兩頻共饋共塔網(wǎng)絡(luò)的分析與設(shè)計

張雅靜

(忻州中波轉(zhuǎn)播臺，山西 忻州 034000)

多頻共饋共塔已經(jīng)是一個技術(shù)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域，本文主要是研究分析兩頻共饋共塔的匹配網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)時進(jìn)行理論設(shè)計。

1 匹配網(wǎng)絡(luò)的分析

由于鐵塔天線造價高而投資大，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多頻共饋共塔的應(yīng)用技術(shù)，阻塞網(wǎng)絡(luò)在許多書籍中多有介紹。這里不再重述，只是著重介紹兩頻共饋共塔的匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖1示出了兩頻共饋共塔網(wǎng)絡(luò)的方框圖。

設(shè)f1和f2分別為兩個工作頻率，且f2>f1。

圖1 兩頻共饋共塔網(wǎng)絡(luò)方框圖

我們知道工作頻率不同，天線的輸入阻抗不同，因而連接天線和饋線的匹配網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)也就不同。為了把兩個不同頻率的天線輸入阻抗通過一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成一個特定的饋線特性阻抗，顯然不能使用與單頻匹配網(wǎng)絡(luò)完全相同的網(wǎng)絡(luò)元件，而必須使用電抗值隨頻率變化的網(wǎng)絡(luò)元件，這里介紹由并聯(lián)回路代替匹配網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)臂電抗和并聯(lián)臂電抗匹配網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)的確定。

設(shè)天線輸入阻抗中的電阻分量Ra小于饋線特性阻抗Zc，則匹配網(wǎng)絡(luò)形式如圖2所示。

圖2 匹配網(wǎng)絡(luò)形式

在圖2(b)中，設(shè)X1為L1，c1并聯(lián)后的阻抗，X2為L2，C2并聯(lián)后的阻抗，則有

(1)

(2)

對于頻率f2，天線阻抗Za1=Ra1+jXa1匹配時的X1為X11，X2為X21；對于頻率f2，天線阻抗為Za2=Ra2+jXa2匹配時的X1為X12，X2為X22。

由式(1)在對頻率f1匹配時：

(3)

在對頻率f2匹配時：

(4)

讓式(3)與(4)相等得：

(5)

將式(5)代入(3)得：

(6)

由式(5)與(6)可以看出，要使L1與C1為正值，在ω2>ω1時，必須要滿足下列條件。

1) 當(dāng)X11、X12同為正值(即呈感性)時，必須滿足X12ω1>X11ω2。

3) 當(dāng)X11為正值(即呈感性)，X12為負(fù)值(即呈容性)時，X11、X12可為任意值。

4) 當(dāng)X11為負(fù)值(即呈容性)，X12為正值(即呈感性)時，X11、X12不可為任意值。

L2、C2并聯(lián)回路的求解與分析與上述完全相同(從略)。

上述分析也完全適用于Ra>Zc和Ra=Zc的初始條件。

2 匹配網(wǎng)絡(luò)計算舉例

已知：f1=801 kHz，f2=1 048 kHz，za1=43-j3.8(Ω)，za2=95+j116.6(Ω)，zc=230 Ω，求匹配網(wǎng)絡(luò)各元件參數(shù)值。

因za1和za2中的電阻分量都小于Zc，所以網(wǎng)絡(luò)采用T型匹配形式。如圖2。

對于801 kHz，匹配時：

(7)

=93.47 Ω

(8)

對于1 048 kHz，匹配時：

(9)

=3.3 Ω

(10)

由上面的計算可知，匹配時并聯(lián)臂電抗X1在801 kHz時為，X11=110.3 Ω，在1 048 kHz時為X12=-192.9 Ω，頻率升高容抗變大，這顯然不能用單純并聯(lián)回路來滿足，需要使用如圖3所示的并串回路。而對此串聯(lián)臂電抗X2，在801 kHz時為X21=93.47 Ω，在1 048 kHz時為X22=-3.3 Ω，為使網(wǎng)絡(luò)留有一定的調(diào)節(jié)余地，X22可認(rèn)為在O值附近變化。而在X22>0時，X21和X22均為正值，在ω2>ω1的情況下，ω1X22<ω2X21，這不能滿足L1、C2為正值的要求，因此，不能用單純的并聯(lián)電路作為τ型匹配網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)臂。也需使用圖3所示的串并聯(lián)電路做串聯(lián)臂。

