王 蓓

國家廣播電視總局無線電臺管理局 北京市100045

4CV100000C型大功率四級電子管是DF100A型短波發(fā)射機的核心器件，長期以來，其陰極（燈絲）都采用交流供電的方式。交流供電在射頻通路產(chǎn)生的工頻噪聲是影響發(fā)射機信噪比指標的重要因素之一，對接收端的收聽音質(zhì)造成了不可逆的干擾。因此，對燈絲供電方式進行改造，可以從根本上消除工頻噪聲，改善發(fā)射機雜音指標。但是，燈絲改成直流供電方式后，會帶來電子管壽命減少、發(fā)射機功耗增加等新問題，這就需要采取適當?shù)姆绞絹韽浹a改造后的不良影響。

1 4CV100000C型電子管陰極的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

發(fā)射管又稱功率發(fā)射管，是用來產(chǎn)生或放大電磁振蕩以獲得一定輸出功率的電子管，大功率電子管在大功率的短波發(fā)射機中廣泛使用。發(fā)射管的陰極是依靠加熱使電子獲得能量而發(fā)射電子，按照加熱方式的不同，可分為直熱式和旁熱式兩種。直熱式是在陰極（常稱為燈絲）上直接通電加熱，旁熱式是在陰極套管內(nèi)裝有燈絲，通過燈絲的電流對陰極間接加熱。

4CV100000C型電子管是一種同軸結(jié)構(gòu)的真空陶瓷四極管，具有陰極、柵極、簾柵極和屏極（陽極）四個極。其中，陰極為直熱式碳化釷鎢陰極，是一種單原子膜陰極，采用1～2.5%氧化釷的鎢棒拉制成的細絲。為提高釷原子在鎢絲表面的吸附力，釷鎢絲要放在碳氫化合物中進行碳化處理，使其表面形成一層碳化鎢。電子管處于工作狀態(tài)時，陰極在真空中加熱到2200K時迅速被激活，分散在碳化鎢中的二氧化釷就被還原成自由的釷原子，釷原子擴散到陰極表面，就會形成一層單原子層。由于吸附力的存在，釷鎢絲表面的釷原子就會被激化而形成偶極層，這樣釷鎢絲的電子逸出功就降低了，有利于電子的發(fā)射。同時，由于損失的釷原子能源源不斷地得到補充，因而可以獲得較穩(wěn)定的發(fā)射電流，并可大大延長電子管陰極使用壽命。

該型號電子管的陰極結(jié)構(gòu)采用了網(wǎng)狀陰極，就是用0.15～0.5mm的釷鎢絲焊接成圓筒形，形狀如網(wǎng)籠，結(jié)構(gòu)上不易熱變形，與網(wǎng)狀型柵極相配合使用。柵極結(jié)構(gòu)同樣采用網(wǎng)狀柵極，柵極表面的電場分布均勻，就可以減少“孤島效應(yīng)”，如圖1、圖2所示。

圖1網(wǎng)狀陰極結(jié)構(gòu)

圖2網(wǎng)狀陰極的焊接過程

在DF100A型短波發(fā)射機中，高末級放大電路采用的是推動激勵小、功率增益高的陰地線路，工作狀態(tài)選用丙類，屏級效率約為85%。高前級四極管的輸出約為1kW，作為高末級四極管（4CV100000C）輸入功率，高末級的輸出功率約為107kW，功率增益約為20dB左右。

2 現(xiàn)有燈絲交流供電方式

2.1 燈絲交流供電電路

目前，DF100A型短波發(fā)射機末級燈絲采用交流供電方式，230V單相交流電通過的變壓器（變比約為23:1，連續(xù)工作電流450A）降壓至10V后為燈絲供電。變壓器次級中心抽頭接地，使陰極直流通地。在燈絲兩級對地部分分別接兩個電容（一個容量為2000PF的薄膜電容，一個容量為8000PF的陶瓷電容），使射頻信號接地，構(gòu)成陰地電路，同時可以防止射頻信號對燈絲電源的串擾，如圖3所示。

