home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HamCall (October 1991) / HamCall (Whitehall Publishing)(1991).bin / bcast / miscbcst / scaxmtr.txt < prev    next >
Text File  |  1990-10-14  |  33KB  |  630 lines

  1.  
  2.      *********************************************************************
  3.      *  NOTE:  The following ASCII text file (without graphics)          *
  4.      *         is contained in a printed technical paper available       *
  5.      *         from Broadcast Electronics Inc.  Unfortunately, it        *
  6.      *         was not possible to reproduce the graphics portions       *
  7.      *         of this paper within this text file.  If you find the     *
  8.      *         information in this file of interest, you may request     *
  9.      *         a complimentary, printed, copy including figures and      *
  10.      *         graphics from: BROADCAST ELECTRONICS INC.                 *
  11.      *                        P.O. BOX 3606                              *
  12.      *                        4100 N. 24TH  STREET                       *
  13.      *                        QUINCY, IL. 62305-3606                     *
  14.      *                        ATTN: SALES DEPARTMENT                     *
  15.      *                        PH  217-224-9600                           *
  16.      *                        FAX 217-224-9607                           *
  17.      *                                                                   *
  18.      *         The contents of this technical paper are                  *
  19.      *         Copyrighted (c) 1983, by Broadcast Electronics Inc.       *
  20.      *         All rights reserved.                                      *
  21.      *********************************************************************
  22.  
  23.  
  24.  
  25.                       TRANSMITTER PERFORMANCE REQUIREMENTS
  26.  
  27.                                         
  28.                             FOR SUBCARRIER OPERATION
  29.  
  30.  
  31.                       John T.M. Lyles - Mukunda B. Shrestha
  32.  
  33.                            Broadcast Electronics, Inc.
  34.  
  35.                                 Quincy, Illinois
  36.  
  37.  
  38.  
  39.  
  40.  
  41. I.   INTRODUCTION.
  42.  
  43.      Stereophonic subcarrier operation has made FM broadcasting the profitable 
  44. radio medium of today.  SCA subcarriers, on the other hand, have not attained 
  45. the same level of acceptance, partly because of crosstalk with the main pro- 
  46. gramming channels, and partly because of the desire to maintain maximum modula-
  47. tion levels.  The key to optimal subcarrier performance requires examination of 
  48. the entire transmitting system and subsequent correction of the bandwidth and 
  49. distortion limitations of all stages through the chain.  This approach was used 
  50. during the development of a new line of FM transmitters.  Specific design im-
  51. provements in FM exciter linearity, stereo and SCA generator spectral purity, 
  52. and amplifier bandwidth and stability have allowed new levels of performance 
  53. with simplified field adjustments.
  54.  
  55.      Subcarriers commonly use either AM-on-FM modulation (as in stereo) or FM-
  56. on-FM modulation (as in traditional SCAs).  Both processes are complicated by 
  57. the principle that frequency modulation requires transmission of an infinite 
  58. number of sidebands for perfect demodulation of information.  In practice, how- 
  59. ever, the information on FM can be carried in a broadcast channel with accep- 
  60. tably low distortion.  There are two different frequency bands involved:
  61.  
  62.     (1) The  composite baseband, which contains the modulating audio plus one or
  63. more amplitude or frequency modulated subcarriers, and (2) the FM carrier
  64. frequency band  of the transmitter.  
  65.  
  66.     Waveform linearity, amplitude bandwidth, and phase linearity must be main-
  67. tained at acceptable limits in the baseband chain from the audio inputs through 
  68. subcarrier generators to the FM exciter modulated oscillator.  From here, the FM
  69. carrier is usually amplified in a series of class C nonlinear power amplifiers,
  70. where most amplitude variation is removed.  However, the amplitude and phase 
  71. responses of all the networks which follow must also be controlled to minimize 
  72. degradation of the subcarriers.   
  73.  
  74.     Figure 1b shows the effects of a narrowband RF bandpass filter on the RF
  75. spectrum of a composite signal consisting of a stereophonic subcarrier modulated
  76. only on the left channel with 4.5 kHz and with a 67 kHz unmodulated SCA sub-
  77. carrier.  The only distortion evident on the spectrogram is the loss of some 
  78. sidebands greater than 150 kHz from the center frequency and amplitude differ-
  79. ences between the lower and upper sideband pairs.  Figure 1d shows the corre- 
  80. sponding effects observed on the demodulated baseband spectrum for the same 
  81. signal.  Note the creation of many undesired intermodulation terms which could 
  82. cause crosstalk into both the stereophonic and SCA subcarrier bands.