2.1 求電抗X1所含各元件參數(shù)值

在圖3中，取C1=1 000 PF，則

圖3 并串-串并回路電路圖

=199 Ω

(11)

=151.7 Ω

(12)

(13)

(14)

整理后得：

(15)

(16)

整理后得：

(17)

由C1的兩個等式得到：

(18)

L1=2.8 μH

(19)

2.2 求電抗X2所含各元件參數(shù)值

在圖(3)中，取C2=1 000PF，則

=22.9 μH

(20)

對于801 kHz

(21)

又由前面計算知X21=93.47 Ω

(22)

≈8.8 μH

(23)

2.3 匹配網(wǎng)絡(luò)各元件上的電壓、電流和功率

兩頻共饋共塔匹配網(wǎng)絡(luò)各元件電壓、電流和功率的計算相對來說比較復(fù)雜。首先必須畫出每個頻率的等效匹配網(wǎng)絡(luò)、然后計算出等效網(wǎng)絡(luò)中X1和X2的電壓、電流值，最后計算出X1與X2中所含各元件的電壓、電流和功率值。

由于共塔兩部發(fā)射機(jī)輸出功率不一定相等，并且兩個頻率等效匹配網(wǎng)絡(luò)各電抗數(shù)值有時相差甚大，故在一般情況下，匹配網(wǎng)絡(luò)電壓、電流和功率的計算要在兩個頻率上分別進(jìn)行。以較大者來考慮元件承受量，作為元件選取和元件設(shè)計乃至網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以下是上述兩頻共饋共塔匹配網(wǎng)絡(luò)每個頻率的等效匹配網(wǎng)絡(luò)及各元件上的電壓，電流和功率值(計算過程從略)。

1)f1=801 kHz

f1=801 kHz時，圖3匹配網(wǎng)絡(luò)可等效化為圖4(a)形式。其中X1網(wǎng)絡(luò)示于圖4(b)，X2網(wǎng)絡(luò)示于圖4(c)。

圖4 f1=801 kHz時，匹配網(wǎng)絡(luò)等效圖

設(shè)f1發(fā)射機(jī)輸出功率為P1=10 kW則有：

當(dāng)m=0時：

U1=2 145 V(峰)I1=138 A

UL1=1 738 V(峰)IL1=87.8 A

U2=2 015 V(峰)I2=15.25 A

UL2=2 769 V(峰)IL2=17 A

Uc2=754 V(峰)Ua=931 A(峰)

Pa=10 kW

當(dāng)m=1時，

UL1m=3 467 V(峰)Ic1m=90.6 A

IL1m=107.5 A

Uam=1 862 V(峰)Iam=18.7 A

Pam=15 kW

2)f2=1 048 kHz

f2=1 048 kHz時，圖3的匹配網(wǎng)絡(luò)可等效化為圖5(a)的形式。其中X1網(wǎng)絡(luò)示意圖5(b)，X2網(wǎng)絡(luò)示意圖5(c)。

圖5 f2=1 048 kHz時，匹配網(wǎng)絡(luò)等效圖

設(shè)f2發(fā)射機(jī)輸出功率為P2=10 kW，網(wǎng)絡(luò)各元電壓，電流和功率，根據(jù)圖5(a)，(b)，(c)(計算過程從略)得：

當(dāng)m=0時

U1=2 145 V(峰)I1=7.9 A

UL1=447 V(峰)IL1=17.2 A

U2=34 V(峰)I2=10.26 A

UL2=7 259 V(峰)

Uc2=7 308 V(峰)

Ua=2 182 V(峰)Pa=10 kW

當(dāng)m=1時，

UL1m=894 V(峰)Ic1m=30.5 A

Uc2m=14.6 kV(峰)IL1m=21.1 A

UL2m=14.5 kV(峰)IL2m=41.6 A

Uam=4 364 V(峰)Iam=12.6 A

Pam=15 kW

3 總結(jié)

本文較詳細(xì)地介紹、分析了兩頻共饋共塔的匹配網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問題，并成功實(shí)現(xiàn)了匹配網(wǎng)絡(luò)的理論設(shè)計目標(biāo)，從而為兩頻共饋共塔網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計提供了支撐和基礎(chǔ)，具體元件參數(shù)在安裝，調(diào)試中還需根據(jù)分布參數(shù)條件調(diào)整，以達(dá)到預(yù)期的效果。