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線性功率放大器使用注意要領

No.27   1995 Apr.   p74~79,   by 吳尊周 / BV2AP



    電離層的反射狀況往往不容易完全掌握,如果能在無線電收發系統上予以增強,可避免因通訊狀況衰落而中斷。1KW 的千瓦功率放大器搭配 YAGI 定向天線,可提升通訊系統的能力 100 倍。

    YAGI 天線的架設容易,架好後只要定期檢查即可,但是「線性功率放大器」 (Linear Power Amplifier) 卻不是接上即可安心使用,一不小心的下場,無以彌補金錢與精神上的慘重損失。


電離層反射一次損失 6dB

    目前業餘無線電短波頻帶多使用 CW 或 SSB 通訊,而電離層反射一次約 3,000 公里,路徑損失大約 1010~12 功率比,亦即 100~120dB;再續跳一次約損失 6dB,兩萬公里之遠的半個地球,約需七次。

    這 6dB 的損失乘上七次,就有 42dB,再加上第一次損失的 100~120dB,即約 142-162dB,相當於 5~500W 的功率;亦即以此 5~500W 的功率輸出,理論上就可通達至全世界。


功率=電壓平方÷電阻

    由歐姆定律 V=IxR (電壓 = 電流 x 電阻),及 P=VxI (功率 = 電壓 x 電流) 可知,P = V2 ÷ R。而發射機的輸出阻抗大多為 50Ω,所以,在 50W 輸出時,50Ω負載的天線端有 50V 的高頻電壓 (50V x 50V ÷ 50Ω = 50W)。


一瓦功率可通達三千公里

    又因電離層一次反射 (約 3,000 公里) 的電壓比損失約 105~6,故 50W 的輸出功率,在另一方接收端的天線,約可感應到 50V x 10-5 或 50V x 10-6,亦即 50uV~500uV 的電壓。而一般接收機在 30MHz 以下的 HF 波段,只要有 0.1uV 即可辨別 CW 訊號,1uV 就能了解 SSB 內容 (HF 波段因雜音大,有時需 1-3uV 才可辨別 CW, 3~10uV 方能了解 SSB 的內容)。

    依此類推可知,若使用 1W 以下的功率,即可在 3000 公里內進行 HF 波段的一般通訊,100W 功率要通聯全世界也不難,只要記住:10MHz 以上:同為日照之地區可以互通,但在 1000 公里內或夜間時,因電離層無法反射,不易通到。

    10MHz 以下:同為非日照之黑暗地區可以互通,在 1000 公里內,24 小時都可互通,尤以日出及日落點對 DX 遠距通訊良好。


改良天線性能為優先考慮

    由長年經驗得知,電離層的反射狀況不易完全掌握,雖然路徑損失值在 3000 公里內時可預估在 100~120dB,3000 公里以上時可預估在 140~160dB,如果能在無線電收發系統上予以增強,如此可避免因通訊狀況衰落而中斷,故一般都建議使用:1KW 最大功率搭配 YAGI 定向天線,如此可將通訊系統的能力提升 100 倍,亦即增強 20dB。

    若以天線為優先考慮,增強無線電台的通訊能力,採用「定向天線」 (Beam Antenna) 可有以下優點:
1. 減低干擾雜音,在 360 度內僅開放 60 度以下。
2. 收發同時都有增益,不致成為「河馬」,口大耳小。
3. 降低發射功率仍可通訊。


「功率放大器」增強輸出功率

    增加無線電機的輸出功率也可以改善通訊能力,只要在主機外部加裝「功率放大器」 (Power Amplifier) 即可。業餘電台一般規定發射機的最大輸出功率到 1KW,即一般主機 100W 的 10 倍,在 DX 遠距通訊比賽時,各國的「大砲」 (Big Gun) 級電台多採用此「最低功率」,往往可一次即通,且於通訊狀況不佳時,多能達成無中生有的通訊記錄。不過,要設立 1KW 高功率的放大器有其考慮條件:

  1. 要輸出能源 1KW,至少要能提供 2KW~3KW 的輸入功率 (效率約為 30%~60%)。在野外移動使用時,因大功率電源設備不易取得,且發電機及放大器都很重又佔體積,值得考慮。