  83.  
  84.  
  85.  
  86.  
  87.               FIGURE 1a.                             FIGURE 1b.
  88. WIDEBAND RF SPECTRUM TO DEMODULATOR      BANDWIDTH LIMITED RF SPECTRUM TO 
  89.                                                      DEMODULATOR
  90.  
  91.  
  92.  
  93.               FIGURE 1c.                             FIGURE 1d.
  94. DEMODULATED BASEBAND SPECTRUM FOR        DEMODULATED BASEBAND SPECTRUM FOR 
  95.       WIDEBAND RF SPECTRUM               BANDWIDTH LIMITED RF SPECTRUM 
  96.                                          SHOWING DISTORTION PRODUCTS
  97.  
  98.  
  99.  
  100.  
  101.   II.  ELEMENTS OF FM BROADCASTING SYSTEM WHICH AFFECT SUBCARRIERS.
  102.  
  103.      The following components affect subcarrier performance through the system:
  104.  
  105.      1.  SCA generator
  106.      2.  Stereo generator
  107.      3.  FM exciter 
  108.      4.  Composite STL, when used
  109.      5.  All transmitter RF amplifiers
  110.      6.  Antenna system, including diplexers and combiners
  111.      7.  Multipath and other propagation phenomena
  112.      8.  Receiver antenna, IF passband, and demodulators
  113.  
  114.     This paper will concentrate on components which are part of the transmit- 
  115. ting equipment.  Information pertaining to receivers, multipath, antennas, and 
  116. combiner effects can be found in other articles and reports listed at the end of
  117. this paper.
  118.  
  119.  
  120.      2.1  SCA Generator.
  121.  
  122.     The SCA generator frequency modulates a subcarrier with band-limited audio 
  123. information or data.  Audio frequency shift keying and direct FSK for data chan-
  124. nels can be used with some new generators.  Multiple narrowband or a single 
  125. wideband SCA can be used in the baseband.  The audio frequency response of the 
  126. standard narrowband SCA must be tailored to prevent the FM sidebands of the SCA 
  127. from overlapping the stereophonic sidebands by greater than -60 dB.  With a 67 
  128. kHz SCA, to minimize crosstalk from the SCA into the stereophonic subchannel, 
  129. the audio should be bandlimited to 4.3 kHz and the peak deviation of the sub- 
  130. carrier limited to 6 kHz or less.  Various Bessel function tabulations have been
  131. prepared for use with 67 kHz FM SCAs, and can be found in the NAB handbook. 
  132. Any  system utilizing new center frequencies, multiple subcarriers, or different
  133. modulation forms will require careful spectral analysis of the baseband to
  134. assure  minimum interference and maximum compatibility with stereo.
  135.  
  136.     The SCA generator should produce a subcarrier sinewave with low harmonic 
  137. distortion, requiring minimal bandpass filtering as bandpass filtering of FM can
  138. generate additional unwanted intermodulation products in the demodulated SCA 
  139. information.  The audio input should be preconditioned by a filter, as mentioned
  140. above.
  141.  
  142.     A modern high-performance SCA generator, shown simplified in Figure 2, uses 
  143. a linear VCO IC.  It produces a sinewave at any frequency from 39 to 95 kHz with
  144. less than 0.5 percent distortion.  A 100 kHz low-pass filter is used on the
  145. output.  The audio input is conditioned with a 6th order low-pass filter which
  146. is 3  dB down at 4.3 kHz.  This filter may be bypassed for wider bandwidth SCAs
  147. or  different preemphasis.  A dc coupled data input is included for direct
  148. frequency  shift keying.  Note that the subcarrier output is faded on and off at
  149. a controlled decay rate rather than switched to prevent squelch noise with the
  150. SCA receiver.
  151.  
  152.  
  153.  
  154.            FIGURE 2.  SIMPLIFIED BLOCK DIAGRAM OF FC-30 SCA GENERATOR
  155.  
  156.  
  157.      2.2  Stereo Generator.
  158.  
  159.      The stereo generator must have good 38 kHz subcarrier suppression with mod-
  160. ulation applied.  Excessive 38 kHz leakage may cause additional 76 kHz regenera-
  161. tion in the system.  The stereo generator must also have good 76 kHz (second 
  162. harmonic) suppression.  The second harmonic modulation sidebands should be at- 
  163. tenuated as well, because they add crosstalk into the SCA subchannel.  For an 
  164. SCA signal to noise ratio of -60 dB the stereophonic harmonics should be sup- 
  165. pressed by -70 dB.  This number allows for some degradation through the entire 
  166. system.  Manufacturers of stereo generators have traditionally chosen either 
  167. linear or switching modulators. 
