大功率短波發(fā)射系統(tǒng)天饋線阻抗匹配的解決方案

吳建宏

（國家新聞出版廣電總局916臺(tái)， 816000）

阻抗匹配是傳輸線理論中的重要概念。在由信號(hào)源、傳輸線及負(fù)載組成的系統(tǒng)中，如果傳輸線與負(fù)載不匹配，傳輸線上將形成駐波。有了駐波一方面使傳輸線有效功率降低，另一方面會(huì)增加傳輸線的衰減。如果信號(hào)源和傳輸線不匹配，既會(huì)影響信號(hào)源的頻率和輸出功率的穩(wěn)定性，又使信號(hào)源不能給出最大功率、負(fù)載又不能得到全部的入射功率，因此傳輸線一定要匹配。匹配有兩種：一種是阻抗匹配，使傳輸線兩端所接的阻抗等于傳輸線的特性阻抗，從而使線上沒有反射波；另一種匹配是功耗匹配，使信號(hào)源給出最大功率。本文主要探討短波天線系統(tǒng)中傳輸線之間的阻抗匹配問題。

一、天線系統(tǒng)情況概述。 根據(jù)某型號(hào)的短波發(fā)射機(jī)，采用了同相水平反射幕天線、饋線系統(tǒng)主要包括了平衡轉(zhuǎn)換器、天線轉(zhuǎn)換開關(guān)、四線主饋傳輸線，如圖1所示。在短波發(fā)射頻率變換的過程中，發(fā)現(xiàn)駐波值出現(xiàn)了明顯的增大，發(fā)射系統(tǒng)無法調(diào)整。分析原因可能為天饋線系統(tǒng)出現(xiàn)了不匹配的問題，通過測(cè)量證實(shí)了這個(gè)問題，通過測(cè)量數(shù)據(jù)中看出，駐波比值偏高，需要進(jìn)行天饋線匹配調(diào)整。

二、短波天線的阻抗匹配調(diào)整。短波天線的阻抗匹配問題，其基本原理是阻抗匹配的方法是在傳輸線和終端之間加一匹配網(wǎng)絡(luò)，要求這個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)由電抗元件構(gòu)成：損耗盡可能的小，而且通過調(diào)節(jié)可以對(duì)各種終端負(fù)載匹配。匹配的原理是產(chǎn)生一種新的反射波來抵消原來的反射波。包括以下幾個(gè)方面：1、隨頻率變化的天線輸入阻抗與一定的饋線特性阻抗的匹配問題；2、不同特性阻抗饋線間的阻抗變換問題；3、平衡系統(tǒng)與不平衡系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換問題。解決這些問題的主要方法，可采用短截線、插入線、指數(shù)線、階梯線或傳輸線變壓器。工程中，根據(jù)具體情況可采用不同的方式。針對(duì)我臺(tái)短波天線系統(tǒng)的實(shí)際情況，我們主要考慮采用插入線匹配法來調(diào)整。

2.1 插入線阻抗匹配的原理。如下圖所示，在饋線上串入一段特性阻抗與饋線的特性阻抗不相同的傳輸線，這樣，在特性阻抗的跳變位置上將產(chǎn)生反射波，讓這個(gè)反射波與原天線的反射波在插入線的終端互相抵消，使主傳輸線呈行波狀態(tài)，這種匹配的方法叫插入線匹配法。

2.2 四分之一波長插入線匹配。四分之一波長插入線匹配是指在傳輸線的電壓波節(jié)點(diǎn)（或波腹點(diǎn)）插入一段長度為四分之一波長、特性阻抗為w1的傳輸線，使主傳輸線調(diào)至行波狀態(tài)。根據(jù)無損耗傳輸線終端負(fù)載為任意阻抗時(shí)線上等效輸入阻抗的計(jì)算公式，可得到插入線終端的等效阻抗Zin。進(jìn)行四分之一波長插入線匹配時(shí)，要合理選擇插入點(diǎn)的位置和插入線的特性阻抗w1。根據(jù)傳輸線理論可知，電壓波腹點(diǎn)的等效阻抗為W/k；電壓波節(jié)點(diǎn)的等效阻抗為Wk。分別取這兩個(gè)傳輸線上等效阻抗為純電阻的點(diǎn)作為插入線的始端阻抗Zl，并令插入線終端阻抗Zin=W，即可使主傳輸線匹配為行波。如果將插入線始端選擇在電壓波節(jié)點(diǎn)，即Zl=k×W，因k<1，可以得出從電壓波節(jié)點(diǎn)插入，插入線特性阻抗W1低于主傳輸線特性阻抗W；反之，W1高于W；結(jié)論：當(dāng)饋線為高阻抗（二線式600Ω）時(shí)，插入線的始端應(yīng)該選擇在電壓波節(jié)點(diǎn)；如果饋線為低阻抗（四線式300Ω）時(shí)，則插入線的始端應(yīng)選擇在電壓波腹點(diǎn)。

圖1 天饋線系統(tǒng)框圖

圖2 短波天線實(shí)施方案圖解

2.3 天線輸入阻抗作為插入線負(fù)載時(shí)的線匹配。根據(jù)插入線的匹配原理，插入線終端的主傳輸線上為行波，至天線方向仍有駐波。假如把天線的輸入阻抗作為插入線的負(fù)載，則有可能是駐波的傳輸線減至最短。四分之一波長插入線作匹配時(shí)，要求插入線始端的負(fù)載必須是純電阻，而天線輸入阻抗不是純電阻，故不能采用四分之一插入線在天線輸入點(diǎn)作匹配。推廣上述概念，我們把傳輸線上的任意點(diǎn)都可視為天線的輸入點(diǎn)，在該點(diǎn)插入按上式確定的插入線，可使天饋線得到匹配。通過演算，我們得到插入線的長度為13.1167267，插入點(diǎn)-2.292784227，從天線下引端反向插入。

三、實(shí)施方案和結(jié)果。根據(jù)實(shí)際情況：主饋線長度不易增減，且斷開主饋線在操作過程中也不易實(shí)行，天線下引線方向主饋線在原頻率時(shí)已經(jīng)進(jìn)行過插入線調(diào)整，我們選取了分支線接入法，如圖2所示。實(shí)施后，在75/300Ω平衡轉(zhuǎn)換器和主饋線接口測(cè)得的駐波為1.0276，效果良好。

結(jié)語

在饋線上接入短截線時(shí)，因先掛好不焊接，這是因?yàn)闇y(cè)量、計(jì)算中可能存在誤差，行波系數(shù)不一定能達(dá)到匹配的要求，還需對(duì)短截線、分支線調(diào)整，直至滿足匹配指標(biāo)。插入線匹配法不僅能使天線在某一頻率上得到匹配，達(dá)到很高的行波系數(shù)，而且可以對(duì)天線工作頻段以內(nèi)的其他頻率不產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省材料的特點(diǎn)。但在這種匹配方法中在實(shí)施過程中，有時(shí)需要斷開主傳輸線，因而插入線的長度和插入位置不便于調(diào)整。

[1]趙克玉，許福永.微波原理與技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2006（08）.