中波三頻共塔網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張富強(qiáng)

(忻州中波轉(zhuǎn)播臺(tái)，山西 忻州 034000)

1 忻州中波臺(tái)發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀

忻州中波轉(zhuǎn)播臺(tái)原有540 kHz和1 269 kHz兩個(gè)頻率，共用邊寬0.5 m、高76 m的一座鐵塔發(fā)射“中國(guó)之聲”和“山西新聞綜合”兩套節(jié)目。2011年，省廣電局要求增加播出農(nóng)村廣播節(jié)目，發(fā)射頻率為1 008 kHz。由于忻州臺(tái)占地面積小，無(wú)法再立新塔，因此，需要設(shè)計(jì)三頻共塔來(lái)完成任務(wù)。

忻州臺(tái)三部發(fā)射機(jī)輸出饋線阻抗數(shù)值和利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的每個(gè)工作頻率的天線阻抗數(shù)值如表1所示。

表1 三部發(fā)射機(jī)的輸出饋線阻抗和天線阻抗

2 三頻共塔概念及模型

三頻共塔就是三個(gè)不同頻率共同使用一座鐵塔播出廣播節(jié)目，是一種安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的發(fā)射機(jī)運(yùn)行方式。三頻共塔實(shí)現(xiàn)模型方框圖如圖1所示。

圖1 三頻共塔實(shí)現(xiàn)模型方框圖

3 三頻共塔電容、電感數(shù)值確定

三頻共塔中每個(gè)發(fā)射頻率的天饋網(wǎng)絡(luò)均由匹配網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。以頻率540 kHz為例，發(fā)射機(jī)輸出饋線經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)阻塞網(wǎng)絡(luò)阻塞1 269 kHz和1 008 kHz兩個(gè)頻率信號(hào)后連接到鐵塔上，設(shè)計(jì)中根據(jù)天線阻抗及阻塞頻率先確定阻塞網(wǎng)絡(luò)，然后確定匹配網(wǎng)絡(luò)。下面以此頻率為例，來(lái)確定阻塞網(wǎng)絡(luò)的C2、L2、C3、L3以及匹配網(wǎng)絡(luò)的C4、L4、C5、L5。

3.1 阻塞網(wǎng)絡(luò)電容、電感值確定

3.1.1 阻塞網(wǎng)絡(luò)阻抗品質(zhì)因數(shù)Q1max和Z0的選取

阻塞網(wǎng)絡(luò)一般采用LC并聯(lián)諧振電路，串接在本頻的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)里，對(duì)他頻進(jìn)行阻塞，由于并聯(lián)諧振電路在諧振頻率附近的等效阻抗很大，把并聯(lián)諧振電路串接在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的串臂上，使諧振頻率等于需要抑制的高頻回饋頻率，他頻信號(hào)就被并聯(lián)諧振的高阻抗阻止，不能通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和饋線進(jìn)入本頻發(fā)射機(jī)。

阻塞網(wǎng)絡(luò)阻抗品質(zhì)因數(shù)Q1max的大小，一般整定為40～100。品質(zhì)因數(shù)Q1max越大，諧振曲線的頂部越尖銳，選擇性越好。但是，Q1max太大會(huì)使阻塞帶變窄，造成阻塞載頻效果好而阻塞上下邊帶效果差；Q1max值太低，對(duì)阻塞頻率和上下邊頻帶的阻塞都不夠，對(duì)工作頻率的發(fā)射機(jī)帶來(lái)干擾。

阻塞網(wǎng)絡(luò)阻抗Z0在載頻和9 kHz邊頻帶阻塞網(wǎng)絡(luò)的阻抗都要在5 kΩ以上。根據(jù)有關(guān)資料和實(shí)踐證明，若阻塞阻抗Z0對(duì)其邊帶呈現(xiàn)的阻抗在5 kΩ以上時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)交叉調(diào)制和特性變壞等問(wèn)題。

