淺析中波廣播發(fā)射系統(tǒng)天調(diào)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及應(yīng)用

班永祥

內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視傳輸發(fā)射中心科左中787臺 內(nèi)蒙古 通遼市 028000

隨著廣播技術(shù)的不斷發(fā)展，廣播頻率的日益增多，越來越多的發(fā)射臺站選擇小型天線和多頻共塔的組合形式，小型天線有占地面積小，傳輸效率高，建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)就是調(diào)制困難且隨著天氣變化，周圍環(huán)境等一系列因素的變化而產(chǎn)生的阻抗變化，輕則發(fā)射覆蓋區(qū)域降低，收聽質(zhì)量下降，嚴(yán)重的會導(dǎo)致發(fā)射機(jī)駐波比超限，發(fā)射機(jī)無法開機(jī)，加之近些年來極端惡劣天氣頻發(fā)，雷電、暴雨天氣對發(fā)射機(jī)影響很大，這就越來越考驗著天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的有效性，一套高效、完整、穩(wěn)定的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在廣播發(fā)射系統(tǒng)中起著最為重要的作用。

1 天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成及功能簡介

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的基本組成一般包括預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)、匹配網(wǎng)絡(luò)、阻塞網(wǎng)絡(luò)、陷波網(wǎng)絡(luò)、防雷系統(tǒng)等。匹配網(wǎng)絡(luò)分為“Г”型、倒“Г”型、“Т”型、“Π”型網(wǎng)絡(luò)，因為天線是附近最高的建筑物，經(jīng)常遭受雷電襲擊，所以要求天調(diào)網(wǎng)絡(luò)要有較高的抗雷擊能力。此外，天調(diào)網(wǎng)絡(luò)具有較大的發(fā)射天線，會接收到高頻電磁波，如果未經(jīng)處理過濾，就會隨著饋線倒送進(jìn)入發(fā)射機(jī)，更嚴(yán)重時，將會在短時間內(nèi)造成發(fā)射機(jī)的損壞，從而造成停播現(xiàn)象。加入阻塞網(wǎng)絡(luò)可以讓并聯(lián)諧振電路在干擾頻率發(fā)生諧振，產(chǎn)生最大阻抗過濾干擾頻率，也可使用陷波網(wǎng)絡(luò)讓串聯(lián)諧振電路在干擾頻率發(fā)生諧振，使串入的信號直接入地。

1.1 預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)及防雷

在天線的底部加入串聯(lián)元件C0和并聯(lián)元件L0，合稱為預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計時還要考慮C0和L0同時起到防雷的作用。因為雙頻共塔天線在兩個不同頻率下得到的阻抗不一樣，如果沒有預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的加入，那么在天線下端會因為阻抗不同所產(chǎn)生的電壓和電流也不同，電壓和電流的差值會很大，同時天線的泄露電流差值也很大，容易造成串音，倒送進(jìn)來的噪音會加大阻塞網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)的視在功率，嚴(yán)重影響發(fā)射機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性，所以要在天線下端加入預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，使得天線在不同頻率下的阻抗值變得比較接近，也便于后面的計算。

發(fā)射臺一般建設(shè)在空曠的郊區(qū)，發(fā)射天線又比較高，它就像避雷針一樣，如果天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中沒有加入防雷措施，那么一旦遭受雷電襲擊時，其電流脈沖峰值可達(dá)20000A，雷電會瞬間經(jīng)過饋線進(jìn)入發(fā)射機(jī)，對發(fā)射機(jī)造成嚴(yán)重的損壞，因此，為確保安全優(yōu)質(zhì)播出，天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中還要加入三種防雷措施。

