π-Γ網(wǎng)絡(luò)在DF100A型短波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用分析

國家新聞出版廣電總局2022臺 毛 剛

π-Γ網(wǎng)絡(luò)在DF100A型短波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用分析

國家新聞出版廣電總局2022臺 毛 剛

【摘要】本文從π網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)闡述了π-Γ網(wǎng)絡(luò)在DF100A型100kW發(fā)射機(jī)上的應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)元件計(jì)算方法，分析了在發(fā)射機(jī)上實(shí)際使用過程中常見的故障原因、處理思路和電路設(shè)計(jì)中采取的穩(wěn)定措施。

【關(guān)鍵詞】π-Γ網(wǎng)絡(luò)；DF100A型短波發(fā)射機(jī)

1.引言

π網(wǎng)絡(luò)是一種四端網(wǎng)絡(luò)，具有濾波度高、阻抗變換范圍寬和適用于大功率、低Q值阻抗匹配、線路簡單等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于大功率短波發(fā)射機(jī)屏極負(fù)載電路。π、Γ網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)支路和串聯(lián)支路可以是電感元件，也可以是電容元件，但整個(gè)電路中必須同時(shí)包含電容和電感兩種阻抗特性相反的元件，不然輸出無法保證純阻性。根據(jù)短波發(fā)射機(jī)的工作特點(diǎn)和低通濾波的要求，一般選用串聯(lián)支路使用電感而并聯(lián)支路使用電容的π網(wǎng)絡(luò)和Γ網(wǎng)絡(luò)，以DF100A型短波發(fā)射機(jī)為例，末級使用一節(jié)π網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行諧振、濾波和阻抗變換，同時(shí)為了提高濾波能力，在π網(wǎng)絡(luò)后增加一節(jié)Γ網(wǎng)絡(luò)，組成π-Γ網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 DF100A型發(fā)射機(jī)高末π-Γ網(wǎng)絡(luò)

由于電容、電感元件在不同頻率下呈現(xiàn)出不同的阻抗，因此在使用中通過調(diào)整電容/電感量的大小，達(dá)到阻抗匹配于短波頻段內(nèi)不同頻率的目的，此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈純阻性，并且具有最大值，下面以DF100A型發(fā)射機(jī)π-Γ網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算為例，詳細(xì)講述該網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法。

2.π-Γ網(wǎng)絡(luò)計(jì)算分析

DF100A型短波發(fā)射機(jī)工作于3.2MHz到26.1MHz的頻帶圍內(nèi)，電子管屏極輸出阻抗800Ω經(jīng)過π網(wǎng)絡(luò)后變換為100Ω，再經(jīng)過Γ網(wǎng)絡(luò)變換為75Ω作為不平衡輸出，Q值選擇18到20之間為最佳。

如圖2，根據(jù)上述DF100A型發(fā)射機(jī)的特點(diǎn)，我們可知π網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗Rin為800Ω，輸出阻抗R3為100Ω，品質(zhì)因數(shù)Q選擇為19；Γ網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗為100Ω，輸出阻抗RL為75Ω。計(jì)算各頻點(diǎn)的元件量時(shí)，把π-Γ網(wǎng)絡(luò)等效變換為3個(gè)級聯(lián)的Γ網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)計(jì)算。

圖2 π-Γ網(wǎng)絡(luò)等效變換

Γ網(wǎng)絡(luò)計(jì)算公式如下：

公式（1）、（2）中，Q為品質(zhì)因數(shù)，Rp為并聯(lián)支路端阻抗，Rs為串聯(lián)支路端阻抗，Xs為串聯(lián)支路元件阻抗，Xp為并聯(lián)支路元件阻抗。

由圖2可知：R1=800Ω，R3=100Ω，Q1=19，RL=75Ω，根據(jù)以上計(jì)算公式1，2，帶入已知條件，計(jì)算出A、B、C網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗如下：

