伟 江苏省广播电视总台广播发射中心

1.概述

江苏省广播电视总台江苏新闻广播频率702kHz采用的是两台DX-200水冷中波调幅发射机。DX200水冷中波发射机是美国哈里斯公司生产的全固态数字调幅中波广播发射机，其效率高，性能好，保护功能完善，是当今比较先进的新型发射机。但在运行过程中输出匹配网络电容3C2B(10只银膜云母电容并联)中的个别电容多次出现爆裂，影响机器正常播出。

针对上述现象，我们找出原因，对输出匹配网络进行了优化设计。

2.输出匹配网络

702kHz DX-200水冷中波发射机输出匹配网络由带通滤波器、π型调配网络两部分组成，将RF合成器输出阻抗由8Ω转换为50Ω。其电路原理如图1所示，其中带通滤波器由3L1、3C1A、3C1B、3C1C组成，3C1A是真空可调电容，作为调谐TUNE控 制。3C2A、3C2B、3C3A、3C3B、3L2、3C4A可调电容、3C4B构成了π型网络，3L2与3C3A//3C3B调谐至3倍载频，并联谐振电路对三次谐波进行阻塞。输出匹配网络的主要功能是实现阻抗变换和滤波。

图1 DX-200水冷中波发射机输出匹配网络

在DX-200中波发射机输出网络匹配中，存在着一定量的边带量化台阶、开关频率及其谐波分量，其中开关频率及其谐波分量是PDM补偿脉冲中的主要部分，会在一定程度上对DX-200中波发射机的信号质量造成一定的影响。带通滤波器的合理化设置，能够有效的滤除杂散信号和谐波分量，提升DX-200中波发射机输出网络匹配的实际效率。带通滤波器对输出信号进行滤波后，其会转换为平滑的调幅波。

3.故障现象及原因分析

3.1 故障现象

发射机输出匹配网络中3C2B是由10个银膜云母电容 CDM 294(1100pF/30kV/16A)并联组成。在发射机实际运行中，随着播音时间增长，我们发现发射机输出匹配网络中银膜云母电容组3C2B整体温度会逐渐升高，电容温度的持续升高会使其外表包封环氧树脂发射爆裂，在今年5、6月就出现2次炸裂，1次炸裂起火的现象。此现象会造成发射机封锁，且不能开机，需及时更换云母电容，严重影响了发射机的稳定运行，对安播造成了很大的影响。

3.2 原因分析

3.2.1 银膜云母电容上电流电压

由于发射机末级功放合成器的输出阻抗是8Ω，经带通滤波器和电容3C2A,3C2B后，在R0处，输出阻抗变换为42Ω。3C2A、3C2B兼有滤除发射机输出信号中的无用高次谐波的作用。

在Ri处的输入电压、电流的有效值为：U=（PRi）1/2=(2001038)1/2=1264V，I=(P/Ri)1/2=(2001038)1/2=158A，

在R0处的输入电压、电流的有效值为：U=（PR0）1/2=(20010342)1/2=2898V，I=(P/R0)1/2=(20010342)1/2=69A。

3C2B由10只1100pF/30kV/16A高频高压银膜云母电容并联组成，整体耐压30kV,可承受电流160A，在规格上完全能满足输出匹配网络要求。

3.2.2 银膜云母电容特性分析

输出匹配网络中使用的3C2B电容是美国CDE公司生产的CDM 294型银膜云母电容，型号为CDM 1100pF/30kV/16A，标称容量1100pF,耐压为30kV,允许通过电流为16A。银膜云母电容在实际工作中存在以下不足：

（1）银膜云母电容散热性能不佳

由于银膜云母电容一般工作在高频、高压、大电流的工作环境下，这时由于电流而产生的发热是限制该电容正常工作的主要因素。银膜云母电容的内部采取环氧树脂封装，虽然具有良好的热稳定性，但受环氧树脂粘合剂的比例、材料及封装厚度等因素的影响，决定其热传导性能不良，电容工作时产生的热量不能及时通过环氧树脂层进行良好的传导与扩散，银膜云母电容在工作时内部的温度不断升高，使得电容在工作一段时间后，性能发生变化。我台在发射机关机后立即对电容表面温度进行测量，发现3C2B表面温度在65℃左右，当发生爆裂时2C2B表面温度在130℃左右，而同等条件下与3C2B相邻的真空陶瓷电容表面温度不超过30℃，更加说明该型号电容热传导性能并不好。

（2）绝缘度下降

银膜云母电容的散热性能不好，造成电容内部温度升高，而温度的增高，又导致电容的绝缘度下降。当电容的内部温度从25℃升高到125℃时，绝缘电阻从100000Ω下降到10000Ω，而绝缘度下降势必导致漏电流的增加，电流的增加又会加大电容产生的热量，从而使电容性能下降。

（3）工作频率高，电容允许通过电流下降

当银膜云母电容在高频工作状态时，通过的高频电流将造成电容填充介质发生损耗，允许其通过电流有效值将急剧下降，从而降低银膜云母电容的实际工作额定电流值。

（4）工作中发生容量变大现象

由于银膜云母电容在工作中内部温度升高、绝缘度下降等因素，造成其容量发生变化。经过反复多次检测，发现标称值为1100pF的银膜云母电容在使用一段时间后，电容值明显增大，其最大电容容量约为1250pF，最小电容容量约为1150pF。同时，在多个电容并联使用时，容量最大的电容其流过的电流将最大，从而加速电容性能的下降。

4.输出匹配网络的优化设计

4.1 优化设计原则

经过大量的测试、运行试验和科学分析，我们排除了造成银膜云母电容发热炸裂的外界因素，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。由于3C2B采用的银膜云母电容价格昂贵，多次更换原厂备件增加了台里的维护经费负担。为了杜绝此类故障，同时节约维护成本，我们决定对输出匹配网络中的云母电容组3C2B进行改造设计，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有的3C2B的云母电容CDM294。

4.2 陶瓷真空电容的特性分析

真空电容在技术参数上除能满足输出匹配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具有以下优势：

（1）具有更好的稳定性

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。真空陶瓷电容以真空作为介质，电容的电极组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2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，铜片上会产生较大的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（11000pF）与原云母电容组的容量完全相同，完全可满足输出网络的工作条件。改进后的真空电容并联组3C2B设计如图3所示。

（3）没有“介质”，损耗小

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，其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。原来设计的高频电压云母电容每只的额定电流为16A，而改造后的真空陶瓷电容器每只的额定电流为400A，有效防止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）节约空间，散热明显

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。

图2 改造前原电容组接线图

图3 改造后3C2B用真空电容组设计图

（6）节约维护成本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。实际使用中两种电容器的价格比对如表1所示。

4.3 替代器件选用

在此次设计中，我台考虑用江西万平真空电器有限公司生产的真空陶瓷电容器（两个CKT4000/24/400和两个CKT1500/24/400）代替高频电压银膜云母电容CDM294。替代型号陶瓷真空电容的参数见表2。

表1 比价表

表2 替代型号陶瓷真空电容参数

5.总结

我台DX-200中波发射机采用了水冷系统，其优点是噪声小，冷却效果好，并通过大量的接插件以及信号来实现电缆的有效连接。在高频高压的工作环境下，DX-200发射机输出网络的3C2B改进，能够彻底解决输出匹配网络存在的不稳定隐患，避免云母电容发热烧坏的故障，确保发射机可靠稳定地运行，同时也节约了维护经费。