中波雙頻共塔天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與驗證

文丨吳麗英

（廈門廣播電視集團，福建廈門 361004）

隨著中波廣播發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字固態(tài)機的運用已是趨勢。數(shù)字發(fā)射機的輸出功率是由許多MOSFET場效應(yīng)管組合而成的功率模塊合成的，單個功放模塊的安全電壓較低，一旦在天線感應(yīng)到強的雷電沖擊、其他頻率的功率高頻倒送或載波及其邊帶能量存在較大反射時，容易造成各模塊中的場效應(yīng)管發(fā)生過流、過壓而導(dǎo)致管子燒壞。為此數(shù)字固態(tài)機的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計必須考慮防雷、防高頻倒送、阻抗匹配和防邊帶反射等四個功能的需要，不僅要滿足天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的天線阻抗匹配和頻帶寬度，還要防止鄰頻干擾的影響。

防雷的作用主要是抑制或泄放感應(yīng)雷能量；防高頻倒送是為抑制由于其它大功率發(fā)射天線，在本機天線上感應(yīng)出較大的高頻電壓，而形成的高頻倒送能量流；阻抗匹配就是要把天線阻抗變換為傳輸電纜的特性阻抗，以消除反射波，保證其駐波比不超過1.2；而防邊帶反射則是要保證整個網(wǎng)絡(luò)具有足夠的帶寬，不至于造成大的邊帶反射。圖1為中波單頻天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的普遍形式。而多頻共塔天調(diào)網(wǎng)絡(luò)除共用一個防雷部分和天線阻抗預(yù)調(diào)部分，還要考慮對其它共塔頻率的阻塞，即將各阻塞電路并聯(lián)接入。采用雙頻共塔的兩個工作頻率要有足夠的間隔，通常要求t=f1/f2>1.25。

1 天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求

1.1 天線及天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的防雷措施

由于天線極易引雷，如果天線沒有得到良好的防護，雷電將從發(fā)射天線直接進入調(diào)配室，甚至破壞發(fā)射機，因此通常在防護上采取多重的防雷措施。鋪設(shè)天線地網(wǎng)不僅為射頻信號提供回路，同時也為雷電提供流暢的入地點。當天線遭受雷擊，塔基放電球（放電球的最小間隙為1cm，如果塔底高頻工作電壓峰值超過1萬伏，原則上按1 kV/mm調(diào)整間隙）放電時，天線阻抗被短路，發(fā)射機的功放電路中會產(chǎn)生過大的瞬時電壓、電流，容易燒壞功放模塊。為確保廣播設(shè)施的安全，天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中還要有三種防雷措施。

圖1

1.2 安裝石墨放電球裝置

除天線基部安裝放電球外，在天調(diào)室又接入一對石墨放電球裝置（如圖一所示ZZ），其間隙可根據(jù)實際工作電壓大小來調(diào)節(jié)，按1 kV/mm設(shè)置。一般在放電球接地線（用銅管）上，穿套約30只磁環(huán)，發(fā)射機正常工作時，不起任何作用，但當天線受雷擊，在發(fā)射機保護動作發(fā)生前，可以提高發(fā)射機的短路阻抗，從而保護了發(fā)射機。

1.3 引入微亨級的電感線圈L0

天線串接一只微亨級的電感線圈L0接地（如圖所示），該電感的引入，使雷電脈沖前沿更陡更快地通過放電球入地，有利于將雷電能量短路入地，而微亨級電感L0的接入，也降低了天線體本身的對地阻抗，有利于提高抗干擾（高頻倒送）能力。L0的取值可以從設(shè)定流過L0的載波電流入手進行計算，一般選取20～40A。如果天線阻抗Z=R+jX，發(fā)射功率P，則載波狀態(tài)下塔底電壓（也就是L0兩端電壓）有效值為，與L0取值無關(guān)，只要設(shè)定了L0的電流，就可以得出L0的感抗從而求出電感量。

1.4 串接隔直流電容C0

考慮到天線受雷擊時，還有一部分能量經(jīng)饋線去發(fā)射機，為此，又加一道“防護墻”。當遇到雷擊強度很強的時候，雖有石墨放電球的瀉放限幅保護，但殘余的雷電脈沖依然可能較高，C0起進一步抑制直流和低頻成分的作用。C0的容量一般選擇在1000～3000pF，在中波頻率上不至產(chǎn)生過大的壓降，但它的伏安量要選擇大一些，籍以抵擋雷擊能量的侵入。