  2. 天線的耐功率值及絕緣要足夠;一般 GP (Ground Plane) 垂直天線若接地不良,或 DP (Dipole) 偶極天線淨空不足,尤以 7MHz 的低頻使用 100W 以上的功率,很易輸出回授影響麥克風,造成天線語音失真。因此,天線的接地、SWR 駐波比、頻寬、耐功率、淨空不足者,切勿使用大於 100W 的功率,否則易損壞機件或無法正常工作,產生強烈干擾,建議先做好評估,試過可行後,才可加裝。

  3. 100W 對 500W、1KW 而言,僅僅只差 10dB (101);對 100~160dB (1010~1016) 而言,僅差一個零,相差並不是很多,通常停在信號邊緣值,隱約聽到時,才可無中生有,並非電波路徑全無之下就可通達,所以,注意傳播特性的狀況遠比提高功率重要。

    若注意世界各國的 24 小時高功率廣播電台 (數百萬瓦),以其作為為指標導引,可知何時、何頻段可通何區,再配上高指向的大型天線及 1KW 高功率放大器,更能發揮特長,事半功倍。


真空管功率放大器注意事項

    任何一種高功率放大器都要小心操作使用,方可避免損壞寶貴零件,真空管式更是要非常小心:

  1. 使用前先開機加熱燈絲至少五分鐘,Standby 備用。

  2. 先將主機以 3~10W 低功率輸出,確認天線共振,SWR 值低,再提升至 100W 輸出,SWR 低於 1:2,才可啟動功率放大器,否則將造成 TVI 電視干擾或損壞各部機件。

  3. 在主機 100W 輸出,SWR 低於 1:2 時才啟動功率放大器。首先將主機開 10W 的低功率來推動放大器,再調整功率放大器至諧振點 (IGmax、IPmin、POmax),功率放大器的輸出將有 50W 以上,放大至少 5 倍。真空管屏流 IP 切勿大於額定值,再確認 SWR 小於 1:2。

  4. 調整功率放大器的 Load 及 Tune 旋鈕,使其負荷相當,再徐徐增加主機推動功率至 20~30W 輸出,再確認 IG、IP、PO、SWR,使其達最佳狀況,並確認真空管屏極不發紅!每次做調整時必須注意以低功率為之預調,再升高功率細調 (Load 調最大 IP 值,Tune 使 PO 大,IP 小)。

  5. 在一般狀況下,主機調至 30~50W 時,應該可達功率放大器的最大輸出。可以調整功率放大器的 ALC,使其達到自動最大功率限制。功率放大器的最大輸出切勿連續過久,否則容易損壞真空管。一般在 CW 或 SSB 時,因其工作 / 休息比約為 50%,功率輸出可至全功率使用;但在 RTTY、FSK 或 FM 時,功率要調至一半以內 (約 200~500W),以免因連續全功率輸出過久,使真空管屏極發紅燒熔、損壞。小心使用真空管,可數年不壞,否則花費不低。若無 ALC 調整,可由推動輸出控制,一般的 200~500W 即可,1KW 或 500W 的功率放大器機件,在半 額定值下使用較不易故障損壞。

  6. 以各波段頻率調整功率放大器妥當後,用筆劃上調整的位置值,可方便在更改頻率時,立即調於共振點左右,再作細部調整。切記每次改變波段時,先由小功率調整再提升功率,有任何異常要隨時檢查,隨時監看 SWR/PO/IP/IG,查問對方接收音色有否失真。

  7. 天線調諧器的作用在保護機件,但無法提升發射效率,故天線的共振最為重要。若無 Tune 裝置時,SWR 必須小於 1:2 (SWR 在 1:1.5 時有 4% 損失、1:2 時有 10%、 1:3 為 25%)。天線若不良,切勿使用放大器。切記!