  168.  
  169.     The linear modulators may use balanced analog circuits with adjustable 38
  170. and 76  kHz null controls.  These adjustments should be maintained if excessive
  171. 76 kHz  becomes evident using spectrum analysis of the baseband.  The switching
  172. modulator is popular because of less critically toleranced components and good
  173. longterm stability.  However, the modulator waveform usually requires filtering
  174. with  a steep cutoff 53 kHz low-pass filter.  This filter is not a trivial
  175. design, because passband amplitude ripple and phase non-linearities cause
  176. degraded high  frequency separation by adversely affecting the upper sideband of
  177. the L-R subcarrier.
  178.  
  179.     The stereo generator shown in Figure 3 uses a digital stairstep generator 
  180. to synthesize the subcarrier and pilot simultaneously, eliminating any pilot 
  181. phase variation.  Appropriate components are added in the synthesis to approx- 
  182. imate a sinewave with lower harmonic content.  The composite low-pass filter 
  183. then has a gradual rolloff, with the -3 dB point beyond 100 kHz.  Separation is 
  184. better than 50 dB at 15 kHz.  In this design, subcarrier suppression is spec- 
  185. ified at -75 dB and the 76 kHz sidebands are -80 dB below 100% modulation.  At 
  186. 57 and 95 kHz, the third and fifth pilot harmonics, suppression is -80 dB or 
  187. more.
  188.  
  189.     Audio input low-pass filters are necessary in all stereo generators.  These 
  190. "brickwall" filters protect the pilot and subcarrier by greatly attenuating 
  191. audio components above 15 kHz.  Some designs have filters which ring or
  192. overshoot on transient program waveforms due to poor passband group delay.  This
  193. overshoot can be measured as overmodulation.  Without audio low-pass filtering, 
  194. increased spectrum occupation and spill over into the SCA band occurs.  If the 
  195. pilot level is observed fluctuating during modulation, defective filtering may 
  196. be suspected.  The FS-30 generator uses carefully aligned 5-pole active low-pass
  197. filters with controlled delay equalization to keep overshoot below 2 dB, while 
  198. providing adequate protection to the pilot, stereophonic subcarrier, and SCA 
  199. subcarrier. 
  200.  
  201.  
  202.  
  203.  
  204.           FIGURE 3.  SIMPLIFIED BLOCK DIAGRAM OF FS-30 STEREO GENERATOR
  205.  
  206.  
  207.  
  208.      2.3  FM Exciter.
  209.  
  210.     The exciter characteristics are foremost in importance for good subcarrier 
  211. performance.  The frequency modulated oscillator in most current units consists 
  212. of a varicap diode VCO.  The voltage-to-capacitance transfer function of these 
  213. devices is not linear over the wide range used, so linearization may be neces-
  214. sary.  Non-linearities in the FM oscillator can, by altering the waveform of the
  215. baseband signal, create distortion in the demodulated output at the receiver. 
  216. A secondary effect of this distortion may include stereo crosstalk into SCA. 
  217. Modulator linearization using a piecewise approximation pre-distortion network
  218. has  reduced harmonic and intermodulation distortion to less than 0.05% in the
  219. FX-30  exciter (Figure 4).  All exciter stages after the oscillator operate as
  220. broadband amplifiers with minimal bandwidth limitations.
  221.   
  222.  
  223.  
  224.  
  225.          FIGURE 4.  SIMPLIFIED BLOCK DIAGRAM OF LINEARIZED FM MODULATOR
  226.  
  227.  
  228.  
  229.      2.4  Composite STL.
  230.  
  231.     The composite STL is really a transmission subsystem within a system.  STL 
  232. transmitter requirements are identical to those of the FM exciter and power am- 
  233. plifiers detailed in this paper.  For minimum degradation of the composite sig- 
  234. nal it is recommended that all SCA channel information be fed into the exciter 
  235. at the transmitter.  Telephone company landlines or another narrowband link can 
  236. usually handle the program bandwidths of SCAs.  This reduces the technical bur- 
  237. den of maintaining very low intermodulation performance through the entire STL 
  238. modulation/demodulation process.  However, the STL should have a flat bandwidth 
  239. through 53 kHz for minimum stereophonic subcarrier degradation.  For stereo-
  240. phonic separation of 50 dB, it is necessary to maintain a composite amplitude 
  241. flatness of  0.04 dB and phase linearity within  0.2 degrees through 53 kHz in 
  242. the baseband.  Many exciters and STLs cannot meet this requirement.  The stereo 
  243. generator should be engineered to compensate for this deficiency through the use
  244. of a built-in composite equalizer with low and high frequency adjustments.  The
  245. range of amplitude correction of the FS-30 stereo generator is shown in Figures
  246. 5a and 5b.  These figures show the maximum boost and cut with the low (Figure 
  247. 5a) and high (Figure 5b) frequency controls at both ends of their ranges.
