大功率中波天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試

魏亮華

摘要：文章主要針對(duì)200 kw以上大功率中波發(fā)射機(jī)天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)，介紹了利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的流程，并結(jié)合實(shí)際說(shuō)明測(cè)試與調(diào)整的方法。

關(guān)鍵詞：中波天線(xiàn)；匹配網(wǎng)絡(luò)；仿真

目前國(guó)內(nèi)有許多200 kW-1 200 kW的大功率中波發(fā)射機(jī)，所有發(fā)射機(jī)將信號(hào)傳輸?shù)教炀€(xiàn)，都需要經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗變換。阻抗匹配是為了保證信號(hào)或能量有效地從信號(hào)源傳送到負(fù)載，從而提升能源效益。天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣，直接影響到發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和播出效果。由于匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求高，需要考慮諸多因素，方案可選擇性多、計(jì)算量大。本文介紹利用計(jì)算機(jī)仿真軟件Smith和Multisim進(jìn)行天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)流程和實(shí)際調(diào)試方法，希望能提高效率。

1.天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)計(jì)流程

天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素，其中最重要的就是阻抗匹配、濾波和防雷電設(shè)計(jì)。天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，先把匹配網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)備好，如載波頻率、輸入阻抗、輸出阻抗、輸出功率等，再通過(guò)計(jì)算機(jī)Smith仿真軟件進(jìn)行初步模擬，列出幾個(gè)可選方案。為減少損耗，匹配網(wǎng)絡(luò)一般不用電阻網(wǎng)絡(luò)而選用電抗元件電感和電容；為防雷電，一般在匹配網(wǎng)絡(luò)中采用電容接地的方式。下一步通過(guò)Multisim軟件，對(duì)可選方案逐個(gè)進(jìn)行電路仿真分析，并模擬實(shí)際運(yùn)行效果，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的電流電壓值，計(jì)算阻抗匹配效果和濾波效果，通過(guò)仿真儀器得出理論測(cè)量值，選出最優(yōu)方案。如果第一輪設(shè)計(jì)方案都不夠理想，可以在第一輪方案基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，再對(duì)優(yōu)化方案逐一用Multisim軟件測(cè)試比較，產(chǎn)生一個(gè)比較滿(mǎn)意的設(shè)計(jì)方案。從理論上得出最優(yōu)方案后，再根據(jù)實(shí)際安裝后的效果，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀或阻抗電橋進(jìn)行測(cè)試與調(diào)整，最后根據(jù)發(fā)射機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況和廣播發(fā)射效果，進(jìn)行最終的微調(diào)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)要求。

2.計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)

舉一個(gè)典型的例子，如圖1所示，設(shè)計(jì)一個(gè)50Ω轉(zhuǎn)75Ω的天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)，載波頻率為1 000 kHz，輸出功率為600kW，在準(zhǔn)備好匹配網(wǎng)絡(luò)的己知參數(shù)后，就可以開(kāi)始計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)了。先用Smith軟件設(shè)計(jì)方案，再用Multisim仿真測(cè)試效果，比較得出最優(yōu)方案。

3.Smith軟件設(shè)計(jì)方案

史密斯圓圖以作圖方式解決傳輸線(xiàn)有關(guān)的計(jì)算問(wèn)題，Smith圓圖被廣泛地應(yīng)用于匹配電路的輔助設(shè)計(jì)和顯示測(cè)量的數(shù)據(jù)。Smith軟件的應(yīng)用使得設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便直觀(guān)，各種元器件都組件化模型化，通過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)，鼠標(biāo)選取組件，在圖形上選擇位置，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，是解決阻抗匹配、傳輸線(xiàn)問(wèn)題極為便捷的軟件。設(shè)計(jì)人員常用Smith阻抗圓圖進(jìn)行設(shè)譏最外圍單位圓為純電抗，實(shí)軸為純電阻，圓心為匹配點(diǎn)，圓圖上任何一點(diǎn)描述的是電阻和電抗的串聯(lián)，對(duì)應(yīng)著一個(gè)反射系數(shù)和一個(gè)歸一化阻抗z=r+jx，r為零表示短路點(diǎn)，r為無(wú)窮大表示開(kāi)路點(diǎn)，x為正數(shù)表示為感性，x為負(fù)數(shù)表示為容性。

