导语

中短波(AM/SW)广播发射机历经百年发展，近年来在固态化浪潮、数字广播标准普及以及运维成本压力的三重驱动下，迎来了一轮深刻的技术变革。本文以Nautel、Ampegon、GatesAir 和 Thomson Broadcast 四家主要制造商为研究对象，系统梳理其在 2021—2026 年间(必要时追溯更早的技术源流)于发射机架构设计、功率器件、调制与信号处理算法、节能控制方法，以及运维管理流程等领域引入的关键新技术。文章在各技术专题中对不同厂商的技术路线进行横向比较，评析各自的优势与局限，以期为行业研究者和工程师提供有参考价值的技术视图。

半导体器件：宽禁带材料的进军

功率半导体器件是决定发射机性能天花板的根本因素。过去五年，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体(宽禁带半导体)材料开始在广播发射机领域实现商用突破，这是继 LDMOS 普及以来最重要的器件革命。

3.1 LDMOS：中波固态化的功勋器件

LDMOS 晶体管在过去二十年是中波固态发射机的绝对主流，至今仍是大多数产品的首选，截至 2024 年市场占有率约36%。其特点是：

•工作频率： 适合 1~30 MHz 的中波和短波低段

•线性度： 优异的互调失真(IMD)性能，满足 AM 和 DRM 的谱纯度要求

•鲁棒性： 耐受较高的 VSWR(天线失配)，GatesAir Flexiva DX 系列规格显示可在 VSWR 高达 65:1 的条件下短暂工作而不损坏器件

•成熟度： 供应链完整，器件一致性和可靠性久经验证

•单器件功率： 商用 LDMOS 单管 CW 功率已超过 1,500 W，是大功率 AM 发射机模块化设计的基础

30V vs 50V LDMOS 的工程权衡： 传统 LDMOS 工作在 28V/32V 电源电压下，而 Thomson、GatesAir 等厂商采用的 50V LDMOS代表了近五年来 LDMOS 技术的重要进步——50V 器件在相同输出功率下漏极电流减半，减少铜损(I²R 损耗)，更高的功率密度意味着更少的并联器件数，缺点是对驱动电路和匹配网络的设计要求更高。Thomson 在 Elite GreenPower 系列发射机中证实，采用 50V LDMOS 配合 Doherty 架构，可实现比前代产品节能约 15%的效果。

3.2 碳化硅(SiC)：Thomson 的战略差异化

碳化硅(SiC)是目前广播发射机领域应用最具突破性的新材料。其物理参数远优于硅：

这些参数直接转化为工程优势：更高工作电压(大幅提升功率密度)、更低开关损耗(高载流子迁移率)、更好散热(热导率约为硅的三倍)。

Si / SiC / GaN 三种半导体材料多维性能对比及当前应用状态

Thomson 的来源：国防技术的民用转化。 Thomson Broadcast 的 SiC 技术并非从消费电子领域引进，而是直接来源于其母集团在军事/国防领域的应用积累——Thomson 为法军和北约系统供应雷达等军用电子设备，SiC 晶体管在军用雷达的脉冲功率放大器中已有多年应用。这一独特的技术来源赋予了 Thomson S7HP Neo 几个显著特征：

1.极端可靠性： 军规设计裕度和筛选流程，保证广播发射机在恶劣环境下的长期稳定运行

2.功率模块密度革命： 在相同输出功率下，采用 SiC 技术所需的功率模块数量减少约 50%

3.更高系统效率： S7HP Neo 整机效率(含冷却)达 93%

4.配套光纤链路： 由于 SiC 器件高速开关产生更强的 EMI，S7HP Neo 采用光纤链路传输控制信号，消除电磁耦合干扰

3.3 GaN：下一代发射机的战略储备

氮化镓(GaN)晶体管，特别是 GaN on SiC结构，被业界普遍视为下一代高功率发射机的理想器件。其在高频(>30 MHz)下的性能优势已在卫星、雷达和 5G 基站领域得到充分验证。

截至本文写作时(2024—2026年)，GaN 在 AM 广播发射机领域尚未实现实质性商用突破，主要原因在于：中波频率相对较低(0.5~1.7 MHz)，LDMOS 和 SiC 已能提供足够的性能；GaN 器件栅极阈值电压较低，驱动电路设计更复杂；器件成本尚高于 LDMOS。但在短波频段(1.5~30 MHz)，GaN on SiC 已有学术研究和部分商用 RF 功率放大器采用，预计未来 3~5 年将在中短波发射机领域实现商用突破。