  248.  
  249.  
  250.  
  251.  
  252.                FIGURE 5a.                              FIGURE 5b.
  253.     RANGE OF FS-30 LOW FREQUENCY EQ         RANGE OF FS-30 HIGH FREQUENCY EQ
  254.        2.5  RF Power Amplifiers.
  255.  
  256.  
  257.  
  258.     The remainder of the FM transmitter consists of a chain of power amplifi- 
  259. ers, each having from 6 to 20 dB of power gain.  Ideally, the transmitter should
  260. have as wide a bandwidth as practical with a minimum of tuned stages. 
  261. Broadband solid-state amplifiers are preferred to eliminate tuned networks in
  262. the RF path.   A new generation of class C bipolar and MOSFET broadband
  263. amplifier stages exhibit both high efficiency and greater than 20 percent
  264. bandwidth to cover the FM broadcast band.  These solid-state amplifiers may be
  265. combined for higher power.   Tuned output band-pass filters may still be
  266. necessary when operated in a dense  RF environment to prevent intermodulation
  267. from being generated in the PA  modules. 
  268.  
  269.     Higher powered transmitters in the multi-kilowatt range may use a single 
  270. tube PA stage with high efficiency.  The dollars/watt economics of single-tube
  271. transmitters outweigh the bandwidth benefits of solid-state transmitters at the 
  272. higher power levels with present technology.  Design improvements in tube-type 
  273. power amplifiers have concentrated on improving bandwidth, reliability, and cost
  274. effectiveness.
  275.  
  276. III.  POWER AMPLIFIER CIRCUIT DESIGN.
  277.  
  278.      3.1  Bandwidth Considerations.  
  279.  
  280.      As mentioned earlier, the FM signal theoretically occupies infinite band-
  281. width.  In practice, however, truncation of the insignificant sidebands (typi- 
  282. cally less than 1 percent of the carrier) makes the system practical by accep- 
  283. ting a certain degree of signal degradation.  The input and output tuned cir- 
  284. cuits of the PA limit the bandwidth of the FM signal.  The degree of bandwidth
  285. reduction is a design constraint which affects the gain and efficiency in all 
  286. tuned PA stages.
  287.  
  288.      The bandwidth of an amplifier is determined by the load resistance across 
  289. the tuned circuit and the output or input capacitance of the amplifier.  For a 
  290. single-tuned circuit, the bandwidth is proportional to the ratio of capacitive 
  291. reactance to resistance:
  292.  
  293.                          BW = _____1____ =_Xc_           (eq. 1)
  294.                               2 PI f R C   R
  295.  
  296.      where  BW =  bandwidth between half-power points
  297.              f =  operating frequency
  298.              R =  load resistance (appearing across tuned circuit)
  299.              C =  total capacitance of tuned circuit (includes stray capac- 
  300.                     itances and output or input capacitances of the tube) 
  301.             Xc =  capacitive reactance
  302.  
  303.     The load resistance is directly related to the RF voltage swing on the tube 
  304. element.  For the same power and efficiency, the bandwidth can be increased if 
  305. the capacitance is reduced.
  306.  
  307.        3.2  Grounded-Grid Versus Grid-Driven Operation.
  308.  
  309.     Since the input capacitance of tube amplifiers in a grounded-grid config-
  310. uration is smaller than that of a grid-driven configuration by as much as 50 
  311. percent, an investigation was carried out in 1982 to determine the advantages of
  312. using a grounded-grid circuit for a tetrode tube amplifier.  Input capacitances
  313. of typical tubes are shown in Table 1.
  314.  
  315.                                      TABLE 1
  316.  
  317.                         TUBE TYPE               Cin (pF)        
  318.                                           Grounded    Grounded    
  319.                                             Grid       Cathode      
  320.                         4CX3000A            67           140       
  321.                         4CX3500A            58.5         111        
  322.                         4CX5000A            53           115        
  323.                         8990/4CX20,000A     83           190         
  324.  
