浅析ZX-2kW-II型短波广播发射机的工作原理及常见故障

陶坤美 胡宗蓉

（作者单位：云南省广播电视局迪庆实验台）

短波广播发射机作为广播系统的核心设备，在广播信号的传输中扮演着重要的角色。对其工作原理进行阐述、故障进行分析对于设备的维护和保养具有重要意义[1]。

短波广播发射机是指发射频率在3～30 MHz频段内的广播发射机，其主要由射频（Radio Frequency, RF）产生器、功放器、滤波器、天线调谐器和控制调制电路等几部分组成[2]。其中，射频产生器（激励器）是短波广播发射机的核心设备之一，能够通过发生振荡将可调的频率信号输出，经过功放器、滤波器输出到天线上，实现广播信号的传输。短波广播发射机的优点是不受地形和天气的限制。

ZX-2kW-II型短波发射机为全固态发射机。采用模块化设计，使用无线电技术和大功率合成技术，直接输出工作频率在3.2～26.1 MHz的短波信号。工作模式分固频和跳频两种，可同时发射多个频率。发射机具有调幅、等幅报和白噪声调频等工作方式。发射机采用自动功率控制技术，可实现“一键式”开机，设有高、中、低3个功率等级。发射状态下还可通过面板上的“+”“-”按键对功率进行上下微调，以满足工作的实际需要。发射机采用冗余保护设计，多重保障发射机在工作状态下的可靠性。发射机具有遥控接口，配置了数据采集单元，激活相应控制软件后可进行远程遥控和调度，可实现无人值守。

1 ZX-2kW-II短波广播发射机技术特征及功能特点

1.1 技术特征

发射机工作频率范围为3.2～26.1 MHz，载波频率步进为100 Hz。调制方式为调幅方式和窄带调频方式，调制能力分为两种情况，在调幅（Amplitude Modulation,AM）状态下调幅度满足100%调制；在窄带调频状态下频偏在3～5 kHz。跳频频率数量为2个或3个，调制信号种类为模拟音频和白噪声，音频输入电平为0 dBm±10 dBm，音频输入阻抗，即模拟音频接口阻抗为平衡600 Ω，发射机输出阻抗为不平衡50 Ω，发射带宽为6～10 kHz；接地电阻≤10 Ω。

1.2 功能特点

跳频工作模式采用时分技术，可同时播出3个频率。一键式开机采用自动功率控制技术，通过按键可直接输出需要的功率等级。屏幕显示采用大屏液晶屏数字显示，显示界面清晰、内容丰富。发射功率时，可通过键盘上的“+”“-”按键对输出功率进行微调，以满足使用需要。可防功率倒灌，由于该发射机功率容量较大，对多台发射机同时工作时出现的功率倒灌现象有一定的惰性，即对功率倒灌不敏感。具有声光报警功能，当发射机报警时，激励器提供声音和亮灯提示。同时，具备故障定位功能，当设备报警时可准确定位至功能板，缩短故障判断与维护时间，确保安全播出。具有远程监控功能，通过遥控接口选配远程监控系统可实现对多台发射机的集中控制、远程调度，实现无人值守台站，确保即使在紧急状态下发射机也能够正常工作。此外，发射机具有过压、过流、温度、驻波比和不平衡保护功能。激励器、功放及电源单元采用模块化设计，方便保养与维护。

2 ZX-2kW-II短波广播发射机工作原理分析

ZX-2kW-II型短波发射机主要由数字化激励器、控制保护单元、功放单元、谐波滤波器、开关电源等几部分组成。其中，功放单元主要由前置驱动模块、4个相同的末级放大模块以及1个合成模块组成。开关电源单元主要由辅助单元和4个相同电源模块组成（其中第4个备用）。整机工作原理如图1所示。

