大功率短波發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)的分析

張榮軍

(國(guó)家新聞出版廣電總局五六四臺(tái),北京 102434)

大功率短波發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)的分析

張榮軍

(國(guó)家新聞出版廣電總局五六四臺(tái),北京 102434)

大功率短波發(fā)射機(jī)要求的輸出功率大,轉(zhuǎn)換效率高,高次諧波濾除干凈,所以對(duì)其輸出網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)有較高的要求,TSW2500型500kw大功率短波發(fā)射機(jī)是一款設(shè)計(jì)合理,做工精良的大型發(fā)射機(jī),他的輸出網(wǎng)絡(luò)使用3π級(jí)聯(lián)形式,我們用簡(jiǎn)單的幾個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)合理拆分化簡(jiǎn),便可分析出實(shí)際運(yùn)行原理,為維護(hù)好設(shè)備做好理論基礎(chǔ)。

發(fā)射機(jī) 短波 大功率 3π網(wǎng)絡(luò)

瑞士產(chǎn)TSW2500型500kw大功率短波發(fā)射機(jī)，該機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，轉(zhuǎn)換效率高，性能指標(biāo)高。尤其它的高末級(jí)槽路設(shè)計(jì)的科學(xué)合理，換頻快，諧波小，不易打火，利于維護(hù)。它是原瑞士ABB和德國(guó)德律風(fēng)根AEG相結(jié)合的產(chǎn)物，可以說(shuō)是相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，最終完美組合到了一起。TSW2500型500千瓦短波發(fā)射機(jī)的射頻末級(jí)輸出網(wǎng)絡(luò)采用3個(gè)π型網(wǎng)絡(luò)組成，3π網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)諧振、阻抗變換和濾波功能。它把輸出阻抗變換為射頻末級(jí)管所需的等效屏級(jí)阻抗，同時(shí)諧振于工作頻率，濾除諧波。3π網(wǎng)絡(luò)的電感調(diào)諧線結(jié)構(gòu)，分布參數(shù)很小，不易產(chǎn)生寄生振蕩。

下面，我們就簡(jiǎn)單介紹一下該回路。首先，回顧一下槽路的基本概念和作用。

圖1

圖2

1 簡(jiǎn)述槽路

一般新型發(fā)射機(jī)廣泛使用π型網(wǎng)絡(luò)，即我們常說(shuō)的π型匹配網(wǎng)絡(luò)。下面我簡(jiǎn)單介紹：我們知道π網(wǎng)絡(luò)是一種四端網(wǎng)絡(luò)。它具有濾波度高、變換阻抗范圍寬和適合于大功率、低Q值的阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)。

2 π網(wǎng)絡(luò)及有關(guān)公式計(jì)算

初看起來(lái)好像并不比找到等效阻抗復(fù)雜。但是問(wèn)題在于有無(wú)限種元件的組合都可以使匹配網(wǎng)絡(luò)具有類似的效果，而且還需考慮其它因素(比如濾波器的結(jié)構(gòu)類型、品質(zhì)因數(shù)和有限的可選元件)。

2.1 串聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換公式

在討論匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換特性時(shí)，經(jīng)常要把電抗、電阻串聯(lián)形式轉(zhuǎn)換為等效的電抗、電阻并聯(lián)形式；或者將電抗、電阻并聯(lián)的形式轉(zhuǎn)換為等效的電抗、電阻串聯(lián)形式。

圖1為兩個(gè)相互等效的串聯(lián)和并聯(lián)的電抗、電阻電路，下面我們將找出這個(gè)電路參數(shù)之間轉(zhuǎn)換的公式。

所謂“等效”就是指在電路的頻率等于工作頻率ω時(shí)，從圖AB端看進(jìn)去的阻抗(或?qū)Ъ{)相等。今令兩者的端導(dǎo)納相等，即

其中

兩邊移項(xiàng)得

圖3

圖4

通過(guò)上述分析可知，當(dāng) Qe取定后，將串聯(lián)支路轉(zhuǎn)換為并聯(lián)支路時(shí)，并聯(lián)支路的等效電阻和等效電抗恒大于串聯(lián)支路的電阻和電抗。反之，將并聯(lián)支路轉(zhuǎn)換為串聯(lián)支路時(shí)，串聯(lián)支路的等效電阻和等效電抗恒小于并聯(lián)支路的電阻和電抗。