  325.  
  326.     Prototype input circuits were developed for grounded-grid and grid-driven
  327. operation of a 5 kilowatt PA using the Eimac 4CX3500A tetrode.  A series of  
  328. measurements were made to evaluate the performance of grounded-grid versus 
  329. grid-driven operation of the tetrode PA with respect to gain, efficiency, ampli-
  330. tude bandwidth, phase bandwidth, and synchronous AM under equivalent operating 
  331. conditions.  Measurements were made at normal and reduced plate voltage for both
  332. saturated and unsaturated PA operation.  Saturation is noted when little change
  333. in output power occurs with increasing drive power.  Maximum efficiency occurs 
  334. at this point.  The PA gain and efficiencies are tabulated in Table 2.  Swept 
  335. amplitude and phase responses of the different PA configurations are shown in 
  336. Figures 6a thru 6d.
  337.  
  338.      The significant findings of the tests and measurements are as follows:
  339.  
  340.      1.  When driving the PA into saturation, the bandwidth of the PA is limited
  341.          by the output cavity bandwidth in the grounded-grid amplifier.  The PA
  342.          bandwidth in the grid-driven amplifier is limited by the input circuit 
  343.          Q, which is basically determined by the extent of swamping resistance
  344.          used.  PA bandwidth under saturation can be improved in either config- 
  345.          uration by reducing the plate voltage as evident from equation (1). 
  346.          This involves a trade-off in efficiency with a smaller voltage 
  347.          swing.  For example, in the grid-driven saturated configuration a 25 
  348.          percent bandwidth improvement was observed with 1.4 dB loss of PA gain 
  349.          and 2.3 percent efficiency loss with reduced plate voltage.  
  350.  
  351.      2.  When the PA is not driven into saturation, the grounded-grid amplifier 
  352.          does not appear to give any bandwidth improvement over the grid-driven 
  353.          amplifier at the 0.25 dB points (see Figures 6c and 6d).  At the 3 dB 
  354.          points however, there is a slight (  15%) improvement in bandwidth
  355.          when using the grounded-grid unsaturated PA. 
  356.  
  357.                                        TABLE 2
  358.  
  359. MEASUREMENTS FROM 5KW PA IN GRID-DRIVEN(GD) AND GROUNDED-GRID(GG) CONFIGURATION
  360.  
  361. CONFIGURATION          GD     GG     GD     GG        GD     GG     GD     GG
  362.  
  363. PA CONDITION             ---- SATURATED ----            ---- UNSATURATED ----
  364. RF POWER OUTPUT (W)   4900   5000   4800   4900       3225   3350   3325   3200
  365. PLATE VOLTAGE (V)     5220   5200   4500   4480       5320   5315   4550   4600
  366. PLATE CURRENT (A)     1.27   1.26   1.49   1.4        0.81   0.9    1.08   1.0
  367. DRIVE POWER (W)       140    280    190    340        70     170    70     175
  368. EFFICIENCY (%)        73.9   72     71.6   72.7       74.8   66.5   67.7   65.8
  369. GAIN (dB)             15.4   12.5   14.0   11.6       16.6   13.0   16.8   12.6
  370. SYNCHRONOUS AM (dB)   -54    -56    -56    -58        -46    -48    -51    -52
  371.  
  372.  
  373.  
  374.  
  375.         FIGURE 6.  MEASURED AMPLITUDE AND PHASE RESPONSES OF GRID-DRIVEN 
  376.                    AND GROUNDED-GRID TETRODE POWER AMPLIFIERS 
  377.  
  378.  
  379.  
  380.        3.  A grounded-grid saturated PA improves bandwidth over a grid-driven 
  381.          saturated PA at the expense of amplifier gain.  A 15 percent improve-
  382.          ment in the PA bandwidth was observed while losing 3 dB of the am-
  383.          plifier gain.  For a grid-driven amplifier, a 25 percent reduction of 
  384.          input circuit resistive swamping results in the same 15 percent band-
  385.          width improvement at the expense of only 0.5 dB in gain.
  386.  
  387.      4.  The phase linearity in the 0.5 dB bandwidth appears to be better using
  388.          the grid-driven PA.  The grounded-grid PA exhibits a more nonlinear 
  389.          phase slope within the passband, yet has a wider amplitude bandwidth.  