图1 ZX-2kW-II型短波发射机工作原理

2.1 数字化激励器

激励器是ZX-2kW-II型短波发射机的核心和“大脑”，随着技术的进步，激励器通过芯片实现了数字化。数字化激励器以芯片TMS320VC5402和AD9857为核心搭建硬件平台，自动在数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）中编程实现各种调制算法；采用直接数字频率合成技术（Direct Digital Synthesis, DDS）产生所需频率[3]。TMS320VC5402芯片因成本低、功耗小、资源多的特点在无线通信领域得到了广泛的应用。AD9857则是一种应用非常广泛的芯片，它是一种单片混合信号的14位积分数字上行转换器，采样速率为200 MS/s，DSP处理过的基带信号数据传给AD9857芯片最终生成正交调制过的载波数据流。数字化激励器是发射机与人的交互接口，主要由控制板、信号处理板、信道板、电源模块、电源滤波板、检测板、键盘板以及液晶屏几部分组成。同时也是整个发射机的信号源与控制中心，能够将调制后的射频信号输出到功率放大器（即功放单元），并采集各单元的工作状态数据，将相关信息显示在液晶显示屏上，便于值机人员观察操作。此外，数字化激励器有很多控制功能，能够控制其他模块的运行。还设有遥控接口，可利用软件技术进行远程操控，通过软件系统来实现人机交互。

2.2 功放单元

功放单元能够接收来自数字化激励器的信号，由功率放大器完成射频信号的放大。功放单元电路设计也是采用模块化设计，整个功放电路分为三类模块：前置驱动电路、四路分配器构成一个模块；1个六路分配电路、6个100 W末级放大电路、1个六路合成电路构成一个模块，该模块共有4组；四路合成器构成一个模块。在系统运行过程中，数字化激励器输出的射频信号首先进入前置驱动模块，经过前置驱动模块放大后输入功率分配电路，此时射频信号被均分为四路，并分别进入4个一致的末级放大模块，并再次对射频信号进行功率放大，四路放大的射频信号进入合成模块。功率合成器具有功率叠加的作用，能够将四路放大的射频信号合成一路，最后输出2 kW的射频功率，经检测保护电路馈送到谐波滤波器。功放单元设计了多重保护检测电路，包括温度、不平衡、漏极过压、驻波比报警等，能够保护发射机的核心器件——功放管。改变功放管的静态电流可通过调节相应的电位器来实现。

2.3 谐波滤波器

放大后的载波信号要经过滤波才能输送到天线发射出去，ZX-2kW-II型短波发射机谐波滤波器是将整个短波频段划分为6段分别滤波，采用7阶椭圆函数低通滤波器，具有插损小、带内波动小、截止特性陡峭等特点。对基波的衰减＜0.5 dB，对谐波分量衰减≥35 dB，总的谐波抑制度≥48 dB。其滤波性能较好，几乎能够保证发射频率的基波无损耗地通过，而对发射频率的谐波可进行有效的抑制，大大减少干扰信号，保证有用信号高效发射出去。谐波滤波器的输入/输出阻抗为50 Ω，功率容量为2.5 kW。在元器件的选择上，要充分考虑设备工作的严酷环境和工作周期，选择大功率容量的器件，减小元器件的功率损耗，降低发热量，保证元器件的可靠性。滤波器内部的功率检测器实现功率射频信号检测，输出正反向功率取样电压，反馈给数字化激励器进行功率指示与控制保护。

2.4 控制保护单元

控制保护单元对发射机的工作状态（如工作电压、电流、温度、功率、驻波比等）参数以及报警信号进行采集、处理与模数转换，并将采集的数据与处理结果以串口数据形式发送给数字化激励器，便于激励器对发射机工作状态进行显示与控制。控制保护电路具有过压、过温、不平衡、驻波比4种保护功能。当各模块有关参数超过保护值时，比较器输出高电平，该高电平一路作为Alarm信号送给激励器，激励器关断PTT（Push-To-Talk）信号和射频信号；另一路送入施密特延时电路，延时电路使PTT键控信号断开，相应末级功放停止工作。通过软、硬件双重保护确保功放单元的功放管得到有效保护。