2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

匹配網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)上是把本來不匹配的阻抗，用阻抗變換電路變換到要求的阻抗值?？赏ㄟ^L、C或L和C的組合，構(gòu)成Γ型、倒Γ型、T型和π型等多種的方法和途徑來實現(xiàn)阻抗匹配。而Γ網(wǎng)絡(luò)和倒Γ網(wǎng)絡(luò)是基本形式。如圖2。

圖2

Γ網(wǎng)絡(luò)和倒Γ網(wǎng)絡(luò)滿足串-并聯(lián)互化的原理，如圖3是其互化的示意圖和變換關(guān)系。

圖3

串并聯(lián)互化用于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計計算時，一般由天線阻抗側(cè)向饋管方向推進，把串臂和并臂并入天線側(cè)等效阻抗來計算。

2.1 預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)

如圖4在天線底部加有串聯(lián)元件和并聯(lián)元件，合稱為預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，其實質(zhì)是一個Г形網(wǎng)絡(luò)，之所以要加預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，原因是一塔兩頻時，兩頻的頻率間隔要求較遠（共塔的兩個頻率的理想比值1.2～1.5）。實際測得天線A點1557KHz的天線阻抗為342+j665，603KHz的天線阻抗為28-j145.3，相差甚大，如沒有經(jīng)過預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)直接接入，將使其中一路的阻塞網(wǎng)絡(luò)的視在功率很大，造成匹配網(wǎng)絡(luò)的視在功率也很大，這樣即加大了損耗，又增加了不穩(wěn)定因素。

2.2 阻塞網(wǎng)絡(luò)

中波廣播的信號除了載頻外還有上下邊頻信號，阻塞網(wǎng)絡(luò)主要作用是不僅通過本頻信號，且要阻塞他頻信號。通過本頻時阻抗不要太大，阻塞他頻時，不但要在載頻處呈現(xiàn)很大的阻抗，而且在上下邊頻處也要呈現(xiàn)較大阻抗。實際設(shè)計阻塞網(wǎng)絡(luò)時，電容C的值在中波廣播頻段內(nèi)變動很少，大致在800～1500pF的范圍內(nèi)，可以先選定電容，再用線圈與之諧振，這樣的選值能保證并聯(lián)諧振電路的無功功率為最小。

我們實際使用的阻塞網(wǎng)絡(luò)是對1107KHz的公共阻塞以及603KHz和1 5 5 7 K H z 的相互阻塞。設(shè)計中采用對1107KHz的公共阻塞，可以節(jié)省成本，如圖4所示，L1、C1并聯(lián)諧振于f0=1107KHz，f0=，L1、C1并聯(lián)對f1=603KHz呈現(xiàn)的阻抗Z1=由此式可以看出，當C1或（f02-f12）越小，Z1的值將越大，即L1、C1并聯(lián)阻塞網(wǎng)絡(luò)對f1=603KHz呈現(xiàn)的阻抗將越大，同理，L1、C1并聯(lián)阻塞網(wǎng)絡(luò)對f2=1557KHz呈現(xiàn)的阻抗也越大，所以，C1不宜選擇太小，一般取C1＝1000pf～3000pf。這里我們C1取值為1500pf，則通過計算，可算出L1的值。而對603KHz天調(diào)網(wǎng)絡(luò)要阻塞1557KHz，采用L2、C2并聯(lián)諧振于1 5 5 7 K H z，其對f1=603KHz呈現(xiàn)的阻抗；對1557KHz的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)要阻塞603KHz，采用L4、C4并聯(lián)諧振于603KHz，f1=，其對f2=1557KHz呈現(xiàn)的阻抗Z ’2=則當取值C2=800pf，C4=2500pf時，可算出L2及L4的值。

2.3 阻抗匹配

由圖4可見，阻塞網(wǎng)絡(luò)后在1557 KHz所呈現(xiàn)的阻抗為70+j145.4Ω，我們利用阻抗的虛部(j145.4Ω)，作為Γ型網(wǎng)絡(luò)的一個臂，通過計算，我們可得到兩種Γ型網(wǎng)絡(luò)的匹配形式，見圖5。