  8. 使用功率放大器時,CW 的模式必須 BK OFF,尤其絕對禁止全 BK 方式 (Full BK)。目前除特別設計機型有快速 ON/OFF 裝置,其餘機型都不可以 Full BK。

  9. 詳讀各家廠牌使用及安裝說明書。有的機種在 SWR 大於 1:3 時即自動關機保護。一般來講,在 10-100W 的低功率時,SWR 值較小;大功率時,SWR 易大於 1:3,所以 SWR 最好在 1:2 以下。

  10. 功率放大器多有開機延時的湧浪電流保護裝置 (串於電源的熱敏電阻冷後變成大電阻,可限制最大電流),因此,關機後若要再開機,最好等待五分鐘以上。

  11. 功率放大器的 PTT 及 ALC 因各家廠牌設計不同,須小心連接。有的 PTT 為 -80V,有的須供應 +24V,繼電器接地電流大於 0.2A;有的則要供應 +12V 啟動繼電器……。而 ALC 更是繁多,有的為 0V~-10V,有的根本無 ALC,因此不同廠牌的主機與功率放大器連用時,請特別詳閱技術資料,切勿輕易使用,以免損壞。

  12. 真空管型功率放大器的屏壓往往大於 2KV 高壓,拆裝時須特別小心。其內部一般都有多點傷害防止配置,先拔掉電源插頭,等待數分鐘,待其內部高壓放電完後再動手拆機。務必記下多點保護短路落地點,以免裝回時未處理好,造成高壓 DC 短路。在檢修時,小心不要短路到高壓 DC 線路,確認電容器的存電已經完全放完,尤其以數只串聯的 450WV/20uF~40uF 電容器。若電容器上並聯的 20KΩ/20W 電阻燒斷時更得小心,請詳細量測此高壓串聯電路,確認已經完全放電,每只電容、電阻正常 (可用 1~10KΩ 10W 電阻並聯電容器加速放電,但勿直接短路)。

  13. 功率放大器機殼拆開時勿插電試機,除非已確認各保護開關正常,高壓無危險且對地保護都已旁路拆開,否則一送電,馬上損壞電源。

  14. 並聯使用可減少管數,如四支 30L-1、二支 572B,但注意推動功率勿過大,且特別檢查其 IP 屏流勿過高。572B 因屏極特厚,不易發紅燒熔,但仍要注意調整步驟。更新真空管時,最好一次全部換新,同型同批,以免特性不一容易損壞。並特別注意 IG 及 EG,偏壓 PTT OFF 時,在截流點無屏流以下;PTT ON 時靜電流在數 10mA 以下,偏壓點調妥確認,且柵極電阻良好。工作正常下,每只真空管可在燈絲暗紅色下使用 (不得有發紅現象,且每支情形都得一致)。


電晶體功率放大器注意事項

  1. 電晶體較不耐高溫,一般都有風扇冷卻系統,風扇本身可變速,功率大、溫度高時,風扇轉快;且機內多附有幾組溫度開關可啟動風扇,甚至降低輸出功率以保護元件。

  2. 溫度過高、SWR 太大、推動異常、功率組件不平衡時,通常都可啟動保護回路,輸出電力自動減半或關機,等原因排除後,才能使用正常。請詳讀操作手冊,以免當機,休息數小時後,才可再正常使用。注意天線 SWR 低於 1:2 以內,勿連續強功率工作太久。

  3. 電晶體型功率放大器多以數組電晶體並列,以達到高功率輸出。若每組電晶體不平衡,或放大倍數不足時即自動關機,請記住所有的規格、參數、連接線接法,才可放心使用,免於當機之苦。

  4. 變換波段時,必須等待數十秒,且降低功率至 50W 內,使天線調諧器能在低功率下調整匹配天線。若無自動式天線調諧器者,務必查驗開關定位後,再以低功率調妥天線共振,再提升功率。

  5. 天線狀況不良時不要啟動功率放大器。在淨空不足、耐功率不足、接地不良、及高樓大廈最好不要用,以避免 CATV/MATV 放大器串音及 TVI 干擾。電力不足時也勿用。

  6. 電晶體型功率放大器對異常負荷的耐力較差,務必配用天線調諧器 (阻抗匹配器),以保護主機。跟前述一樣,儘可能不要 Full BK、10MHz 以下則少用功率放大器。


結語

    由於 1KW 功率放大器極易產生 TVI 電視干擾,故請查驗無 TVI 後再接上使用;且現今電話多為電子式,更容易受到干擾;音響及家用電器設備也要小心確認,避免導致他人的困擾及抗議。

    只要了解電波的傳播狀況特性,即使只有垂直或水平天線,低功率 (QRP) 也可通達全世界。功率放大器若使用良好,當可更上一層樓,然而其所引發的技術問題,請詳加了解,避免干擾。天線不好,勿用功率放大器! END



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