一是安裝石墨放電球，在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)里接入—只石墨放電裝置，它比通常金屬放電球有良好的放電效果，考慮到空氣擊穿電壓為1000V/mm，再根據(jù)發(fā)射機(jī)的參數(shù)一般將其調(diào)整到2—3。放電球的接地線由金屬桿制成，一般在金屬桿上穿一些磁環(huán)，大概45—55只磁環(huán)，當(dāng)放電石墨遭雷擊放電時，裝入磁環(huán)的放電球電感只有幾十微亨，雷電會瞬間擊穿放電球形成一個對地的通路，雷電以直流成分為主，交流成分很少，幾十微亨的電感可以忽略不計，放電電流暢通無阻，但對于高頻工作的發(fā)射機(jī)而言，幾十微亨電感可以形成很高的阻抗，不影響發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)。

第二是微亨級電感線圈接地，在天線下端接一段微亨級電感線圈到地，為雷電提供一個對地泄放的通路，線圈應(yīng)選用粗的銅管或銅條制成，長度要短，圈數(shù)也要少，這樣既能減少自身的電阻分量，也能減少電抗分量，當(dāng)發(fā)生雷擊時，能夠快速釋放雷電能量，對靜電的泄放也較為暢通。由于L0也是預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的一部分，微亨級電感線圈的加入則直接影響天線的阻抗，所以L0的取值需要多方面的考慮，既要考慮天線的阻抗同時也要有防雷的作用，L0一般為十幾微亨到一百微亨之間，必要時可以在L0上并聯(lián)電容讓并聯(lián)回路諧振等于載波頻率。

第三是串接耐高壓電容隔離，由于雷電能量以低頻和直流為主，在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中串接耐高壓電容C0可以有效阻止雷電經(jīng)過天調(diào)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入發(fā)射機(jī)，C0的取值一般在1000PF到3000PF之間，C0的取值越大越好，越大對雷電越能起到有效隔離，但也不能太大，太大會影響中波頻率的壓降。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過用多只電容串并聯(lián)的方法來提高伏安量，根據(jù)串并聯(lián)電容的特性，串聯(lián)電容可以調(diào)高耐壓幅值，并聯(lián)電容可以調(diào)高電流幅值，使用多只電容串并聯(lián)時要使用相同大小，相同規(guī)格的電容，在多只電容串聯(lián)時，如果電容大小不同，那么每只電容上的電壓量就不同，就會產(chǎn)生不同的耐壓分量，同理多只電容并聯(lián)時，如果電容大小不同，那么流經(jīng)每只電容的電流分量也不同，這樣就會產(chǎn)生“短板效應(yīng)”。

1.2 阻塞網(wǎng)絡(luò)和陷波網(wǎng)絡(luò)

在中波廣播發(fā)射中，廣播信號通過天線發(fā)射出去，由于天線存在互異性，天線是信號的發(fā)送者，同時龐大的天線能感應(yīng)到較強(qiáng)的射頻信號也是信號的接收者，天線會將同臨頻的高頻干擾信號接收，通過饋線進(jìn)入發(fā)射機(jī)，產(chǎn)生倒送現(xiàn)象，如果不將干擾信號濾除而進(jìn)入發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)將會出現(xiàn)激勵信號波形畸變，產(chǎn)生干擾或串音，如果不斷的增加電壓，會使倒送電壓與激勵電壓相互交迭，嚴(yán)重時會導(dǎo)致發(fā)射機(jī)場效應(yīng)管爆裂。所以在設(shè)計天調(diào)網(wǎng)絡(luò)時解決同臨頻電臺干擾，防止發(fā)生信號倒送現(xiàn)象尤為重要。目前比較常用的防止干擾信號倒送的方法是在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中加入阻塞網(wǎng)絡(luò)和陷波網(wǎng)絡(luò)。