圖4

圖5

這兩種匹配網(wǎng)絡(luò)都可以實現(xiàn)阻抗匹配的目的?？紤]到1557 KHz位于廣播頻率的高端，在網(wǎng)絡(luò)的選擇中，能使1557 KHz以下的頻率段的衰減度盡可能的低，從而減小天線感應(yīng)過來的雜波對發(fā)射機的影響，所以在實際應(yīng)用中都選擇高通型匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示，C5起隔直流作用，并綜合一部分感性，使阻抗的虛部變?yōu)閖43；經(jīng)計算，選擇L7、C6并聯(lián)，通過微調(diào)L7，使阻抗實部變換為50Ω；串聯(lián)L8并微調(diào)，使阻抗虛部變?yōu)閖0。

而阻塞網(wǎng)絡(luò)后在603KHz所呈現(xiàn)的阻抗為193-j205Ω，串接L5，綜合一部分容性，使阻抗變?yōu)?93-j61；經(jīng)計算，選擇L3、C3并聯(lián)，通過微調(diào)L3，使阻抗實部變換為50Ω；串聯(lián)L6并微調(diào)，使阻抗虛部變?yōu)閖0。

至此，1557KHz和603KHz的雙頻共T型天線匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計已基本完成，當然網(wǎng)絡(luò)各元件參數(shù)的選擇，還必須考慮發(fā)射機在額定功率輸出、調(diào)制度為1.2時的電流有效值、電壓峰峰值和視在功率的大小，并留有一定余量。為了保持阻塞網(wǎng)絡(luò)的準確調(diào)諧和網(wǎng)絡(luò)的工作穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)中電感的端點對地耐壓選擇10KV就可以，而額定電流以100%調(diào)幅度下電感流過的電流有效值再加20%以上的富余量，滿足電感穩(wěn)定、不發(fā)燙、可連續(xù)調(diào)節(jié)并易于精確。網(wǎng)絡(luò)中電容以100%調(diào)幅度下電容兩端的電壓峰值，再加1倍以上作為電容最高耐壓參數(shù)；而電容元件的虛功率參數(shù)以100%調(diào)幅度狀態(tài)下流過電容的有效電流乘上這時電容兩端電壓的有效值，再加50%以上即可，確保電容有足夠的容量和耐壓能適當增減，不發(fā)燙保持工作穩(wěn)定。

3 利用Multisim仿真軟件仿真和驗證設(shè)計效果

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，各元件電抗值的選擇有一定范圍要求，且各個部分電路之間有緊密的聯(lián)系和相互的影響，設(shè)計過程中需要對各個部分電路參數(shù)進行反復(fù)仔細的調(diào)整和驗算。根據(jù)上述數(shù)據(jù)設(shè)計出的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，利用Multisim電路仿真軟件來驗證在本頻上能否使天線與饋線阻抗匹配；根據(jù)天線阻抗模型驗證天調(diào)網(wǎng)絡(luò)在邊頻±10KHZ的頻率特性，驗證是否符合中波發(fā)射的頻帶寬度。即要保證載頻±10KHz的邊帶功率無衰減，又要對±4.5KHz的鄰頻干擾有12dB以上的衰減。下面就簡單說明利用Multisim電路仿真軟件的驗證方法。

3.1 603KHz天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的校驗

（1）根據(jù)設(shè)計的原理和步驟，在Multisim仿真軟件中，天調(diào)網(wǎng)絡(luò)阻抗的測量按如圖6左圖連接。

其中的C0和R0是603KHz天線阻抗實測得到的天線阻抗模型，C1和L1、C2和L2分別是1107KHz和1557KHz的并聯(lián)阻塞回路，L5、L6、L3和C3是典型的T網(wǎng)絡(luò)。

圖6左圖中網(wǎng)絡(luò)分析儀XNA1的接線端P1接在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的任意支路，可以進行各點的阻抗測量。而實際設(shè)計中常反復(fù)改變天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中電感、電容的參數(shù)，直至調(diào)整到所需要的阻抗匹配值。

雙擊網(wǎng)絡(luò)分析儀，顯示圖6右圖中的運行仿真結(jié)果及其史密斯阻抗圓圖。

設(shè)置電路仿真模式為“測量”模式，選擇圖表格式為“Z參數(shù)”的“Smith”圓圖，選擇顯示軌跡Z11/Z22,選擇函數(shù)標號為Re/lm，“仿真設(shè)置”下拉菜單設(shè)置掃描開始/終止頻率、“線性”掃描類型、掃描點數(shù)為800、特征阻抗Z。為50Ω。