  390.          This phenomenon is due to interaction of the input and output circuits
  391.          because they are effectively connected in series in the grounded-grid 
  392.          configuration.  The neutralized grid-driven PA provides more isolation 
  393.          of these networks, so they should behave like independent filters.
  394.  
  395.     In view of the findings listed above (in particular item No. 3), the use of 
  396. a tetrode in a grounded-grid configuration did not appear to be economically 
  397. feasible.  An additional intermediate power amplifier would have been required 
  398. to fulfill the higher drive power requirements, thereby affecting the overall 
  399. cost and reliability of the transmitter.  The decision was made to use a grid- 
  400. driven PA for our FM-3.5A and FM-5A transmitters.  Bandwidth limitations of the 
  401. grid-driven PA were overcome by swamping the input circuit and by developing a 
  402. novel impedance-matching device to achieve optimum transfer of power from the 
  403. driver stage into the PA.  The loss of PA gain due to swamping was limited to 
  404. 0.5 dB, while achieving bandwidth nearly equivalent to a grounded-grid ampli- 
  405. fier, yet providing a more linear phase response.
  406.  
  407.  
  408.      3.3  Broadband Impedance-Matching.
  409.  
  410.     A broadband impedance matching circuit was developed to match the high grid 
  411. input impedance of a tetrode RF power amplifier to the 50 Ohm impedance of a 
  412. solid-state driver.  The conventional matching circuits used in transmitter 
  413. applications are generally of the type known as L, PI, or T networks.  All of 
  414. these circuits require interactive adjustment of one or more circuit elements to
  415. provide a satisfactory impedance match for each frequency and RF power level.
  416.  
  417.      The new impedance-matching circuit developed for the FM-3.5A and FM-5A 
  418. transmitters consists of a combination of series inductor (L) and shunt capac- 
  419. itor (C) circuit elements, implemented as a printed circuit with inductors and 
  420. capacitors etched into a copper-clad laminate.  Multiple LC sections match the 
  421. 50 Ohm source impedance to the high input impedance of the grid-driven RF power 
  422. amplifier.  The impedance-matching device is shown in Figures 7 and 8.
  423.  
  424.     This impedance-matching circuit improves transmitter operation and main- 
  425. tainability, compared to previous methods.  A single tuning control in the input
  426. circuit is sufficient to tune and match the 50 Ohm driver impedance to the high
  427. input impedance of the grid over the 88-108 MHz FM broadcast band with a 4:1 
  428. range of RF power levels.  The input-matching circuit eliminates separately 
  429. mounted components which can be microphonic (sensitive to vibration) due to 
  430. mechanical instability. By incorporating this new impedance matching device, we
  431. have been able to improve the bandwidth, reliability and stability of the trans-
  432. mitter.
  433.  
  434.     The typical performance figures of the FM-3.5A and FM-5A transmitters with 
  435. regard to PA bandwidth, efficiency, gain, and synchronous AM (measured for 3500W
  436. and 5000W power outputs, respectively) are presented in Table 3.
  437.  
  438.  
  439.  
  440.         FIGURE 8.  PHOTO OF INPUT MATCHING DEVICE.  TUBE SOCKET GRID RING
  441.                CONNECTION AT RIGHT OF CENTER, 50 OHM INPUT AT LEFT
  442.  
  443.  
  444.                                      TABLE 3
  445.  
  446.                      TYPICAL PERFORMANCE OF TRANSMITTER PAs
  447.  
  448.      BE Model     3dB Bandwidth     Efficiency     Gain       Synchronous AM
  449.      FM-3.5A         1.2 MHz           75%         14.5 dB        -47 dB
  450.      FM-5A           1.3 MHz           75%         15.0 dB        -51 dB
  451.  
  452.  
  453.      3.4  Power Amplifier Cavity.
  454.  
  455.      The vacuum-tube power amplifier is constructed in an enclosure containing 
  456. distributed tank circuit elements for minimum loss.  The efficiency of the PA 
  457. depends on the RF plate voltage swing, the plate current conduction angle, and 
  458. the cavity efficiency.  The cavity efficiency is related to the ratio of loaded 
  459. and unloaded Q as follows:
  460.  
  461.                            N = 1 - _Q_  x100            (eq. 2)
  462.                                     Qu
  463.  
  464.      where  N  = efficiency in percent
  465.             Q  = loaded Q of cavity
  466.             Qu = unloaded Q of cavity
  467.  
