太阳能电视变频转播机

本期封面照片是竖立在广西桂林独秀峰上的，一座小型无人控制的太阳能电视变频转播台。整个设备都安装在这座自立铁塔上，由上至下分别为：双层八木接收天线；太阳能电源板（硅光电源）；双环发射天线；转播机和蓄电池存放箱（箱内有隔板分开）。下面就其总体方案及电路原理两方面分别加以介绍。

为普及电视，需要大量的电视转播台，研制哪种设备是一个值得探讨的课题。稳定可靠、维修方便、造价低廉，无疑是设备必须具备的条件，而实现无人值守、省掉机房、不用常规电源更具有现实意义。我们就是从这样的认识出发，拟订方案的。

1．考虑到近年来我国及世界各国都很重视新能源的开发和使用，太阳能是最干净而又取之不尽的一种能源，利用半导体材料的“光电效应”发电（如硅光电源），是太阳能利用的一个重要方面。目前，硅光电源的成本虽然较高，但在某些特定场合，如电视转播台一般都设在当地的制高点，多半需要架专线提供电源。这样，立杆、架线、安装避雷设施，再加上维修、电费等等，总费用比较大。相比之下，采用硅光电源就是一种可行的方案了。本设备用的是面积为2000平方厘米的硅光电源板，可提供最大为20瓦的电源功率，再有45安培小时蓄电池的配合，若转播机每日平均消耗约2安培小时的情况下（工作6小时、守候18小时），可以保证20天以上阴雨天不停播。

2．要降低电源的造价，尽量减少转播设备的耗电很重要。目前每天的电视广播时间很短，为了降低转播设备的常开部分在等候时间里的耗电，我们设置了定时搜索主台信号的电路。

在无机房的环境，要求整机稳定可靠地工作，一般的电路，已不适应本设备的要求。如参差调谐方式就很难做到，而宽带放大集中滤波方式，电源效率又很低。因此，采用了增益高、稳定性好的双调谐宽带放大电路，并用了多组级联反馈对放大器和功放级的放大式并联反馈稳定工作点电路。同时，对元器件进行了优选。晶体管均使用过载能力强，稳定性好的；电阻全部选用0.5W金属膜的；2200pF以下的电容均用高频瓷介的，大容量选用钽电容；收、发本振均采用石英晶体稳频。这样，可以保证整机的性能稳定可靠。

本机电路如图1所示。由30只晶体三极管，25只晶体二极管组成。BG\(_{1}\)、BG2为接收放大器，对天线接收来的微弱信号进行放大，以提高整机灵敏度和信噪比；BG\(_{31}\)～BG34为环形下变频接收混频器，将来自BG\(_{3}\)～BG6的本振信号与接收来的信号混频，产生34.25±4MHz的中频信号；BG\(_{7}\)～BG10为中放，放大后的中频信号与来自BG\(_{11}\)～BG14的发射本振信号在BG\(_{41}\)～BG44组成的发射混频器中进行上变频混频，得到发射频率信号；BG\(_{15}\)～BG19为发射功率放大器；BG\(_{2}\)0为稳定末级功放工作点的直流放大器；BG21、BG\(_{22}\)是自动增益控制放大器；BG23～BG\(_{3}\)0组成自动控制系统。下面对主要电路作一介绍。

本机的高频放大器BG\(_{1}\)、BG2，中频放大器BG\(_{7}\)～BG10和自动控制系统的BG\(_{23}\)、BG24共使用了四组成对级联电路。其特点是：简单，稳定可靠，输入、输出隔离较好。所以，可不加中和电路。由于该电路具有较强的负反馈，使直流工作点能自动稳定。如接收放大部分的BG\(_{1}\)、BG2，不管什么原因使BG\(_{2}\)集电极电流IC2增加，则R\(_{6}\)压降升高，经R1，使供给BG\(_{1}\)的偏置电压也升高。这就使IC1也增加，R\(_{2}\)压降升高又使BG2的偏置电压下降，从而使I\(_{C2}\)又回到原来的数值。这一环路的相互制约关系是恒定的，所以不论BG1、BG\(_{2}\)的集电极电流IC是上升还是下降，都会在原来的比值下得到自动平衡。因此，更换晶体管时不需要调整工作点（不同参数的管子，I\(_{C}\)变化很小）。

成对级联放大器本身的频率特性很宽，上限频率主要取决于器件的高频性能。本机高放上限频率为230MHz，中放上限频率为50MHz。每组放大器的输入、输出均接有电感耦合双调谐回路，分别调谐在中频或指定频道上。