通過以上計(jì)算得知π-Γ網(wǎng)絡(luò)各元件阻抗為：

XC1=42.1Ω，XC2=189.44Ω，XL1=56.9Ω，XL2=43.3Ω

由于短波發(fā)射機(jī)工作于3.2MHz到26.1MHz的頻帶范圍，可知：3200kHz≤f≤26100kHz

使用MATLAB計(jì)算短波頻帶內(nèi)π-Γ網(wǎng)絡(luò)各頻點(diǎn)的元件值，并生成元件曲線圖如圖3所示。

圖3 π-Γ網(wǎng)絡(luò)元件曲線圖

由圖3可以看出，電容電感元件具有一個(gè)共性：在相同的頻率間隔下，隨著頻率f的增大，分布于元件曲線y軸方向上的點(diǎn)越密集，也就是說越趨近于高頻，頻率發(fā)生變化時(shí)元件量變化越小，發(fā)射機(jī)的調(diào)諧步長越短。頻率越低，電路元件的電容/電感量越大，取邊界頻率3200kHz時(shí)， L1等于2.15μH，L2等于2.83μH，這個(gè)值也是發(fā)射機(jī)π-Γ網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中電感的最大值；C1約等于1182pF，C2約等于3598pF，參照圖1，可得知DF100A型發(fā)射機(jī)上C36、C37選用最大電容量650pF，C38、C39選用最大電容量2000 pF的真空可變電容即可滿足設(shè)計(jì)要求。

3.常見故障分析及穩(wěn)定措施

3.1 常見故障分析處理

DF100A型發(fā)射機(jī)屏極輸出π-Γ網(wǎng)絡(luò)在工作中流過的射頻電流較大，常有一些易發(fā)故障，分類討論如下。

3.1.1 π網(wǎng)絡(luò)電感接點(diǎn)打火

π網(wǎng)絡(luò)電感，在發(fā)射機(jī)上也稱為槽路。波段切換時(shí)，由短路棒短路掉電感不用的部分。電感短路棒上短路環(huán)接點(diǎn)打火，容易造成發(fā)射機(jī)調(diào)制器瞬間電流過大，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)頻繁發(fā)出“調(diào)制器過荷”報(bào)警。接點(diǎn)打火的原因，大部分是由于接觸不良，引起接觸簧片和電感短路棒之間打火，如果更換不及時(shí)，打火面積會(huì)越來越大，甚至?xí)龎恼麄€(gè)電感。因此，此類故障發(fā)生時(shí)，應(yīng)該及時(shí)檢查發(fā)射機(jī)，找出打火點(diǎn)，處理更換打火的器件。

平時(shí)維護(hù)中，應(yīng)注意觀察槽路電感短路環(huán)接點(diǎn)磨損情況，磨損嚴(yán)重影響接點(diǎn)接觸的，要及時(shí)更換，并保證短路環(huán)接點(diǎn)的清潔，上面有灰塵、油垢的，及時(shí)處理掉。

3.1.2 真空電容器打火

電容器打火分兩種情況，一種是電容內(nèi)部打火，一種是電容金屬體表面打火，形成原因有所不同，但都會(huì)引起發(fā)射機(jī)“高末陰流過荷”報(bào)警。

電容內(nèi)部打火，多由電容的真空度下降，造成電容兩端電位差較大時(shí)，極板之間拉弧，導(dǎo)致屏極電路瞬間電流過大，電子管陰流過大超過保護(hù)值，發(fā)射機(jī)出現(xiàn)“高末陰流過荷”報(bào)警。

電容金屬體表面打火，多由電路寄生振蕩引起。寄生振蕩信號功率較大時(shí)，電容金屬體部分對發(fā)射機(jī)機(jī)箱壁就近放電，引起電路瞬間電流過大，發(fā)射機(jī)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)在電容表面留下打火點(diǎn)。同時(shí)該類型故障，也容易造成Γ網(wǎng)絡(luò)電感，即發(fā)射機(jī)上的L13線圈打火，甚至燒壞。