3.4 IGBT 在调制电源中的独特角色

尽管 IGBT 并非 RF 功率放大的传统选择，Ampegon在 PSM9 调制器中选用 IGBT 是精心的器件选型决策。在 PSM 应用中，开关频率处于音频范围(远低于射频)，对电压和电流能力要求更高，IGBT 在此频率的导通电阻和开关损耗组合最优，结合集成短路保护和 IGBT 监控，PSM9 实现了 >97%的调制器效率。

数字调制与信号处理：从模拟到全数字的质变

4.1 现代 AM 调制的技术代差

理解现代发射机的调制创新，首先要理解传统模拟调制的缺陷：温漂(模拟元件参数随温度漂移)、非线性(变压器磁芯饱和引入失真)、频带限制(无源元件限制高频响应)，以及无法支持 DRM 等数字广播标准(要求调幅准确度 <0.1 dB、相位误差 <1°，远超模拟调制能力边界)。

当代中短波发射机的调制链路已全面数字化，下面介绍各厂商的代表性方案。

4.2 六相直接数字调制(Nautel的独创方案)

Nautel NX 系列的调制技术是目前中波发射机中最具技术深度的方案之一。其核心是六相直接数字调制(Six-Phase Direct Digital Modulation)，编码速率达到 1.8 百万采样/秒(1.8 Msps)。

六相的物理含义： 常规 Class-D 发射机使用单相或三相 H 桥驱动，而 Nautel 将 RF 开关信号分为六个相位互相错开60° 的通道，通过相位叠加的方式：

1. 消除低次谐波： 六相结构的天然对称性使 5 次、7 次等低次谐波相互抵消，大幅简化输出滤波器设计

2. 提升有效分辨率： 等效于在相同开关频率下提高了调制信号的分辨率和线性度 

3. 降低个体模块的电气应力：每个模块只承担总功率的 1/6，器件工作在更舒适的状态区间

这一设计思路与音频行业的 Sigma-Delta(ΣΔ)调制器高度类似——用远超信号带宽的过采样率换取极低的量化噪声，再辅以数字滤波实现高动态范围。1.8 Msps 的采样率相当于奈奎斯特频率 900 kHz，其量化误差信息(噪声底)落在有效信号带宽之外，实质上实现了极低的调制失真底噪，使 NX 系列在 DRM30 全模式、HD Radio 和标准 AM 之间无缝切换成为可能。

4.3 直接数字合成(GatesAir的 DDS 方案)

GatesAir Flexiva DX 系列采用基于 直接数字合成(DDS)的 RF 包络调制方案：通过 DSP/FPGA 直接合成包含AM 调制信息的数字 RF 包络波形，实现从音频输入到 RF 输出的全数字信号链路，为后续的数字预校正提供理想条件。

4.4 脉冲步进调制(Ampegon的 PSM 独特路线)

Ampegon PSM 是一种从电源侧实现调制的独特方案，而非传统的从信号侧调制 RF 波形。其工作原理为：

1.将直流母线电压用 IGBT 开关切分为多个离散电压台阶

2.实时检测 AM 调幅信号的包络值，选择最接近目标包络的电压台阶组合

3.将选定的离散电压输出提供给末级固定增益 RF 放大器作为电源

4.RF 放大器输出的包络跟随电源电压变化，从而实现 AM 调幅

PSM 方案的精妙之处在于调制器与 RF 放大器解耦：PSM 只需处理音频频率范围内的开关动作，无需在射频频率域进行调制操作，工程实现难度大幅降低，效率极高(>97%)。PSM 方案的主要局限是：离散电压台阶的切换会产生一定的量化噪声(台阶纹波)，需要精心设计低通滤波器消除，且对于 DRM 等高峰均比信号，需要足够多的台阶数以保证信号线性度。

PSM 脉步调制原理流程图：从交流电网到 AM 射频输出的电源侧调制链路(Ampegon TSW 系列)

数字预校正与自适应线性化技术

5.1 为何预校正如此重要

任何功率放大器都存在非线性，表现为幅度非线性(AM-AM)、相位非线性(AM-PM)和内存效应(Memory Effect)。对于模拟 AM 广播，这些失真可被一定程度容忍；但对于DRM 数字广播，同样的失真会导致 OFDM 子载波的星座图散布、误码率急剧上升——因此，数字预校正(DPD)是支持数字广播的发射机不可或缺的组成部分。

5.2 Nautel 的双重线性化策略

Nautel 对 NX 系列预校正的工程哲学可以用一句话概括：“先将发射机设计得足够线性，再施加最佳的数字预校正”——这与许多竞争对手”依赖预校正弥补硬件非线性”的策略形成鲜明对比。

