Smith chart在大功率短波發(fā)射機RF網(wǎng)絡(luò)分析中的應(yīng)用

毛 剛

（作者單位：國家新聞出版廣電總局2022臺）

Smith chart在大功率短波發(fā)射機RF網(wǎng)絡(luò)分析中的應(yīng)用

毛 剛

（作者單位：國家新聞出版廣電總局2022臺）

摘 要：本文介紹了大功率短波發(fā)射機末級輸出波網(wǎng)絡(luò)的工作特點和網(wǎng)絡(luò)計算中的難點，利用Smith chart在RF網(wǎng)絡(luò)計算中的便捷性，舉例說明Smith chart在計算級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配分析、計算中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Smith chart；短波發(fā)射機；濾波網(wǎng)絡(luò)

大功率短波發(fā)射機具有輸出功率大、頻帶范圍寬（3.2~26.1MHz）的特點。末級輸出網(wǎng)絡(luò)使用多π網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)或π、г網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方式進(jìn)行諧振、濾波和阻抗變換，電路復(fù)雜，射頻元件數(shù)量多。測量、分析不同工作頻率下各部分級聯(lián)電路的阻抗匹配情況，需要先計算出元件的目標(biāo)值。計算公式復(fù)雜，有大量繁瑣的復(fù)數(shù)運算。Smith chart簡單直觀，又具有足夠的精確度，對計算出匹配網(wǎng)絡(luò)元件的參數(shù)值，優(yōu)化噪聲系數(shù)，確定品質(zhì)因數(shù)的影響以及進(jìn)行電路穩(wěn)定性分析，有著重要的作用和意義。本文以DF100A型大功率短波發(fā)射機諧波濾波網(wǎng)絡(luò)計算為例，利用Smith chart計算網(wǎng)絡(luò)元件的參數(shù)值，并仿真和分析網(wǎng)絡(luò)特性，介紹Smith chart 在RF（Radio Frequency，射頻）網(wǎng)絡(luò)分析中的應(yīng)用。

1 Smith chart簡介

Smith chart，即史密斯圓圖，主要用作利用圖解法計算網(wǎng)絡(luò)和傳輸線的阻抗匹配，以避免過于繁瑣的數(shù)學(xué)運算。Smith chart包含兩部分，一部分是阻抗史密斯圓圖（Z-Smith chart），由等反射系數(shù)圓和阻抗圓圖組成；另一部分是導(dǎo)納史密斯圓圖（Y-Smith chart），由等反射系數(shù)圓和導(dǎo)納圓圖組成。

圖1　諧波濾波網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 DF100A型短波發(fā)射機諧波濾波網(wǎng)絡(luò)計算

DF100A型發(fā)射機工作時會在射頻通路產(chǎn)生高次諧波，其中二次、三次諧波功率比較大。經(jīng)過末級π-г網(wǎng)絡(luò)濾波，三次諧波基本濾除，而二次諧波濾除不夠徹底，影響到發(fā)射機的正常工作，同時也不符合國際電信聯(lián)盟及《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB13421-92無線電發(fā)射機雜散發(fā)射功率電平的限制和測量方法》規(guī)定的“對于平均發(fā)射功率大于50kW，工作頻率在30MHz以下的短波發(fā)射機，其諧波輻射功率不能大于50mW而末級槽路”的要求。為有效的濾除二次諧波成分，DF100A型發(fā)射機在末級槽路之后加裝了諧波濾波網(wǎng)絡(luò)。

如圖1所示，諧波濾波網(wǎng)絡(luò)是由可調(diào)電容、電感組成的低通濾波器，由兩節(jié)完全相同的90oπ網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)而成。根據(jù)DF100A型發(fā)射機的工作特性，該濾波器為點頻式窄帶濾波器，在3.2～26.1MHz的頻帶范圍內(nèi)，不同的工作頻率各有相對應(yīng)的工作點。在工作點上，基波阻抗始終應(yīng)為75Ω純阻,對二次諧波的衰減量要達(dá)到-20dB（三次諧波已經(jīng)過末級π-г網(wǎng)絡(luò)衰減達(dá)到要求）。

以9.9MHz頻率為例，使用電子版Smith chart，計算該頻率下諧波濾波網(wǎng)絡(luò)中各元件的目標(biāo)參數(shù)值，如圖2所示。

計算出的各元件參數(shù)值如表1所示。

表1　9.9MHz下諧波濾波網(wǎng)絡(luò)各元件值

3 仿真結(jié)果

圖2　Smith chart上網(wǎng)絡(luò)各元件

圖3　網(wǎng)絡(luò)輸出阻抗仿真數(shù)據(jù)

對計算出的諧波濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，以檢驗是否符合設(shè)計要求。根據(jù)DF100A析和調(diào)整的參考數(shù)據(jù)，計算誤差在允許范圍，能夠方便快捷地達(dá)到目的。型發(fā)射機的工作特點，要求該諧波濾波網(wǎng)絡(luò)輸出阻抗Zout=75+j0Ω；對二次諧波19.8MHz頻率的衰減量達(dá)到-20dB。仿真結(jié)果如下，如圖3所示，輸出阻抗Zout=75+j7.238e-5Ω，電路呈感性，在使用中需要微調(diào)電容、電感量；由圖4可以看出對二次諧波的衰減為-25dB，達(dá)到設(shè)計要求。由9.9MHz基波頻率下諧波濾波網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果可以看出，利用Smith chart計算該頻率下諧波濾波網(wǎng)絡(luò)各元件的目標(biāo)值，以作為對實際電路測量、分

圖4　二次諧波衰減量仿真數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

分析大功率短波發(fā)射機末級輸出網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配是否良好，輸出特性是否符合要求，是短波發(fā)射機維護(hù)和狀態(tài)調(diào)整中一個重要的方面，由于計算公式長、步驟多，被處理的數(shù)據(jù)多為復(fù)數(shù)，往往計算比較繁瑣。而Smith chart在RF網(wǎng)絡(luò)的計算、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的分析中具有很大的便捷性，本文以DF100A型短波發(fā)射機諧波濾波網(wǎng)絡(luò)在9.9MHz頻率工作特性為例，利用Smith chart計算網(wǎng)絡(luò)元件目標(biāo)值，并對計算結(jié)果進(jìn)行仿真，在以后的研究中將重點對末級其他網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配和行、駐波系數(shù)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行計算和分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐銳敏,唐璞.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社,2009.