匹配網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型一般選用r型網(wǎng)絡(luò)或π型網(wǎng)絡(luò)或r型網(wǎng)絡(luò)和π型網(wǎng)絡(luò)綜合應(yīng)用，通常由電容和電感兩類(lèi)無(wú)源元件構(gòu)成，可各做一個(gè)方案，盡可能把各種滿(mǎn)足條件的方案都列舉出來(lái)，再進(jìn)行性能測(cè)試比較。對(duì)于中波天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)，常采用窄帶設(shè)計(jì)原則，保證電路Q(chēng)值高。設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮實(shí)際元器件的參數(shù)范圍，并盡可能少用電感。電感的Q值比電容低許多，電感太大也不好加工安裝；單個(gè)真空電容可選范圍在500-2 000pF左右，容值太低性能不穩(wěn)定，容值太高性能不可靠，可以串聯(lián)分壓或并聯(lián)分流，通過(guò)增設(shè)可調(diào)電容，實(shí)際測(cè)試時(shí)可隨時(shí)調(diào)整；設(shè)計(jì)時(shí)都要兼顧考慮，元器件盡可能要少，方便安裝和調(diào)試。因此，使用Smith軟件設(shè)計(jì)阻抗從50Ω轉(zhuǎn)換到75Ω，有多種方式和路徑可選。在這里選用一種常見(jiàn)模型π型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示。阻抗從圓點(diǎn)DPI（50+jr）出發(fā)，先并一個(gè)800 pF電容后阻抗變換到TP2（47-j），再串聯(lián)一個(gè)7.6uH電感后阻抗變換到TP3（47+j36），最后并一個(gè)1600 pF電容實(shí)現(xiàn)阻抗匹配接近TP4（75+Jo），設(shè)計(jì)時(shí)阻抗有一點(diǎn)偏差也沒(méi)關(guān)系，最終匹配需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和調(diào)試。

4.Multisim仿真測(cè)試效果

可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim擁有強(qiáng)大的儀器儀表組件，如數(shù)字多用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)射器、示波器、邏輯分析儀、瓦特表、網(wǎng)絡(luò)分析儀等常用儀器庫(kù)，均可隨時(shí)便捷使用。按圖2所設(shè)計(jì)的電路，通過(guò)選取組件仿真元器件，搭建仿真電路，按F5運(yùn)行后，可以看到仿真測(cè)試的效果（見(jiàn)圖3）。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，電壓峰值都在20 kV以?xún)?nèi)，采用真空電容基本可以滿(mǎn)足要求。但通過(guò)電容C1的電流比通過(guò)C2的電流大一倍多，且峰值過(guò)大。因此，可以?xún)?yōu)化方案，調(diào)載電容C1改用一個(gè)1 000 pF的固定電容和一個(gè)1 000 pF的可調(diào)電容并聯(lián)，并把可調(diào)電容值預(yù)先調(diào)到600 pF的位置，這樣既實(shí)現(xiàn)了分流，又給調(diào)試留有了余地。通過(guò)不同電路的效果對(duì)比，可以選取綜合參數(shù)最佳的方案，仿真測(cè)試滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。

5.實(shí)際調(diào)試方法

程序仿真是非常理想的模型，仿真提供一個(gè)變化的趨勢(shì)和走向，所有天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際電路結(jié)果都存在一定的差異。仿真設(shè)計(jì)出最佳方案后，必須通過(guò)實(shí)際的測(cè)試才能確定方案的可行性。一般先進(jìn)行冷態(tài)測(cè)試，再進(jìn)行加電測(cè)試，最后是穩(wěn)定性測(cè)試和試運(yùn)行。

冷態(tài)測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)使用的儀器是南京普納科技公司的PNA3628D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和OIB-3型運(yùn)行阻抗電橋，儀器測(cè)試阻抗方法可以參照相應(yīng)儀器的使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。先測(cè)天線(xiàn)阻抗，再逐級(jí)連接匹配網(wǎng)絡(luò)測(cè)量調(diào)試。很多大功率中波發(fā)射機(jī)有多級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)，逐級(jí)使阻抗測(cè)試值接近理論設(shè)計(jì)值。調(diào)整時(shí)，一般先調(diào)電容，電容一圈大約20 pF，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)3～10圈，看阻抗變化趨勢(shì)，不行再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果變化不大，再調(diào)整電感，每次調(diào)整都要做好記錄。

冷態(tài)測(cè)試完畢后，在匹配網(wǎng)絡(luò)的高壓大電流節(jié)點(diǎn)貼60-100℃的溫度標(biāo)簽，有利于觀(guān)察溫度變化，檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性；檢查各項(xiàng)安全措施后，再加電測(cè)試。先低功率開(kāi)機(jī)，查看發(fā)射機(jī)輸出功率、反射功率、天線(xiàn)零點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)零點(diǎn)等運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，逐步加功率，并記錄各表值變化情況，最后去天線(xiàn)發(fā)射場(chǎng)區(qū)，測(cè)量天線(xiàn)正前方約1 km位置的場(chǎng)強(qiáng)，得出實(shí)際發(fā)射效果的測(cè)試數(shù)據(jù)。如圖3所示，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有參數(shù)偏離正常值時(shí)，就需要對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微調(diào)，一般是摸索性地調(diào)試，根據(jù)變化趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；常常需要進(jìn)行多次細(xì)微調(diào)整，比較后才能確定最佳調(diào)整狀態(tài)，使整套系統(tǒng)指標(biāo)良好。系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)一段時(shí)間不同外部環(huán)境的考驗(yàn)，通過(guò)發(fā)射機(jī)運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)和廣播發(fā)射效果，才能最終判定匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣。

6.結(jié)語(yǔ)

大功率中波天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和調(diào)試是一項(xiàng)綜合性工程，計(jì)算機(jī)仿真軟件使設(shè)計(jì)更加直觀(guān)方便高效。本文是筆者近幾年在實(shí)際工作中的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，不足之處還請(qǐng)大家批評(píng)指正。