为了便于生产，接收和发射的本振电路完全一样，仅本振的输出电压有区别，接收大于1V，发射大于1.5V。

本机的接收本振频率比接收频道频率高一个中频。如接收一频道信号，图象载频f\(_{v}\)为49.75MHz，伴音载频fa为56.25MHz，本振频率f\(_{0}\)应为86.75MHz。经混频：fo-f\(_{v}\)＝86.75－49.75=37MHz；fo-f\(_{a}\)=86.75－56.25=30.5MHz。这就是说，经接收混频后得到的中频图象载频比伴音载频高了6.5MHz。所以在发射混频时，必须使发射本振频率比发射频道频率高一个中频，把频率关系再倒置过来，使得图象载频仍比伴音载频低6.5MHz，否则普通电视机就无法接收了。由上述可知，对于某一个频道，不管是用于接收还是发射，其本振频率相同。

一频道的本振频率为86.75MHz，十二频道的本振频率为253.25MHz。这样高的频率，采用LC回路振荡器是无法保证频率稳定度的。因此，只有采用晶体稳频。在常温下采用JA型超高频晶体，其频率误差小于75×10\(_{－6}\)。在本机所用频率范围内，该晶体为五次泛音振荡，属于串联谐振型，等效电路如图2。根据这一等效电路，本机设计为串联反馈式振荡器，下面以接收本振为例（参见图1），介绍其工作原理。

BG\(_{3}\)为共基极电路，集电极和发射极同相位，SJT2为石英晶体。当C\(_{25}\)L9谐振在晶体的标称频率时，提供最大的正反馈，经C\(_{21}\)SJT2反馈到发射极。在这一反馈能量大于环路损耗时，建立稳定的振荡。

晶体的静态电容C\(_{0}\)约为4pF。这个电容的存在是有害的。在超高频段，它的容抗不高，通过它反馈的能量，能够维持环路损耗时，就会产生不受晶体控制的寄生振荡。其振荡频率和频率稳定度主要取决于本级集电极谐振回路。为了消除C0的影响，在SJT\(_{2}\)两端并联电感L8。当谐振时，其两端有很高的谐振阻抗，使C\(_{0}\)的有害作用被抵消，达到稳频的目的。

由于石英晶体工作在环境温度下，未加恒温装置。为了提高频率稳定度和防止在低温下停振，收、发本振级的偏置电源采用常开的。这就比较好地解决了造价、功耗和频率稳定度之间的矛盾。

本机接收与发射混频器均为桥式平衡混频器。它是由四只二极管和四只传输变压器组成，又称二极管环形混频器。在有了两级高放之后，混频器的噪声和变频损耗已不是主要矛盾的情况下，我们选用锗开关二极管2AK17作混频管，以降低造价。由图1可以看出，在四只二极管特性完全相同、传输变压器各相应端平衡时，输入、输出以及本振信号之间有很高的隔离度，其偶次谐波被抵消，信号及本振基频也被抑制。所谓二极管的一致性是指在工作频带内动态特性的一致，仅有正反向电阻和低频特性曲线的一致性是不够的。工作频率越高，这一点就越重要。传输变压器的平衡度主要取决于工艺加工的精度。单磁心混频器；外接电路的分布参数对传输线变压器的对称性有影响，增加不平衡——平衡变压器（图1中B\(_{1}\)4\(_{5}\)8）就能消除这一影响。

混频器的变频损耗，在各端最佳匹配时，主要取决于变压器的损耗和二极管的损耗。变压器在低频端其感抗应大于特性阻抗，而在高频端则绕组导线长度应远小于工作波长，否则损耗将急剧增加。变压器应选用导磁率高而高频损耗小的磁心。但二者是互相矛盾的，导磁率高的材料一般高频损耗就大。所以只能根据工作频率的上下限值，折衷选取，本机采用NXO—60。二极管损耗，在低频端由正、反向电阻决定。应选择正向电阻小反向电阻大的器件，可以减少变频损耗。但在高频端由于其结电容等的影响，变频损耗会有所增加。混频器变频损耗最佳值为6dB，一般可做到8～10dB。

自动开关机是无人值守设备必须具备的功能。目前，一般设备都是将接收部分常开着，接收到主台信号后，再自动开启发射部分。这种方式在每日转播时间很短的情况下，守候时间的功耗就很可观。为降低这一功耗，我们设计了定时搜索主台信号的自动开关机系统。其工作原理如下：