阻塞網(wǎng)絡(luò)實(shí)際為并聯(lián)諧振電路，根據(jù)并聯(lián)諧振電路特點(diǎn)，發(fā)生諧振時，整個電路呈最大阻值，所以，我們通常把并聯(lián)諧振電路串接到天調(diào)網(wǎng)絡(luò)上，讓諧振頻率等于需要抑制的干擾信號頻率，這樣干擾頻率就被阻塞網(wǎng)絡(luò)的高阻抗堵住，不易通過饋線進(jìn)入發(fā)射機(jī)，以影響發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)，同時阻塞網(wǎng)絡(luò)對工作頻率而言則呈現(xiàn)為某一電抗，例如：L和C并聯(lián)諧振在干擾頻率ω0上，對工作頻率ω來說：當(dāng)ω0＜ω時，該阻塞網(wǎng)絡(luò)呈容性電抗，當(dāng)ω0＞ω時，該阻塞網(wǎng)絡(luò)呈感性電抗。

陷波網(wǎng)絡(luò)實(shí)際為串聯(lián)諧振電路，根據(jù)串聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)，當(dāng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時電路中總阻抗最小，電流將達(dá)到最大值，所以我們長把串聯(lián)諧振電路并接到天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中，串聯(lián)諧振電路的另一端接地，讓串聯(lián)諧振電路諧振于需要濾除的干擾信號頻率，對干擾信號呈較小的阻抗，提供通地的旁路以濾除干擾信號，同時串聯(lián)諧振電路又是工作頻率的并聯(lián)諧振電路，對工作頻率要呈最大阻抗，對整個網(wǎng)絡(luò)的阻抗不產(chǎn)生影響，一般都安裝在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的末端，饋線的入口處。

那么究竟什么時候用阻塞網(wǎng)絡(luò)什么時候用陷波網(wǎng)絡(luò)呢？經(jīng)驗表明，在實(shí)際應(yīng)用中，陷波網(wǎng)絡(luò)由于沒有本頻信號的通過，對本頻信號不產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)簡單，元器件少，選擇容易，同時對整個天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的功率損耗較小，且不影響網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)，所以優(yōu)先選擇陷波網(wǎng)絡(luò)，但陷波網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際使用效果遠(yuǎn)不如阻塞網(wǎng)絡(luò)好。阻塞網(wǎng)絡(luò)實(shí)際使用效果較陷波網(wǎng)絡(luò)更有優(yōu)勢，但使得整個天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的功率損耗略大，且參與網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配，匹配難度加大，會使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，元器件的伏安量也較大。所以，當(dāng)干擾頻率影響較大時，一般通常采用阻塞網(wǎng)絡(luò)，影響較小時，可采用陷波網(wǎng)絡(luò)。

1.3 匹配網(wǎng)絡(luò)

匹配網(wǎng)絡(luò)主要用于天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配，由于中波發(fā)射機(jī)與天線之間是通過饋線進(jìn)行連接，機(jī)房與天線距離較遠(yuǎn)，使用的饋線距離較長，饋線的特性阻抗很難與天線輸入阻抗達(dá)到匹配，所以要通過匹配網(wǎng)絡(luò)完成匹配將高頻能量高效的傳送出去，如果天線的輸入阻抗與饋線特性阻抗失配，不僅影響傳輸效率，還能在饋線上產(chǎn)生反射波從而形成駐波，嚴(yán)重時影響發(fā)射機(jī)的效率，甚至可能損壞發(fā)射機(jī)。匹配網(wǎng)絡(luò)主要分為“Г”型、倒“Г”型、“Т”型、“Π”型，在實(shí)際應(yīng)用中，除了要完成天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配，降低駐波比，提高發(fā)射效率的同時，還要兼顧匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有良好的通帶特性，實(shí)際應(yīng)用時要根據(jù)發(fā)射臺的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

“Г”型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最簡單，元器件最少，理論來講，“Г”型網(wǎng)絡(luò)可以將任意阻抗匹配到我們需要的阻抗上，為了保證調(diào)配網(wǎng)絡(luò)有合適的濾波度，當(dāng)饋線特性阻抗遠(yuǎn)大于天線輸入阻抗，且品質(zhì)因數(shù)Q值滿足2—6之間時，一般選用“Г”型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)饋線特性阻抗遠(yuǎn)小于天線輸入阻抗，且品質(zhì)因數(shù)Q值滿足2—6之間時，選用倒“Г”型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q值大于6時，如果選用“Г”型網(wǎng)絡(luò)就要對天線阻抗進(jìn)行調(diào)整。