同樣，當(dāng)把 RP、 XP相并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以把高阻值的 RP變換為低阻值 Rs，調(diào)整 XP可變阻值降低的倍數(shù)。

2.2 L型網(wǎng)絡(luò)分析

所謂L型網(wǎng)絡(luò)是指兩個(gè)異性電抗支路連成“L”型結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)，有兩種基本形式，相應(yīng)的常用電路分別如圖2所示。圖2中， RL為外接負(fù)載電阻。

由此可見(jiàn)，實(shí)際上它們就是 Qe較低的并聯(lián)諧振回路和串聯(lián)諧振回路。由于回路的固有損耗很小，因此，在討論阻抗變換特性時(shí)，為了簡(jiǎn)化分析，可以忽略回路固有損耗的影響。

L型網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換作用是把外接負(fù)載變換成三極管所要求的負(fù)載阻抗。其阻抗變換過(guò)程是利用串、并聯(lián)電路互為等效時(shí)，用相異的電抗電抗分量互相抵消，使得呈現(xiàn)為純電阻負(fù)載 Re。因此，一定要諧振于工作頻率，串臂和并臂的模量要相等。

對(duì)于圖2所示的電路而言，先將它的 X2( L2)和 RL的串聯(lián)支路轉(zhuǎn)換為 XP( LP)和 RP的并聯(lián)支路，如圖所示。再令1X+PX=0，將電抗分量抵消，則在管子兩端呈現(xiàn)的阻抗便為純阻，其阻值為 RP，由于 Qe恒為正實(shí)數(shù)，根據(jù)上式可知，這種匹配網(wǎng)絡(luò)只能適用于 Re＞ RL的匹配情況。

同理，對(duì)于圖2下半部分所示電路而言，先將其中 X2(C2)和 RL的并聯(lián)支路轉(zhuǎn)換為 XS( Cs)和 Rs的串聯(lián)支路，如圖所示。再令X1+ XS=0， Rs= Re，則通過(guò)類似分析可以求得匹配網(wǎng)絡(luò)元件值為：

由上式可知，這種匹配網(wǎng)絡(luò)只能適用于 Rе＜ RL的匹配情況。

L型網(wǎng)絡(luò)的濾波度以及考慮回路固有損耗后的回路效率，在工程估算中可直接按式計(jì)算。

L型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是有載品質(zhì)因數(shù) Qe不能任意選擇，當(dāng) Rе和 RL確定后， Qe也就確定了，不能再根據(jù)濾波度和回路效率等要求予以調(diào)整，且這種網(wǎng)絡(luò) Qe低，濾波性能差。因此，這種網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)阻抗變換，無(wú)法兼顧濾波度和回路效率等要求。

3 π型網(wǎng)絡(luò)

所謂∏型網(wǎng)絡(luò)是指三個(gè)電抗支路(其中兩個(gè)支路時(shí)同性電抗，另一個(gè)支路時(shí)異性電抗)接成“π”型結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。它的串臂為感抗，兩個(gè)并臂為容抗，分析時(shí)，將它表示成兩個(gè)串接得L型網(wǎng)絡(luò)。首先，由第二個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)將 RL變換為假想電阻 Rs，其值為

然后，再將 XS1和 RS轉(zhuǎn)換成并聯(lián)的電抗和電阻，此電抗和 XP1的電抗相等，并聯(lián)的電阻 Rе即為功率管所要求的電阻 Rе其值為