2.2 燈絲交流供電方式的優(yōu)缺點

圖3末級燈絲交流供電通路

交流供電方式的優(yōu)點是可以簡化電路元器件，只需要一臺變壓器即可，在上世紀90年代半導(dǎo)體整流設(shè)備短缺昂貴的時候，交流供電方式是最好的選擇。交流供電方式的缺點是交流電直接接入燈絲引線，交流電產(chǎn)生的50Hz工頻噪聲不可避免地會疊加在射頻信號中，由于工頻噪聲頻率于音頻頻率有重疊而難以濾除，導(dǎo)致發(fā)射機信噪比降低。

3 燈絲直流供電方式的改造

燈絲直流供電方式的改造，最核心的改造就是加入整流設(shè)備。為了節(jié)省改造成本，盡可能保留原有交流供電設(shè)備，仍然使用原有的高末燈絲變壓器和供電線路，僅對增加的部分進行改造，改造后的燈絲直流電路如圖4所示。

3.1 燈絲供電通路地改造方案

變壓器初級由單相230V改造為三相230V，采用三角形接法，在220V至245V的范圍內(nèi)設(shè)置多個抽頭，以滿足不同外電的需求。由于單相改為三相，末級燈絲電源斷路器也相應(yīng)改為三相斷路器，燈絲一、二段限流電阻由1個增加為3個，同時，燈絲一、二段控制回路需要加輔助觸頭接點間接控制。

圖4末級燈絲直流供電通路

圖5整流二極管及其水冷通路

變壓器次級采用星型接法，輸出10V交流電，后接一組整流橋，次級不再需要中心抽頭接地，在整流橋輸出負端接地即可。整流橋由3只快速二極管（規(guī)格為MDC1000A/600V）組成，經(jīng)過整流后的直流電接入燈絲兩極地引線，燈絲取樣電流表相應(yīng)地改為直流表。

燈絲額定電流為300A，快速二極管僅僅依靠風冷是不夠的，因此，要采用水冷方案。從發(fā)射機水電機箱水路五通口上增加一路分支，由水冷水管（夾絲硅膠管）連接至快速二極管進出水口，如圖5所示。

3.2 燈絲改直流供電方式后的測試

發(fā)射機其他器件保持不變，在同時間段、同頻率、同路由的情況下，對燈絲直流供電方式改造前后的發(fā)射機工作情況進行加高壓測試。測試結(jié)果表明，發(fā)射機整體工作狀態(tài)沒有顯著變化，但是，發(fā)射機信噪比指標在燈絲直流供電方式下較交流供電方式提高約2.6～3.4dB（在不同頻率下測試）。

4 燈絲直流供電方式的缺點和解決方案

如第一節(jié)所述，電子管實現(xiàn)放大功能的主要原理是由陰極向屏級發(fā)射電子，但是陰極的電子數(shù)量有限，因此，完成老練的正常電子管在機使用壽命的長短主要取決于陰極壽命的長短。從廠家說明和維護經(jīng)驗兩個方面來看，為了增加電子管壽命，DF100A型短波發(fā)射機在設(shè)計和維護中都采取了適當?shù)拇胧┮匝舆t電子管壽命。其一，發(fā)射機設(shè)計在啟動燈絲時的燈絲電流必須限制在二倍標準燈絲電流以內(nèi)。其二，電子管加上額定燈絲電壓時，其峰值放射電流要比在額定功率播音時所需的電流大很多倍，由于降低燈絲電壓可以降低燈絲溫度，而降低燈絲溫度可以增加陰極壽命，所以，在實際維護工作中，根據(jù)需要發(fā)射功率的不同，適當降低燈絲電壓就能大大提高燈絲的使用壽命。

4.1 直流供電方式會縮短電子管壽命

燈絲改成直流供電方式后，為什么會縮短電子管的使用壽命？筆者向國內(nèi)多個電子管廠家咨詢相關(guān)數(shù)據(jù)，因沒有燈絲直流供電方式的先例，廠家表示均沒有相關(guān)測試和說明。但是可以對燈絲直流供電方式改造后的影響在理論上進行相關(guān)的推驗。

DF100A型短波發(fā)射機的末級柵偏壓工作電壓是-800V（其中固定偏壓-400V），前級電子管屏級輸出的激勵信號通過電容耦合到末級電子管的柵極，推動末級電子管工作。由于激勵電壓是動態(tài)變化的，在此只對固定負柵壓時的電子管進行分析。當燈絲采用直流供電方式時，燈絲以中心為界，正負兩端的電子發(fā)射量是不同的，從燈絲中心點往兩端，發(fā)射量隨電壓變化，電壓越低就越大，電壓越高就越小，如圖6所示。另外，由于燈絲發(fā)射面積是固定的，一定的溫度下，相同面積能發(fā)射的電子數(shù)量是有限的，假想在極端情況，一端發(fā)射電子而另一端不發(fā)射電子，發(fā)射電子的那一端會出現(xiàn)電子供應(yīng)不足的現(xiàn)象，還將使管內(nèi)阻上升導(dǎo)致特性曲線偏離。