守候时，全机收、发系统均关机，仅定时器（BG\(_{28}\)～BG30）工作。其中3DO6B是增强型绝缘栅场效应管，它具有很高的输入阻抗。在不加栅压时，源、漏极不导通。当24V电源经R\(_{1}\)07给C170充电到某一数值时（这一时间常数由R\(_{1}\)07、C170的乘积决定，一般取20分钟）BG\(_{3}\)0导通。R106的压降经BG\(_{48}\)给C168充电并使BG\(_{29}\)、BG28导通，继电器J\(_{2}\)吸合，接点2、7与3、4分别接通。其中2、7接通后使C170经R\(_{1}\)08放电，使BG30截止。此时C\(_{168}\)维持BG29、BG\(_{28}\)导通约10分钟。而接点3、4接通后则使接收部分工作，搜索主台信号。如果此时主台无信号，过10秒钟后，接收部分关机。接着重复上述过程，每隔20分钟开启接收部分一次；若主台有信号，BG1～BG\(_{8}\)将收到的主台信号放大、变频、中放，再经BG23、BG\(_{24}\)37MHz窄带中放，BG52、BG\(_{53}\)检波，BG25视放，BG\(_{26}\)直流放大，使BG27导通，继电器J\(_{1}\)吸合，使全机工作。当主台信号消逝时，C166维持BG\(_{26}\)、BG27导通约3分钟，以防主台短时停播而造成漏转播。

信号场强的变化是常见现象。无人值守转播机必须有良好的自动增益控制性能才能得到稳定的输出功率。

本机从发射末级输出分取参考信号，经BG\(_{45}\)、BG46检波，再经BG\(_{21}\)、BG22放大，去控制BG\(_{35}\)～BG40的等效动态电阻，以改变高、中放的衰减量，达到增益的自动控制。W\(_{2}\)用来调整AGC的起始工作点，也可作为手动增益控制用。

自动增控制，由六只开关二极管组成的三节T形衰减器来实现，其工作原理可用图3说明：当控制电压改变时，D\(_{1}\)、D2的动态电阻发生变化，其规律近似于图3（c）伏安特性曲线的斜率。控制电压小于D\(_{1}\)、D2的导通电压时，I\(_{D}\)近似为零，RD为无穷大。输入信号仅被R\(_{1}\)、R2的串联电阻衰减。由图3（b）等效电路可以看出，当控制电压增大时，R\(_{D}\)下降，衰减器的衰减量将增加。

这种AGC电路具有很宽的控制范围，而且在此范围内对放大器的线性、频率特性的影响也比较小，这是一般三极管正、反向AGC电路难以做到的。

由于本设备要工作在无机房、无人值守的恶劣环境下，要求放大器的性能必须稳定。而一般工作点的稳定性与放大器的发射极对地电阻有关，阻值大稳定性就好。但此电阻大，放大器的线性工作范围和效率就低。另外，超高频晶体管放大器的功率增益，受管子的发射极对地电感（包括晶体管的引线电感和对地阻容元件的引线电感等）的影响，将减小，而且频率越高影响越大。这一发射极对地电抗分量也往往是超高频放大器大信号工作时，产生参量自激的重要因素。综上所述，发射极以最短引线接地可得最大的稳定增益、最大的线性工作范围以及较高的效率。但此时工作点的稳定性最差。为了解决这个矛盾，我们采用了“直流放大式”并联反馈型稳定工作点电路。下面用图4简化等效电路来解释其稳定过程。图中BG\(_{1}\)等效为功放级，BG2是直流负反馈放大器，C\(_{1}\)、C2、C\(_{3}\)是旁路电容，R1是反馈取样电阻，R\(_{2}\)、R3是BG\(_{2}\)偏置电阻。不管什么原因，只要BG1的I\(_{C}\)增大，R1压降就升高。此电压上“正”下“负”与BG\(_{2}\)的偏压反向，抵消了一部分偏压，使BG2的I\(_{C}\)下降，也就使BG1的I\(_{C}\)下降回到原值。反之亦一样。在没有发射极电阻的情况下，放大器工作点具有很高的稳定性。由于BG2的放大作用，BG\(_{1}\)工作点的稳定性，相对于电阻并联反馈电路提高了β倍。

发射功放由四级组成。前三级为单管调谐放大器，末级为甲类推挽放大器。BG\(_{2}\)0是稳定工作点的反馈放大器。电位器W1用来调整BG\(_{18}\)、BG19的平衡度。

应该指出：L\(_{58}\)是末级功放电源退耦高频阻流圈，而在低频放大器中是不需要的。但在超高频放大器中没有它就不成为“推挽”电路了，这可由图5等效电路加以说明。图中C1、C\(_{2}\)是管子的输出电容，虚线表示电感L中心抽头处无高频阻流圈时的等效情况（即此时相当于高频接地）。该等效电路表明上、下两只管子各有自己的谐振回路（L的上半段和C1及L的下半段和C\(_{2}\)），使电路变成了一种并联工作方式。

本机接收和发射工作频道，可在第1至第12（除第3）分别任选一个。其最低接收电平40dB，标准接收电平为60dB，额定输出为100mW。电源为24V，250mA。

样机使用68米高的双环发射天线，在距主辐射方向5公里处，实测场强大于40dB，经过霉雨、炎热季节的考验，性能稳定可靠。（王樾）