硬件线性化： NX 系列的 Class-D 架构和六相调制本身具有极高的天然线性度，六相多路相位叠加通过频谱整形将大部分非线性产物推至带外。

数字自适应预校正： 在硬件线性化基础上，进一步叠加数字自适应预校正系统，构建一个 FIR(有限冲激响应)数字滤波器，其频响特性等于待校正失真的逆特性，从而使级联后的总响应趋近于理想线性。系统实时检测发射机输出信号的失真，动态更新 FIR 滤波器系数，以跟踪温度漂移、老化效应和工作点变化引起的失真变化。

5.3 HD PowerBoost：PAPR 算法驱动的数字广播效率提升(Nautel 2023—2024 新技术)

HD PowerBoost是 Nautel 近年推出的专为 HD Radio(IBOC)数字广播优化的算法，代表了预校正技术向主动效率优化方向的延伸：

技术背景： HD Radio 的 IBOC 信号采用 OFDM 调制，其峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)较高——信号的瞬时峰值功率远高于平均功率，这迫使放大器在大部分时间以远低于额定功率的状态工作(功率回退)，导致效率显著下降。

HD PowerBoost 的工作机制： 该算法通过实时分析 OFDM 信号的峰均比，动态优化信号波形的功率分配： - 在保持数字信号质量合规的前提下，对峰值进行受控削峰(Peak Clipping)或主动峰值抑制(Active PAPR Reduction) - 有效降低信号 PAPR，允许放大器以更接近额定功率的工作点运行 - 同时实现两个目标： 提高 HD Radio 数字信号的实际辐射功率(改善覆盖)，以及提升发射机在数字模式下的工作效率

对于已部署 HD Radio 的 AM 电台，这一算法可在不更换任何硬件的情况下，通过软件升级同时提升数字信号覆盖范围和降低运营电费，经济价值显著。

5.4 Gen4 HD Radio 空中链路一体化(Nautel 2023 重大产品更新)

2023 年 12 月，Nautel 推出新一代 AM IBOC 数字激励器，将 Xperi 第四代(Gen4)HD Radio 空中链路的完整组件直接内置于发射机机箱：

•集成的组件： Importer(音频导入)、Exporter(数字音频编码打包)、Exgine(IBOC 信号引擎)全部内置，无需外部机架设备

•内容容量提升： 全数字 IBOC 配置可承载标准 IBOC 内容量的三倍

•参考案例： 佛罗里达州坦帕市 WMGG电台成为全美首批采用 Nautel NX3HD 实现全数字 AM 播出的电台之一，标志着北美 AM 数字广播的一个重要里程碑

这一集成方案大幅降低了 AM 电台的 HD Radio 系统部署成本(设备采购、机房空间、系统集成调试)，有助于推动北美 AM 数字广播的普及。

5.5 GatesAir DSAM：自适应技术的系统化延伸

GatesAir Flexiva 3DX 系列的 DSAM(Digital Serial Adaptive Modulation，数字串行自适应调制)是一项专利技术，其功能已超越传统预校正的范畴，演进为一种面向整机可靠性的自适应控制系统。

DSAM 的工作机制：

1.持续监测： 实时采集每个 PA 模块的射频输出特征(幅度、相位、非线性系数)

2.个体建模： 为每个模块建立独立的非线性失真模型

3.协调补偿： 根据各模块的实时状态，动态调整各模块的驱动信号，使所有模块的合并输出满足线性度要求

4.自动修正： 当某模块因温度、老化或轻微故障出现性能偏差时，DSAM 自动调整工作点和预校正参数，实现”近自维护(virtually auto-servicing)”

DSAM 在以下场景中表现尤为出色：

•局部模块老化： PA 模块的非线性特性缓慢漂移时，DSAM 的持续自适应能将漂移影响在发射机寿命周期内保持在规格以内，大幅延长维护周期

•极端温度条件： 高温下 LDMOS 晶体管的增益和相位响应发生明显变化时，DSAM快速自适应补偿

•单模块局部故障： 模块发生轻微性能退化但尚未触发保护关断时，DSAM 识别异常并重新分配功率，同时生成维护告警

5.6 Thomson 数字自适应预校正(DAP)

Thomson Broadcast 在其全系列发射机(包括 DreamLine II 低功率和 S7HP Neo 大功率)中部署了自有的 DAP(Digital Adaptive Pre-correction，数字自适应预校正)技术，用于校正功率放大器链路的非线性，支持在接近饱和的高效率工作点运行的同时维持良好的谱纯度，对 DRM 数字广播尤为重要。

5.7 预校正技术综合对比