在阻抗分析儀的窗口里，史密斯阻抗圓圖的上方，Z11和Z22，分別表示分析儀P1、P2口的測試結(jié)果，而這里的Z11、Z22是歸一化阻抗的表示，實際阻抗還要乘上歸一化的模（設(shè)置為50Ω）。

移動儀器下方頻率箭頭，在Smith圖中可觀察到Z11隨頻率變化的紅色三角形光標的移動。在603KHz附近可讀取Z11的阻抗值，此點必須經(jīng)過1.0點，即天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)配阻抗為50Ω，滿足設(shè)計要求。

（2）603KHz天調(diào)網(wǎng)絡(luò)頻帶寬度的測量。

根據(jù)中波發(fā)射的特點，要求天調(diào)網(wǎng)絡(luò)頻帶寬度為10KHz,即f0±5KHZ時的天線駐波比要小于1.2。如圖7左圖連接電路。

在軟件中打開網(wǎng)絡(luò)分析儀，設(shè)置電路仿真模式為“射頻特性”模式；圖表參數(shù)為“功率增益”；顯示軌跡單選“TPG”；函數(shù)標號為“dB Mag”；射頻參數(shù)設(shè)置源阻抗ZS=50+j0(Ohm)，負載阻抗ZL=28（R0）+j0(Ohm)。運行仿真電路，得到如圖7右圖圖形：

圖6

圖7

圖8

圖9

天線駐波比（ρ）與反射系數(shù)（Γ）的公式為Γ＝（ρ-1）/(ρ+1),而，Z0為傳輸電纜的特性阻抗，R、X為所需要f。的阻抗實部和虛部。圖中功率增益參數(shù)TPG公式為TPG=10Lg(1-Γ*Γ)，即天線駐波比ρ＝1.2時，TPG=-0.036dB。移動網(wǎng)絡(luò)分析儀下方頻率箭頭,當︱TPG︱<0.036dB時，頻率f。兩邊的頻率范圍與f。相差最小值就是該天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的單邊頻帶寬度。此603KHz天調(diào)網(wǎng)絡(luò)電路的頻帶寬度為±12KHz，符合設(shè)計的要求。

移動頻標到同臺發(fā)射的其它頻率點，讀出相應(yīng)的T P G 值即得到衰減量。圖中讀出對鄰頻1107KHz衰減為59.66dB，1557KHz的衰減為87.113 dB，達到很好的抗鄰頻干擾能力。

3.2 1557KHz天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的仿真和校驗

如圖8左圖的電路阻抗的連接圖，同603KHz天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的仿真設(shè)置，1557KHz附近可讀取Z11的阻抗值，此點也經(jīng)過1.0點，即天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)配阻抗為50Ω，同樣滿足設(shè)計要求。

而1557KHz天調(diào)網(wǎng)絡(luò)電路的頻帶寬度更寬，為±15KHz，符合設(shè)計要求。

移動頻標到同臺發(fā)射的其它頻率點，讀出相應(yīng)的T P G 值即得到衰減量。圖9讀出對鄰頻1107KHz衰減為43.11dB，603KHz的衰減為45.128 dB，同樣達到很好的抗鄰頻干擾能力。

當然在仿真過程中，如果得到的結(jié)果不能滿足要求，可以按照電路設(shè)計的原則，改變電路形式和參數(shù)后再測試，一直到滿意為止。

至此1557KHz和603KHz的雙頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)經(jīng)軟件驗證可以達到較為理想的設(shè)計效果，達到預(yù)期目的。

4 結(jié)束語

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)各項技術(shù)性能的好壞，關(guān)系到發(fā)射機能否長時間穩(wěn)定工作，能否滿足廣播節(jié)目發(fā)射“高質(zhì)量，不間斷”的要求，它的設(shè)計方法多種多樣，具體采用何種形式，要根據(jù)本臺的天饋線的場地，干擾的頻率和功率等實際情況來確定，切不可照搬照套，總的設(shè)計原則是：在滿足防雷、阻抗匹配、濾除干擾三個方面要求的條件下，盡量簡化電路，降低本機頻率的功率損耗，以提高其工作穩(wěn)定性。

[1] 張丕灶.全固態(tài)中波發(fā)送系統(tǒng)調(diào)整與維修 .廈門：廈門大學(xué)出版社，2007.334-377.

[2] 何連成.中波天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、驗證及安裝調(diào)試技術(shù).