這種一面倒的情況在燈絲采用交流供電方式時就不會發(fā)生，燈絲引線兩端以每秒100次的頻率完成電壓交換，加之熱惰性的影響，整個燈絲的發(fā)射密度都被均衡化。所以，燈絲采用直流供電方式后，會造成陰極電子發(fā)射不均勻，低電壓一側(cè)的陰極電子耗散較交流供電方式時快，從而縮短電子管壽命。

另外，直熱式電子管燈絲之間存在距離，由于直流供電方式下燈絲電壓的存在，燈絲間會產(chǎn)生一個電場，使陰極電子受到燈絲間電場力的作用，在一定程度上會影響陰極電子發(fā)射效率，但是當陰極為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時，這個影響比較小。

4.2 改善電子管壽命縮短問題的解決方案

目前，對于4CV100000C型電子管，廠家并沒有做過燈絲在交流和直流兩種供電方式下的點燈測試，加之電子管價格昂貴，無線局的臺站也不具備靜態(tài)實測的條件。按照理想條件，假定電子管在使用中壽命是10000小時，忽略柵流和簾柵流的影響，在陽極直流電壓為14kV，電流為8.8A的情況下，依據(jù)庫倫定律推算，壽命縮短約在30小時。但是，末級電子管是在一個復(fù)雜的功率放大電路中，溫度、環(huán)境、高壓工作時間等都能產(chǎn)生影響，簡單的理論推算并不能十分精確。因此，在無法等條件測試的情況下，只能在實際維護中積累相關(guān)數(shù)據(jù)。

對于燈絲直流供電方式帶來的電子管壽命縮短的問題，可以采取兩種方式解決。其一，在燈絲直流電路中加裝換向器，定時對直流的兩級進行換向。其二，在檢修維護中，定期手動對燈絲引線換向。前者增加設(shè)備的同時相當于增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，既帶來故障隱患，又平添經(jīng)濟負擔。考慮燈絲直流供電方式下電子管壽命縮短比重并非十分嚴重，加之無線局的臺站檢修周期相對較短，所以后者的解決方式更為合理。

4.3 直流供電方式會增加發(fā)射機功耗

圖6燈絲直流供電方式下陰極發(fā)射電子情況

如前所述，對燈絲進行直流供電方式改造時，最核心的改造部分就是整流橋。整流橋需要用到3只快速二極管，由于末級燈絲額定電流是300A，發(fā)射機正常運行時燈絲的峰值電流遠高于額定電流。為此，選用的高功率快速二極管散熱量很高，采用風冷加水冷的方式，總散熱量約為2-3kW，等同于直接增加了發(fā)射機功耗，降低了發(fā)射效率。

在無線局某臺的某部發(fā)射機上進行實際測試，選定頻率9.9MHz、調(diào)幅度100%、發(fā)射功率100kW條件下，通過功率計在發(fā)射機進線端測得輸入功率為211.64kW，通過測假負載端的出、入水流量差和溫差，計算輸出功率為152.31kW，實際發(fā)射機效率為71.97%。同等條件下，除去整流橋散熱功率后，發(fā)射機效率應(yīng)在72.7%～73%之間。綜上，燈絲采用直流供電方式后，發(fā)射機效率降低約1%。

5 結(jié)語

DF100A型發(fā)射機作為短波發(fā)射機的主力機型，信噪比一直是該發(fā)射機的重要指標，但是，技術(shù)瓶頸導(dǎo)致信噪比無法有效提升。隨著技術(shù)的不斷升級，通過對發(fā)射機進行技術(shù)改造來提高發(fā)射機信噪比，非常有實踐意義。2019年，無線局某發(fā)射臺對4部DF100A短波發(fā)射機進行了燈絲直流供電方式的改造，自試播以來，工作狀態(tài)穩(wěn)定，信噪比指標保持較高水平。