  468.      Loaded Q depends on the plate load impedance and output circuit capaci- 
  469. tance.  Unloaded Q depends on the cavity volume and the RF resistivity of the 
  470. conductors due to skin effects.  A high unloaded Q is desirable, as is a low 
  471. loaded Q, for best efficiency.  As the Q goes up, the bandwidth decreases.  For 
  472. a given tube output capacitance and power level, loaded Q decreases with plate 
  473. voltage or with increasing plate current.  This explains the improved bandwidth 
  474. for the reduced high voltage measurements in Table 2 and Figures 6b and 6d.
  475.  
  476.     Other methods popular in improving the bandwidth of PA output circuits in- 
  477. clude minimizing added capacitance, as manufacturers of quarter-wave cavities 
  478. have attempted.  The ideal case would be to resonate the plate capacitance alone
  479. with a "perfect" inductor, but practical quarter-wave cavities require either 
  480. the addition of a variable capacitor or a variable inductor using sliding con- 
  481. tacts for tuning.  An inherent mechanical and electrical compromise in these 
  482. designs has always been the requirement for a plate blocking capacitor and the 
  483. presence of maximum RF current at the grounded end of the line where the con- 
  484. ductor may be nonhomogeneous.  A new approach to VHF power amplification uses a 
  485. folded half-wave cavity design.  This is shown compared to conventional designs 
  486. in Figure 9.  The half-wave line is tuned without the use of variable capacitors
  487. or sliding contacts.  The blocking capacitor is unnecessary and the high
  488. current  point is located in the central area of the tank line where no joints,
  489. fasteners, or obstructions occur.  This design is inherently more
  490. reliable, and due to the folded nature, requires only slightly more physical
  491. height than the quarter-wave design.
  492.  
  493.  
  494.  
  495.  
  496.  
  497.                       FIGURE 9.  COMPARISON OF PA CAVITIES
  498.   
  499.  
  500.  
  501.     The bandwidth of the PA cavity is optimized by a choice of the highest 
  502. characteristic impedance mechanically allowable.  The center conductor is sized 
  503. for minimum impedance discontinuity and is directly clamped to the outer surface
  504. of the anode fins for best heat transfer.  The secondary tuning line (with ad- 
  505. justable bellows) is sized to maintain a similar characteristic impedance with- 
  506. out appreciable end-loading distributed capacitance.  An inductive loop couples 
  507. the strong fundamental magnetic field near the center of the cavity.  The loaded
  508. Q of the cavity varies as the square of the effective loop area and inversely
  509. as  the square of the distance of the loop center from the cavity center axis. 
  510. This  loop is positioned so that it links more or less magnetic field and
  511. determines  the output loading of the transmitter.  This unique approach yielded
  512. the bandwidths in Table 3 which provide excellent subcarrier operation.
  513.  
  514.  
  515.      3.5  PA Adjustments For Subcarrier Optimization.
  516.  
  517.     The power amplifiers which have been discussed operate with improved reli-
  518. ability and power efficiency without compromising subcarrier performance.  By 
  519. providing a broadband input matching circuit with a single control, adjustment 
  520. of these transmitters for optimal subcarrier performance (minimum crosstalk, 
  521. maximum separation, etc.) is very repeatable.  A typical adjustment procedure 
  522. involves tuning the transmitter for minimum audio output from an envelope de-
  523. tector while FM modulating the transmitter to 100% with a single 400 Hz tone.  
  524. When the minimum is reached, the audio output from the envelope detector will 
  525. double in frequency to 800 Hz.  This indicates correct tuning at the center of 
  526. the passband.  Tuning for best synchronous AM should simultaneously result in 
  527. high efficiency.  This also coincides with minimum stereo-to-SCA crosstalk.  The
  528. rigid mechanical construction of both the input matching circuit and the folded
  529. half-wave cavity contributes to the overall electrical stability of the tuned 
  530. circuits, a benefit for long-term SCA operation where constant "tweaking" is 
  531. undesirable.
  532.  
  533.  
  534. IV.  CONCLUSION.
  535.  
  536.     The development of new FM transmitting equipment requires attention to de-
  537. sign details in bandwidth and linearity of all sub-systems, including the stereo
  538. and SCA generators, the FM exciter, and all RF amplifier stages.  New
  539. techniques  have been developed which reduce the number of controls throughout
  540. the transmitting system, minimizing field adjustment.  The key design criterion
  541. for new  transmitters is to optimize SCA and stereophonic subcarrier performance
  542. while retaining high reliability. 
  543.  
  544.  
  545.      ACKNOWLEDGEMENTS.
  546.  