上式表明，選擇合適的 Qe1或 Qe2，就可以實(shí)現(xiàn)給定的阻抗變換，不象L型網(wǎng)絡(luò)那樣受

Rе＜ RL或 Rе＞ RL條件的限制，而且在實(shí)現(xiàn)給定的阻抗變換時(shí)， Qe1和 Qe2可以取不同的數(shù)值組合，說(shuō)明阻抗轉(zhuǎn)換是任意的，因此性能有改善，克服了L型網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，適用較廣泛。由于 Qe2恒大于1，因此，由式可得不等式

圖5

上式是在π型網(wǎng)絡(luò)中將RL變換為 Rе時(shí) Qe1和 Qe2應(yīng)滿足的條件。如果 Qe1太小，或 Qe1過(guò)大，不滿足這個(gè)條件，那么，要實(shí)現(xiàn)給定的阻抗變換時(shí)不可能的。因此，將這個(gè)條件稱為∏網(wǎng)絡(luò)的可實(shí)現(xiàn)條件。

若已知 Rе、 RL和 Qe1，則匹配網(wǎng)絡(luò)各元件值為

如果 XP1和 Xp2為同性電抗，那么 XS1和 XS2為同性電抗，因此，π型網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)臂的總電抗為

對(duì)于T型匹配網(wǎng)絡(luò)，也可用類似方法將它分解為兩個(gè)串接的L型網(wǎng)絡(luò)，這樣，就可求得匹配網(wǎng)絡(luò)各元件的計(jì)算公式。

那么，TSW2500型500千瓦短波發(fā)射機(jī)的3π網(wǎng)絡(luò)又是如何工作的呢？下面我們一起用上述方法分析一下，圖4實(shí)際電路圖：

我們將上面圖4化簡(jiǎn)成圖5

將一π分成左右兩個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)，即可以把L251分成兩段，左半部為L(zhǎng)251a，右半部為L(zhǎng)251b，C261a和C261b先和并成一個(gè)電容C261，然后再拆分為C261a和C261b，同理L261被拆分為L(zhǎng)271aL271b，C271被拆分為C271a和C271b，但首尾的C251，C275沒(méi)必要拆分，因?yàn)樗旧肀容^獨(dú)立，當(dāng)然僅僅就孤立的分析當(dāng)前一段時(shí)有效，若此前后再加元件，同樣需要拆分折合。

下面先介紹圖5的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的阻抗和Q值，從左端開始190Ω是指電子管的輸出阻抗為此值，所以即一π左端第一個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)，諧振頻率f，各點(diǎn)Q值即Q1，Q2，Q3，和Roe=190Ω，R2=150Ω，R3=750Ω，R4=50Ω。

實(shí)際上，TSW2500型500千瓦短波發(fā)射機(jī)的射頻末級(jí)輸出網(wǎng)絡(luò)就是采用3個(gè)π型網(wǎng)絡(luò)組成的，所以，我們完全可以用我們所學(xué)的無(wú)線電知識(shí)，將3π網(wǎng)絡(luò)逐一拆分，依次化簡(jiǎn)，即把一個(gè)看似非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，化簡(jiǎn)為非常熟悉的L型網(wǎng)絡(luò)加以分析并運(yùn)算，最終得出正確結(jié)果。

[1]張學(xué)田,李英華,尤鞏圻,劉洪才,何正聲,魏瑞發(fā).廣播電視技術(shù)手冊(cè)第6分冊(cè):發(fā)射技術(shù).

[2]劉洪才,中短波廣播發(fā)射機(jī)[M].北京:中國(guó)廣播電視出版社,1997.

[3]劉長(zhǎng)年,吳名森.廣播發(fā)送技術(shù)[M].北京:國(guó)家廣播電影電視總局,1999.

[4]胡樹豪.實(shí)用射頻技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

張榮軍,性別:男,出生年1975年,籍貫:北京,學(xué)歷:大學(xué)本科,職務(wù):副總工程師,研究方向:無(wú)線電。