3.1.2 確定阻塞網(wǎng)絡(luò)電容C和電感L的數(shù)值

先確定阻塞網(wǎng)絡(luò)的電容C值，然后根據(jù)諧振條件確定L值。

得：

(1)

同理，可求得1 269阻塞網(wǎng)絡(luò)的電容C3和電感L3分別為2 000 P和7.82 μH。

3.1.3 計(jì)算阻塞網(wǎng)絡(luò)對(duì)工作頻率呈現(xiàn)的電抗值

同理可得：1 269 kHz阻塞網(wǎng)絡(luò)對(duì)540 kHz的電抗值：XL=j32.3 Ω

則如圖6得：ZA1點(diǎn)阻抗=Za1阻抗+j39.5 Ω=13.5-j201 Ω+j39.5 Ω=13.5-j161.5 Ω

ZB1點(diǎn)阻抗=ZA1阻抗+j32.3 Ω=13.5-161.5+j32.3 Ω=13.5-j129.2 Ω

3.2 計(jì)算匹配網(wǎng)絡(luò)

г型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易達(dá)到天線實(shí)部電阻調(diào)配和抵消虛部電抗，是天線常用的匹配電路。當(dāng)天線實(shí)部Ra

(2)

當(dāng)天線實(shí)部Ra>Zc時(shí)，選用倒г型，倒г型網(wǎng)絡(luò)公式為：

(3)

3.2.1 計(jì)算г型匹配網(wǎng)絡(luò)

1) 確定г型匹配網(wǎng)絡(luò)電容、電感值

因?yàn)樘炀€實(shí)部為13.5 Ω<75 Ω,選用正г型網(wǎng)絡(luò)公式計(jì)算，其中Xa為-129.2 Ω，Ra為13.5 Ω，Zc為75 Ω，帶入公式(2)得：

(4)

(5)

若選擇X1為電感，X2為電容，取X1根號(hào)上邊的“+”號(hào)為+157.8 Ω，取X2根號(hào)上邊“-”號(hào)為-35.1 Ω組成正г型匹配網(wǎng)絡(luò)，則有：

(6)

(7)

選取L4為46.53 μH，C4實(shí)際中選取8000P。

2) 計(jì)算г型匹配對(duì)工作頻率呈現(xiàn)的電抗值

圖2 正г型匹配電路

對(duì)感抗j28.8進(jìn)行串化并，根據(jù)串化并公式：

R串化并=R(1+Q2)X串化并=X(1+Q2)/Q2.

(8)

Q值為串聯(lián)回路的Q值，設(shè)為Q2，Q2=X/R，X為28.8 Ω，R為13.5 Ω，帶入公式(8)可求得：

R串化并為74.9 Ω，XL串化并為j35.1 Ω，

根據(jù)并聯(lián)電路電抗的倒數(shù)等于每個(gè)支路電抗的倒數(shù)之和，可求得-j36.86 Ω與j35.1 Ω并聯(lián)后電抗X為j769 Ω。(呈感性)

圖3 天線阻抗串化并

把并聯(lián)回路的感抗j769再化為串聯(lián)，根據(jù)并化串公式：

R并化串=R并/(1+Q2)X并化串=X并Q2/(1+Q2).

(9)

Q值為并聯(lián)回路的Q值，設(shè)為Q3，Q3=R并/X并，R并為74.9 Ω，X并為769 Ω，帶入公式(9)可得R并化串為74.3 Ω，X并化串為6.9 Ω。如圖4。