  547.      The authors are grateful to Mr. Geoff Mendenhall for his assistance in 
  548. editing this paper.  The authors also wish to thank Charlotte Steffen for pre-
  549. paring this manuscript and Mike Hayden along with Jeff Houghton for providing 
  550. illustrations.
  551.  
  552.   
  553.     For Further Information On The Technical Aspects Of Stereo/SCA Operation.
  554.  
  555.     Bott,H., "Analysis of Certain System Characteristics of Stereo and SCA 
  556. Operation", IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. BC-13, January 1967.
  557.  
  558.     Bartlett,G., ed., NAB Engineering Handbook, National Association of 
  559. Broadcasters, 1975. 
  560.  
  561.     Clark,G., "Let's Minimize Those FM Transmitter Problems", Broadcast Engi-
  562. neering, February, 1974.
  563.  
  564.     Clark,K., and Hess,D., Communication Circuits: Analysis and Design, 
  565. Addison-Wesley Publishing Company, Second Edition, 1978.
  566.  
  567.     Denny,R.,Jr. "Report on SCA Operation", Proceedings of 37th NAB Engineering 
  568. Conference, 1983.
  569.  
  570.     Federal Communications Commission Rules and Regulations, Vol. III, Part 73, 
  571. Government Printing Office, October, 1982.
  572.  
  573.     Gray,L., and Graham,R., Radio Transmitters, McGraw-Hill Book Company, 1961.
  574.  
  575.     Federal Communications Commission, "FM Subcarriers", Docket 82-536.
  576.  
  577.     Hedlund,L., "Stereo and SCA Are Totally Compatible In FM Broadcasting", 
  578. Communications News, April, 1974.
  579.  
  580.     Hidle,J., Priester,H., and Resnick,A., "Modulation Levels During SCA Trans-
  581. mission", Broadcast Engineering, February, 1984.
  582.  
  583.     Kean,J., "The Effect of Additional SCA Subcarriers on FM Stereo Performance 
  584. and RF Protection Ratios", Proceedings of 37th NAB Engineering Conference, 1983.
  585.  
  586.     Kean,J., "What is SCA Interference and "Birdies"?", SCA Techtalk from NRBA 
  587. bulletin.
  588.  
  589.     Klein,H., "Issues Concerning Modulation Levels During FM SCA Operation", 
  590. Proceedings of 37th NAB Engineering Conference, 1983.
  591.  
  592.     Lanier,R., "FM SCA: An Engineering Perspective", Broadcast Management/
  593. Engineering, September, 1983.
  594.  
  595.     Mendenhall,G., "The Composite Signal-Key To Quality FM Broadcasting", 
  596. Broadcast Electronics, Inc.
  597.  
  598.     Mendenhall,G., "SCA Basics", Telocator, September/October, 1983.
  599.  
  600.     Middlekamp,L., "Stereophonic Separation in Transmission", IEEE Transactions 
  601. on Broadcasting, Vol. BC-14, September, 1968.
  602.  
  603.     Motorola, Inc., "Subsidiary Communications Authorizations, and Their 
  604. Application To Radio Paging", Motorola, Inc., Communication Sector Paging 
  605. Division, September, 1983.
  606.  
  607.     National Association of Broadcasters, Westinghouse Broadcasting and Cable, 
  608. Inc. and National Public Radio, "Increased FM Deviation, Additional Subcarriers 
  609. and FM Broadcasting: A Technical Report", Comments on BC Docket No. 82-536, 
  610. August 30, 1983.
  611.  
  612.     Onnigan,P., "Transmitting Antenna VSWR Effects on FM Stereo", Jampro 
  613. Antenna Company.
  614.  
  615.     Schober,E., "FM Multipath and Distortion Reduction Through RF Amplifier 
  616. Optimization", Broadcast Engineering, May, 1983.
  617.  
  618.     Schrock,C., "FM Broadcast Measurements Using the Spectrum Analyzer", 
  619. Tektronix Application Note 26AX-3582-3.
  620.  
  621.     Waldee,S., "SCA and Stereo FM", Audio, January, 1979.
  622.  
  623.     Weirather,R., and Hershberger,D., "Amplitude Bandwidth, Phase Bandwidth 
  624. Incidental AM, and Saturation Characteristics of Power Tube Cavity Amplifiers 
  625. for FM", IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. BC-29, March, 1983.
  626.  
  627.     Weirather,R., and Smith,S., "Design Criteria for Multi-station Combining 
  628. Systems", Proceedings of 37th NAB Engineering Conference, 1983.
  629.  
  630.