仿真軟件在中波八塔天線阻抗調試中的輔助應用

陳志

摘要：使用射頻仿真軟件Multisim和Smith圓圖對中波八塔天線調試中Γ網絡匹配、雙T移相網絡調試、行波指示器設計的改進進行了仿真，直觀地表現(xiàn)了電路的技術特性，提升了調試工作的效率。

關鍵詞：中波八塔天線；Γ網絡；雙T移相網絡；行波指示器；Multisim仿真

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）07-0195-03

1 引言

中波八塔天線是中波多塔天線中的一種，主要應用于對播出覆蓋方向有特定需求的中波廣播，具有相對于接地短天線增益高，半功率角小的特點，可實現(xiàn)將播出功率集中于某一個方向進行大功率遠距離播出。八塔天線由四個發(fā)射塔和四個無源反射塔組成，其發(fā)射塔之間、反射塔之間的距離等于或略大于二分之一波長，發(fā)射塔與反射塔之間的距離等于或略大于四分之一波長。如果改變送到每個發(fā)射塔上電流的相位，八塔天線還可以實現(xiàn)偏向發(fā)射，其饋電連接見圖1所示。

圖中下部為主調室，主饋線為37.5Ω與發(fā)射機房相連，75Ω分饋線從主調室分別連接至分調一二和分調三四之間，通過斜連接后分為兩段，與150Ω支饋線和四個調配室連接。每個調配室內都安裝有用于匹配的調配網絡，使用多方向播出時，還需要在必要的鏈路中安裝移相網絡。中波八塔天線的阻抗匹配調整、移相網絡調整是調試環(huán)節(jié)當中的重要工作，也是調試工程量最大的部分，本文通過在實踐工作中使用計算機仿真軟件協(xié)助調試人員更準確快速的完成調試工作取得了較好的效果。

2 Smith圓圖在八塔天線阻抗匹配中的應用

Smith圓圖軟件是用于射頻仿真中最常用的工具軟件，史密斯圓圖本身是用于求解均勻傳輸線有關阻抗計算和阻抗匹配問題的一類曲線坐標圖，使用歸一化阻抗或導納的實部和虛部的等值線簇與反射系數(shù)的模和輻角的等值線簇來構成兩組坐標線，所有這些等值線都是圓或圓孤，故稱其為阻抗圓圖或導納圓圖，將它們重疊在一起構成了史密斯圓圖。為了更好地發(fā)揮史密斯圓圖在RF領域的作用，瑞士的F.Dellsperger教授把它制作成了史密斯圓圖軟件。該軟件省略了復雜的人工計算，通過人機交互式界面對原理圖進行編輯與設計，實現(xiàn)參數(shù)計算、電路模擬仿真與分析，另外軟件還將各種匹配電路、衰減器、濾波器等RF常用的電路模塊嵌入到該軟件中，通過計算機的鍵盤或鼠標輸入設計參數(shù)，該軟件即可進行模擬仿真分析[5]。

中波八塔天線發(fā)射塔由于設計功率很大，常使用低特性阻抗天線，通過查找波長與阻抗值得圖形可以得知其特性阻抗在45到100Ω之間，由圖一可知，連接到分調室的饋線其特性阻抗為150Ω，根據(jù)Γ網絡使用的特點可知，可以選用正Γ網絡，以實際工程中使用運行阻抗電橋在1.2MHz時的測試值65-j35為例，打開Smith圓圖軟件點擊Extras進入下拉菜單點擊settings，在Default Z0框內填入150，單位選Ω，在Default frequency內填入1.2，單位為MHz，此時阻抗變換的起始點在Smith圓圖內標記為DP1點，在正Γ網絡串臂選擇電感，從DP1點產生一個深藍色的曲線連接至與大圓中心相切的藍色圓相交到達DP2點，此時選擇并臂電容，從DP2點產生一個深藍色的曲線連接至大圓中心到達150Ω完成匹配，此時電感值為14.5μH，電容值為1nF，阻抗變換后得阻抗值為149.2-j0.4，基本達到了變換的目的，其變換過程見圖2所示。

我們可以使用常用的計算方法來驗證電感與電容的值是否正確，

由計算結果可以看出，仿真結果與計算結果一致，說明仿真結果正確。

在實際調整過程中，Smith圓圖不僅僅用來計算這個元件值，其圖形的變化過程對于工程技術人員的調整有著重要的指導價值，通過調整元器件的大小使用測試儀器可以測試得到結果，其結果與150Ω的理想結果相比往往存在四種情況，我們習慣上稱為四象限法，以150Ω為坐標中心，測試結果位于第一象限時，實部虛部均大于理想值，測試結果呈現(xiàn)感性，測試結果位于第二象限時，實部小于理想值，虛部大于理想值呈現(xiàn)感性，測試結果位于第三象限時，實部虛部均小于理想值，測試結果呈現(xiàn)容性，測試結果位于第四象限時，實部大于理想值，虛部小于理想值呈現(xiàn)容性，對待這四種測試結果，其對應的調整方法為：測試結果位于第一象限時，減小電感增加電容；測試結果位于第二象限時，增加電感增加電容；測試結果位于第三象限時，增加電感減小電容；測試結果位于第四象限時，減小電感減小電容；通過這四種調整方法測試結果會逐步趨近于理想結果，在測試結果距離坐標原點越來越近時，往往微調一個元器件即可達到理想值。使用軟件仿真結果的幫助可大大提高調整的效率，減少不必要的時間浪費。

