中波廣播雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡的設(shè)計與實現(xiàn)

云南省廣播電視局臨滄699臺 羅春美

10kW中波廣播雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡是發(fā)射機的重要組成部分之一，對于節(jié)目質(zhì)量、安全播出和提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性具有重要意義。本文通過科學合理的網(wǎng)絡設(shè)計與參數(shù)選取，采用預調(diào)網(wǎng)絡平衡阻抗的差異性，阻塞網(wǎng)絡降低共頻的串擾，T型網(wǎng)絡實現(xiàn)天線阻抗的適配，用科學方法實現(xiàn)網(wǎng)絡設(shè)計并滿足設(shè)計標準，對實現(xiàn)中波發(fā)射臺雙頻共塔天線調(diào)配網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行具有借鑒意義。

中波廣播發(fā)射站的核心組成主要包括：主/備電源供電、發(fā)射機、雙頻共塔天線以及相關(guān)智能監(jiān)控設(shè)備等。為真正實現(xiàn)電視節(jié)目播出的實時性、穩(wěn)定性與可靠性，滿足接收端用戶對于節(jié)目安全播出的“零容錯”目標，通過雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡設(shè)計以及信號處理算法的應用，已基本實現(xiàn)了信號終端-發(fā)射機-天線之間的高效運行方案，能夠在滿足實時性要求的同時，確保系統(tǒng)運行的可靠性，避免節(jié)目播出事故的發(fā)生。

現(xiàn)階段，作為中波發(fā)射站“最后一公里”關(guān)鍵環(huán)節(jié)的廣播雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡設(shè)計問題一直困擾著技術(shù)人員與從業(yè)人員?？紤]到現(xiàn)實中的雙頻共塔天線距離機房距離較遠，一旦出現(xiàn)問題很難在第一時間解決處理，且現(xiàn)階段基于智能化網(wǎng)絡監(jiān)測與響應處置功能并沒有完全實現(xiàn)，可能會造成系統(tǒng)運行隱患。因此，如何通過網(wǎng)絡設(shè)計和方案建設(shè)，對現(xiàn)行的P=10kW雙頻共塔天線網(wǎng)絡進行匹配調(diào)試與功能測試是值得研究和重點關(guān)注的問題。從經(jīng)濟最優(yōu)角度出發(fā)，結(jié)合科學計算理論，實現(xiàn)共塔天線匹配網(wǎng)絡設(shè)計與實現(xiàn)，能夠降低因外在環(huán)境因素和內(nèi)在機制問題造成的故障檢測、智能排障等問題，提升發(fā)射站整體的運行安全性和穩(wěn)定性?；诖?，本文從雙線匹配網(wǎng)絡基本原理與設(shè)計思路出發(fā)，研究系統(tǒng)設(shè)計與項目實現(xiàn)的方案，重點突出組織實施的科學性和有效性。

1 雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡的設(shè)計

1.1 基本原理

從技術(shù)實現(xiàn)和工程實踐角度看，目前中波發(fā)射臺設(shè)計雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡主要涉及到的是設(shè)計方案和網(wǎng)絡參數(shù)取值等問題。匹配網(wǎng)絡原理如圖1所示，上下兩路f1、f2信號傳輸通道。以f2為例，其中L01、C01為整個體系設(shè)計中的預調(diào)網(wǎng)絡，其能夠為匹配網(wǎng)絡的工作信號進行預處理。L13、C13則為阻塞網(wǎng)絡（f諧振=576KHz），用來針對傳輸頻率呈現(xiàn)阻抗。無論從d1還是d2觀察整個信號傳輸通道，能夠有效組成T型網(wǎng)絡模式。

圖1 中波廣播雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡的基本原理框圖

1.2 設(shè)計思路

雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡功能發(fā)揮的關(guān)鍵在于能否將發(fā)射機輸出的高頻信號以最大功率模式匹配網(wǎng)絡并傳輸?shù)教炀€，現(xiàn)階段制約信號適配的難點在于工作頻率的特性阻抗不能夠轉(zhuǎn)化為對應的饋線阻抗，無法真正實現(xiàn)匹配。通常情況下，一般饋線的阻抗選擇50Ω（SDY-50-37-3），此時需要將發(fā)射端天線的阻抗經(jīng)匹配網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換為目標阻抗50Ω。考慮到雙頻共塔的實際情況，對于上下兩路f1、f2信號頻率間隔提出的基本要求，對不同的信號頻率會出現(xiàn)反差較大的阻抗，破壞了整體網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性?；诖?，需要在前端預設(shè)系統(tǒng)預調(diào)網(wǎng)絡來平衡分級阻抗的差異性，進而降低匹配難度，并通過添加LC并聯(lián)諧振阻塞網(wǎng)絡解決可能存在的串擾問題。值得注意的是，根據(jù)建設(shè)標準相關(guān)文件《中、短波廣播發(fā)射臺設(shè)計規(guī)范》中對于天線配置提出的要求，明確這個匹配網(wǎng)絡的備份已經(jīng)預留相關(guān)接口，以便于后期設(shè)計智能切換系統(tǒng)使用。該方案設(shè)計的建設(shè)項目簡單易實施，可維護性強，即使在系統(tǒng)運行中出現(xiàn)點位故障或系統(tǒng)癱瘓等情況時，也可以迅速完成網(wǎng)絡切換和功能備用，從而降低節(jié)目播出的事故率。

2 雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡的實現(xiàn)