2.5 开关电源单元

电源是发射机的动力源，为发射机各模块提供所需电压。开关电源输入交流380 V，输出直流48 V、24 V和交流110 V。其中直流48 V供给功放单元，直流24 V分别供给功放单元、谐波滤波器、数字化激励器、控制保护单元等。交流110 V为发射机各单元散热风机供电。发射机电源由辅助单元、电源模块组成。辅助单元主要功能包括输入、输出滤波，24 V/15 A、24 V/1 A不间断辅助供电，110 V交流风机供电，以及通信控制等，其主要作用是整合对外连接接口、完成与整机通信控制，以及确保风机、数字化激励器及其他单元的用电需求；电源模块是功率转换模块，将交流三相380 V降压整流输出直流48 V（40～50 V可调），功率为3 kW。该模块具有并联均流电路，能将3个模块并联输出9 kW（共4个，有一个备用），可以满足发射机功放用电需求。电源模块及整个电源单元集成了通信控制模块电路，能实现电源单元对每一个模块的通信、监测，且能准确监测电源的工作状态并将状态信息传送到发射机整机，远程监控电源状态，实现遥控操作。为降低电源噪声，直流风机采用温控调速控制；根据电源本身的发热情况调节风机转速，能有效降低风机噪声。电源设有输入过、欠压、输出过、欠压、过流、过温等保护，以确保电源运行安全。电源工作状态指示灯能有效指示电源工作状态与电流输出情况。在发生故障时对应的指示灯会被点亮，方便维修人员定位故障，进行快速检修。因为电源采用了模块化设计，所以安装、维护简便，模块出现故障的情况下只需要更换新模块即可，极大方便了后期维护工作。

3 ZX-2kW-II型短波发射机常见故障及排除方法

ZX-2kW-II型短波发射机采用模块化设计，有各种报警指示灯，可依报警指示灯查找故障源，及时排除并处理故障问题，确保发射机的安全运行[4]。以下为常见故障分析与处理方法。

无功率输出：依次检查激励器、功放、谐波滤波器输出，判断故障点。测试方法如下：用示波器测试激励器有无输出，如无输出则为激励器故障；使用假负载直接测试功放输出，如无输出则为功放故障；测试滤波器输出，如无输出则为滤波器故障；否则为功率检测器故障。

温度报警：温度报警为功放单元报警信号，为功放单元温度过高，可依次检查风机电源、末级模块、发射机功率、天线匹配、温度继电器有无异常或损坏。

不平衡报警：多功放单元出现问题，可检查末级模块和合成模块，测试末级功放静态电流，确定是否有某路功放管损坏。功放管是常出问题的部件，属于易损元件，平时应多保养发射机，让发射机在额定功率下运行，让运行参数处在合理区间，这样可大大降低功放管的损害，延长功放管的寿命。此外，还需确定模块内的射频线缆是否连接良好，检测温度继电器是否良好。

过压报警：可检查天馈线是否正常并可靠连接；检查天线接地、测试天线；检查滤波器有无器件损坏；检测模块内放大板的稳压二极管是否正常；检查功放单元各模块之间的连接线缆以及与谐波滤波器的射频连接线缆是否良好。

功率合成驻波比报警：检查合成模块的功率检测电路是否正常；检查合成模块与谐波滤波器的射频连接线缆是否良好；检查谐波滤波器分段是否正确；检查谐波滤波器的射频连接线缆是否良好、检查天馈线是否良好。

正向发射功率报警：检查谐波滤波器的功率检测器内器件是否正常；检查谐波滤波器与天线的连接是否良好。

反向发射功率报警：检查谐波滤波器的功率检测器内器件是否正常；检查谐波滤波器与天线的连接是否良好；检查谐波滤波器的功率检测器的正反向功率电平线缆是否接反。

驻波比报警：检查谐波滤波器的功率检测器内器件是否正常；检查谐波滤波器与天线的连接是否良好；检查谐波滤波器的功率检测器的正反向功率电平线缆是否接反。

4 结语

值机人员只有了解ZX-2kW-II型短波发射机的工作原理，熟悉业务流程，掌握设备的结构和特性，才能够在发射机出现故障时迅速定位故障，提升故障处理能力。为了保证短波广播发射机的正常运行，必须对其进行定期的检查和维护。当设备出现故障时，快速排除问题并恢复信号传输至关重要。尤其是在重要时间节点降低故障发生概率可以保证播出任务的连续性和播出质量，减少安全播出事故的发生[4]。随着时代的发展，发射机也需要不断更新和改进以满足新的发展要求及不同的业务需求[5]。而值机人员及时总结故障排查过程中所获得的经验，能够为短波发射机的优化和改进提供重要的参考和建议。