3 Multisim對雙T移相網絡的仿真

3.1雙T移相網絡

為了實現(xiàn)八塔的偏向發(fā)射，在主調室和分調室內都安裝有移相網絡，其設計思路就是每個發(fā)射塔之間的電流相位均相差一個固定的值，這樣可以實現(xiàn)將功率集中在某個偏向角度發(fā)射，達到特殊的覆蓋要求，每個移相網絡的移相角度根據(jù)需要偏移的角度和發(fā)射塔之間的間距以及發(fā)射塔與反射塔之間的間距計算得來，以1.2MHz為例，發(fā)射塔間距132米，偏向發(fā)射20度時，可計算出移相網絡需要移的相位是65.0111888433431度，也可以計算出雙T網絡元件值，其主調室兩個移相網絡，每個移相網絡使用雙T網絡實現(xiàn)，每個電感是2.89986661085187uH，電容容量為950.299939287993pF，分調室有一個雙T移相網絡，每個電感是5.79973322170375uH，電容容量為475.149969643996pF，計算出元件值后我們可以通過Multisim軟件進行仿真以驗證計算結果是否正確。

3.2Multisim仿真雙T網絡結果

使用Multisim軟件仿真電路如圖3所示。

從結果中可以看到，在1.2MHz時移相角度為64.978，阻抗值得模為0.999與計算結果基本一致。

3.3對雙T網絡的測量和調整

有了具體的元器件值，在實際調整過程中對雙T移相網絡使用安捷倫網絡分析儀進行測試，在分調室內的移相網絡，其技術要求是終端接150歐標阻時，從網絡的入端測試也是150歐，其移相角度為正反向均為65.01度。

工程中為了節(jié)省投入，有時會使用一個電感通過抽頭的方式實現(xiàn)雙T網絡中的四個電感，由于電感之間存在互感，在實際調試中難度是相當大的，對于一個已知的測試結果，阻抗值偏離理想值或者移相角度偏離理想值，需要調整六個元器件當中的哪一個是工程技術人員非常棘手的問題，調整好一個雙T網絡需要四個工作日甚至更長的時間，通過使用Multisim仿真軟件可以大大提高調整的效率，在圖三中，其元器件的值比計算值大一倍，將增量設置為以50%為基礎按照1%變化，通過快捷鍵可修改不同的元器件按照1%變化，可以得到多個結果，將結果按照1%、3%、5%變化的結果記錄成表，再將儀器測試結果與仿真結果進行比對，可以得知是哪個元器件偏離理想值最遠，通過反復調整，可將雙T移相網絡調整到接近理想值，使用此方法可將調試時間由四個工作日縮短到一個工作日甚至半個工作日，大大提高了調整的效率。

4 Multisim對行波指示器電路的仿真及改進

行波系數(shù)對于中波饋線是個重要的指標，在射頻領域多以駐波比表示，典型的駐波比要求低于1.2，即行波系數(shù)必須高于0.83，駐波比全稱為電壓駐波比，指駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比，又稱為駐波系數(shù)、駐波比。駐波比等于1時，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時高頻能量全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗，在中波饋線的行波測量當中常使用自制的行波系數(shù)測量儀，測量時，將測量端的鉤子掛在饋線的芯線（高電位端），將接地鉤掛在饋線的外圈導線上，讀取表讀數(shù)，用此儀器沿著饋線每隔一相等距離（如0.02λ～0.05λ）測一數(shù)值，取電流最大值max及最小值min，兩者數(shù)值之比min/max即為饋線的行波系數(shù)[1]。

行波系數(shù)測量儀有時又稱為行波指示器，其典型電路圖如圖5所示。

圖5 行波指示器典型電路

在工程中由于沒有100μA的熱偶表頭，只有1mA的表頭，分壓電容只有100pF瓷片電容，則需要對參考圖進行改進，根據(jù)表頭的變化可以得到其檢波后的電流需要增加，且其增加的倍數(shù)為原電路的10倍左右，修改后的電路要保證不能燒毀電阻R，如果按照計算數(shù)據(jù)進行更換元器件，需要進行多次的替換，使用Multisim仿真軟件可快速完成電路的基本功能仿真及調整，將取樣電流限制在500至750μA的范圍，盡量使電流表顯示在表頭的三分之一到三分之二之間以保證顯示精度，從而縮短了制作行波指示器的時間，在仿真中將饋線上拾取的電壓進行一個估算，發(fā)射機輸出10kW射頻功率在37.5饋線形成的射頻電壓在

[U=10000×37.5 =612.37V]

為方便計算取700V作為仿真信號源，通過調試元器件得到如圖6所示。

經過改進后的行波指示器在實際測試中數(shù)據(jù)在0.47到0.67之間，滿足測試的需要。

5 結束語

本文通過Smith圓圖仿真對正Γ網絡元件調整的方法進行了探討，使用Multisim仿真軟件對八塔天線雙T移相網絡的調整方法進行總結和歸納，對行波指示器的電路通過仿真軟件進行改進，仿真技術在工程中的輔助應用取得了良好的效果。計算機仿真技術在工程領域的普及應用，大大減小了工程技術人員在網絡調試當中復雜的計算量，同時也提高了工作效率，是工程技術人員應該學習和借鑒的良好工具。

參考文獻：

[1] 張學田.廣播電視技術手冊（第6分冊）：發(fā)射技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[2] 廣播電視發(fā)送與傳輸維護手冊（第十一分冊）天饋線維護[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000. [3] 李斌.周衛(wèi)華 中波四塔、八塔定向天線調試方法.《廣播與電視技術》

[4] 周潤景，托亞，王亮.Multsim和LavVIEW電路與虛擬儀器設計技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[5] 胡曉波，肖運虹.史密斯圓圖及軟件在RF設計中的應用[J].江漢大學學報（自然科學版），2006（12）.