在設(shè)計雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡過程中，網(wǎng)絡參數(shù)設(shè)置需嚴格與天線的阻尼系數(shù)適配，系統(tǒng)兼容性與寬通性要滿足規(guī)范；要考慮發(fā)射頻率間的串擾以及系統(tǒng)內(nèi)部自擾影響，應積極通過電子線路設(shè)計來優(yōu)化；匹配網(wǎng)絡及相關(guān)網(wǎng)絡組件應當通過科學計算來選擇參數(shù)，以保證網(wǎng)絡運行的可靠性。首先，中波雙頻的發(fā)射頻率f1=1359kHz、f2=576KHz，其頻率間隔基本滿足設(shè)計要求，即滿足f1/f2≥1.25，能較好地滿足雙頻共塔的發(fā)射條件。

2.1 匹配網(wǎng)絡設(shè)計標準

（1）Q≤ 3。為了保持網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定可靠，技術(shù)參數(shù)的選取必須結(jié)合實際條件，即需要考慮中波固態(tài)發(fā)射機要求的Q值不大于3。較小的Q值能夠使得網(wǎng)絡更容易匹配天線阻抗，且降低了對環(huán)境因素的要求。

（2）三維布局。建設(shè)安裝時，應當采取三維或者多維的布局模式，能夠有效降低所使用的電子元器件（電感線圈和電容器等）線圈間的互擾。

（3）防雷電?？紤]到發(fā)射天線架設(shè)較高，雙頻共塔天線網(wǎng)絡設(shè)計必須加入防雷擊要求，即防止雷電擊穿饋線或竄入發(fā)射機，元器件接地銅皮應設(shè)計滿足接地電阻 ≤ 1Ω。

（4）網(wǎng)絡功率大。電子元器件的選用要結(jié)合功率值匹配，最大的高頻工作電流≤10A，選用(L、C)應保證達到200%功率容量。

2.2 匹配網(wǎng)絡設(shè)計方案

匹配網(wǎng)絡主要包括：（1）T型網(wǎng)絡。需要實現(xiàn)最大程度的傳輸發(fā)射功率，由于采取的T型網(wǎng)絡能夠適配多種設(shè)計模式，并能優(yōu)化且穩(wěn)定控制網(wǎng)絡Q值；（2）阻塞網(wǎng)絡。其主要目的是降低甚至避免臨近的兩個工作頻率（高頻）信號間的串擾，通過設(shè)計并聯(lián)LC諧振電路，防止高頻電流的倒串；（3）預調(diào)網(wǎng)絡。由于兩個工作頻率的天線阻抗差異性影響網(wǎng)絡運行的可靠性，通過設(shè)計合適的預調(diào)網(wǎng)絡，盡可能降低發(fā)射天線對頻率阻抗值的差異，保障網(wǎng)絡穩(wěn)定性。

（1）T型網(wǎng)絡取值

選擇好匹配網(wǎng)絡后，需要設(shè)計具體參數(shù)。T型網(wǎng)絡的核心作用是將饋線的特性阻抗W和天線輸入阻抗Z進行匹配。假設(shè)發(fā)射頻率f的中波發(fā)射機W=50Ω，在設(shè)計天調(diào)網(wǎng)絡阻抗值時，需要考慮的是基于網(wǎng)絡分析計算得到Z=R+jX=30+j26，且滿足W＞R條件的匹配網(wǎng)絡的回路形式是可取的。

（2）阻塞網(wǎng)絡取值

以L13、C13阻塞網(wǎng)絡為例，希望設(shè)計的阻塞網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)低功效，即能夠在此條件下實現(xiàn)較好的阻塞效果。L13、C13阻塞網(wǎng)絡是f1=1359kHz傳輸通道諧振于f2=576KHz上，能夠有效阻止f2頻率的串擾。根據(jù)經(jīng)驗值分析，當C13=1500PF，此時L13=16.1uH，即能夠滿足L≤ 40uH這一標準。

（3）預調(diào)網(wǎng)絡取值

對于雙頻共塔的基本模式，當發(fā)射端采取單頻f遠小于雙頻發(fā)射天線固有頻率，自擾的影響可以忽略，此時重點考慮如何通過設(shè)計電路回路參數(shù)，高效抑制互擾現(xiàn)象的發(fā)生，這里考慮采取陷波電路的方法，通過先并后串的設(shè)計回路吸收雙頻發(fā)射天線固有頻率的互擾，即f1＜f且f＞f2。用網(wǎng)絡分析儀實測發(fā)射天線，測得對上線f1=1359kHz工作頻率所呈現(xiàn)的阻抗：z1= 450 +j350；測得對下線f2=576KHz頻率所得的阻抗：z2= 90 +j120。此時的差異較大導致串擾明顯，網(wǎng)絡運行不可靠，需要通過預調(diào)網(wǎng)絡實現(xiàn)f1無限逼近天線阻抗的實部90Ω，即采用并聯(lián)諧振網(wǎng)絡的實現(xiàn)方案，具體形式如圖2所示。

圖2 預調(diào)網(wǎng)絡實現(xiàn)方案示意圖

結(jié)束語：本文提出的中波發(fā)射機的雙頻共塔天線匹配網(wǎng)絡設(shè)計與實現(xiàn)對于發(fā)射系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起到了關(guān)鍵作用，設(shè)計出參數(shù)科學、指標優(yōu)良的網(wǎng)絡設(shè)計電路對于整個發(fā)射系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和網(wǎng)絡高效匹配有重要作用，其能夠間接幫助發(fā)射機實現(xiàn)遠距傳輸和寬面覆蓋，因此雙頻共塔天線網(wǎng)絡的優(yōu)化設(shè)計能夠貼合智能化發(fā)展的方向，在減輕技術(shù)人員設(shè)備維護工作量的基礎(chǔ)上，不斷完善節(jié)目播出質(zhì)量和系統(tǒng)工作效果。