日常維護(hù)中和故障處理中，針對前一種情況，應(yīng)注意電容器的使用壽命，接近使用壽命時(shí)間時(shí)，周期性進(jìn)行點(diǎn)溫測試，如果一只電容器比另外一只電容器溫度高出10℃左右，考慮更換下機(jī)；針對后一種情況，及時(shí)檢查測量防振電阻的阻值，如阻值跟設(shè)定值誤差過大需更換下機(jī)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)發(fā)射機(jī)運(yùn)行情況調(diào)整中和電容。

3.1.3 阻抗匹配不良

發(fā)射機(jī)調(diào)諧時(shí)，電感和電容是同調(diào)的，在初始安裝時(shí)，如果電容和電感的圈數(shù)調(diào)整不好，容易造成發(fā)射機(jī)末級輸出網(wǎng)絡(luò)阻抗失配。發(fā)射機(jī)瞬時(shí)駐波比過大，發(fā)射機(jī)頻繁出現(xiàn)“反射功率切斷”故障報(bào)警；L13電感上頻繁打火，造成發(fā)射機(jī)出現(xiàn)“高末陰流過荷”報(bào)警。

此類故障出現(xiàn)時(shí)，可適當(dāng)微調(diào)Γ網(wǎng)絡(luò)電容和電感（即L13和C38、C39）的同調(diào)位置，直到發(fā)射機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定為止，有條件時(shí)，也可使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量整條電路的阻抗值對并元件進(jìn)行調(diào)整，使其能夠良好匹配。

3.2 穩(wěn)定措施

由于發(fā)射機(jī)高末級是功率放大級，電壓電流均很大，因此發(fā)射機(jī)整機(jī)穩(wěn)定主要取決于高末級的穩(wěn)定，因此高末級采取了以下措施，保證了高末級的工作穩(wěn)定。

3.2.1 槽路線圈不用部分短路在零磁場

槽路電感L12（即π網(wǎng)絡(luò)電感），使用前棒、后棒和頂棒三根短路棒，把電感上不用的部分短路在零磁場內(nèi)，短路棒和電感均設(shè)計(jì)成中空，循環(huán)流水進(jìn)行降溫處理。

3.2.2 高頻振蕩的消除

由圖1可知π-Γ網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)并臂的電容，均使用兩只電容并聯(lián)的方式組成，由于真空電容波紋管的存在，并聯(lián)可變真空電容可能出現(xiàn)較高頻率的諧振，因此在兩個(gè)并聯(lián)電容的底部分別并聯(lián)了阻值為110Ω的R29//30、R31//32無感電阻作為防震電阻，以消除高頻振蕩，如圖4所示。

圖4 DF100A型發(fā)射機(jī)高末π-Γ網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定措施

3.2.3 槽路寄生諧振峰的消除

由π網(wǎng)絡(luò)電感產(chǎn)生的寄生諧振峰難以消除，因此在電感側(cè)面加裝了由C12、L1與電阻R33、R34并聯(lián)組成的LCR串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)用以消除此諧振峰，串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率設(shè)計(jì)為40MHz到50MHz，如圖4所示。

4.結(jié)語

π型網(wǎng)絡(luò)，由于其阻抗變換范圍寬、低Q值阻抗匹配和濾除高頻性能好等特點(diǎn)，從而廣泛應(yīng)用于大功率短波發(fā)射機(jī)的末級輸出網(wǎng)絡(luò)。DF100A型100kW短波發(fā)射機(jī)利用π-Γ級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，完成高末電子管輸出射頻信號的諧振、阻抗匹配，并一定程度上濾除二次、三次以上的高頻信號。熟悉其工作原理和計(jì)算方法，對于發(fā)射機(jī)維護(hù)具有重要的意義。

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