則如圖6：ZD1電抗為74.3+j6.9 Ω。

圖4 天線阻抗并化串

3.2.2 設(shè)計(jì)串聯(lián)匹配電路

為了達(dá)到匹配，需要設(shè)計(jì)L5、C5，抵消感抗j6.9 Ω，如圖5，回路在頻率540 kHz上發(fā)生諧振。

圖5 串聯(lián)匹配電路圖

1) 串聯(lián)回路Q(chēng)值的確定

并聯(lián)時(shí)LC網(wǎng)絡(luò)的電抗值較大，其等效損耗電阻r可忽略?？墒窃O(shè)計(jì)串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮損耗電阻r，r值要求盡量趨于0，但太小將造成Q值太大。在此次設(shè)計(jì)中，為了和饋線匹配，要求L5C5的等效損耗電阻設(shè)為r=75 Ω-74.3 Ω=0.7 Ω。

2) 確定串聯(lián)電路的L、C值

設(shè)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)Q4值為80，r=0.7 Ω。根據(jù)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)公式C=1/ωQ4r得：

(10)

.

(11)

3) 計(jì)算串聯(lián)對(duì)工作頻率呈現(xiàn)的電抗值

根據(jù)以上計(jì)算XC5為-j54.6 Ω，XL5為j47.7 Ω。損耗電阻r為0.7 Ω。

ZE1點(diǎn)的電抗為74.3 Ω+j6.9 Ω+0.7 Ω+54.6 Ω+j47.7 Ω=75 Ω。即完成阻抗匹配設(shè)計(jì)。

3.3 其余匹配網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)電容、電感值的確定

根據(jù)以上公式分別確定1 269 kHz、1 008 kHz匹配網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)的電容、電感值。最終實(shí)現(xiàn)三頻共塔網(wǎng)絡(luò)電原理圖如圖6所示。電抗值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 三頻共塔設(shè)計(jì)各點(diǎn)的阻抗值

3.4 預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

1 008 kHz和1 269 kHz雙頻共塔時(shí)，需要考慮預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)L0、C0，理論證明，當(dāng)共塔工作的兩個(gè)頻率的輸入阻抗值相等時(shí)，兩個(gè)阻塞網(wǎng)絡(luò)的視在功率最小。設(shè)計(jì)中使L0、C0諧振于兩個(gè)頻率的任一頻率，由于并聯(lián)諧振阻抗無(wú)窮大，對(duì)諧振的頻率一路影響不考慮，然后只考慮另一路。例如使L0、C0諧振于1 008 kHz，對(duì)1 008 kHz相當(dāng)于開(kāi)路。根據(jù)L0、C0諧振于1 008 kHz，同時(shí)使1 269 kHz在ZA3的輸入阻抗趨于81 Ω來(lái)確定L0、C0數(shù)值。

圖6 三頻共塔網(wǎng)絡(luò)電原理圖

4 調(diào)試

設(shè)計(jì)出阻塞網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)電抗元件后，根據(jù)實(shí)際情況，考慮高頻分布參數(shù)的影響，合理布局安裝完成后進(jìn)行調(diào)試。第一步，用網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)表二數(shù)值，從天線端逐步向前調(diào)整，使發(fā)射機(jī)和天調(diào)網(wǎng)絡(luò)匹配；第二步，開(kāi)啟任一部發(fā)射機(jī)，同時(shí)開(kāi)啟另外兩部機(jī)的任一部，從發(fā)射機(jī)的顯示屏或反射功率表上檢測(cè)反射功率的大小，調(diào)節(jié)阻塞網(wǎng)絡(luò)，使反射功率最小；第三步，由于第二步對(duì)阻塞網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，使得匹配網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值發(fā)生了變化，重新微調(diào)輸入阻抗，使匹配最好。經(jīng)過(guò)認(rèn)真調(diào)試后，三部機(jī)同時(shí)開(kāi)啟。經(jīng)對(duì)三頻共塔的三部發(fā)射機(jī)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，全部技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到甲級(jí)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

忻州中波轉(zhuǎn)播臺(tái)三頻共塔天調(diào)網(wǎng)絡(luò)從2011年調(diào)試后一直使用至今，三部發(fā)射機(jī)均達(dá)到滿時(shí)間、滿功率、滿調(diào)制度的“三滿”播出效果。