“Т”型網(wǎng)絡(luò)由三部分組成，如果把并聯(lián)臂上的電感或者電容看成是兩個電容或者電感的并聯(lián)，那么“Т”型網(wǎng)絡(luò)就可以看成是一個正“Г”型網(wǎng)絡(luò)和一個倒“Г”型網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q值小于2，饋線特性阻抗與天線輸入阻抗的比值小于5時，并且天線輸入阻抗與饋線特性阻抗都較小約100Ω以下時，一般可以采用“Т”型網(wǎng)絡(luò)。

“Π”型網(wǎng)絡(luò)也由三部分組成，如果把串聯(lián)臂的電感和電容看成是兩個電感和電容的串聯(lián)，那么“Π”網(wǎng)絡(luò)就可以看成是一個正“Г”型網(wǎng)絡(luò)和一個倒“Г”型網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，當(dāng)品質(zhì)因數(shù)值小于2，且天線輸入阻抗與饋線特性阻抗都較大約150Ω以上時，一般采用“Π”型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。

目前來講，中波廣播發(fā)射臺常用的網(wǎng)絡(luò)一般為“Т”型網(wǎng)絡(luò)的主要原因有：

“Т”型網(wǎng)絡(luò)可以選取不同的電感和電容通過串并聯(lián)組合形式來改變品質(zhì)因數(shù)Q值，滿足“Т”型網(wǎng)絡(luò)對Q值的要求。

現(xiàn)在中波廣播發(fā)射臺一般使用的是特性阻抗為50Ω或者75Ω同軸電纜作為饋線，滿足“Т”型網(wǎng)絡(luò)對饋線特性阻抗較小且小于100Ω以下的要求。

“Т”型網(wǎng)絡(luò)在中心工作頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)變換。

2 天調(diào)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際中的應(yīng)用

通過以上的介紹我們可以知道，設(shè)計雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)前要根據(jù)兩個共塔的發(fā)射頻率、周圍環(huán)境及外接串?dāng)_情況，用最小的投資成本，最省的元器件完成阻抗匹配，并做一系列防雷措施，同時雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)兩個發(fā)射頻率要有足夠的頻率間隔，它們的比值要≥1.25，下面以787臺雙頻共塔天線網(wǎng)絡(luò)為例，詳細(xì)了解雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)的組成。

圖1所示為787臺1kW雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)原理圖

圖1

工作頻率為：549kHz和1305kHz。

串?dāng)_頻率為：675kHz、1458kHz、1044kHz。

左側(cè)為549kHz網(wǎng)絡(luò)部分，右側(cè)為1305kHz網(wǎng)絡(luò)部分。

饋線特性阻抗都為50Ω。

圖中a1節(jié)點(diǎn)阻抗為36-j288（Ω），b1節(jié)點(diǎn)阻抗為16-j42（Ω）（a1、b1節(jié)點(diǎn)為天線阻抗，由網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得出）。

圖中1部分為預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)部分，兼顧防雷作用，通過串聯(lián)電感L0，使天線在兩個不同頻率（549kHz和1305kHz）下的阻抗變成比較接近的數(shù)值，便于后面設(shè)計，得到A1節(jié)點(diǎn)阻抗為36-j219（Ω），A2節(jié)點(diǎn)阻抗為16+j122（Ω）。

圖中2部分為阻塞網(wǎng)絡(luò)部分，由于是雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)，兩個本頻之間會產(chǎn)生較大串?dāng)_，所以設(shè)置兩個阻塞網(wǎng)絡(luò)防止相互串?dāng)_，549kHz網(wǎng)絡(luò)部分阻1305kHz，使得L1、C1并聯(lián)諧振于1305kHz，1305kHz網(wǎng)絡(luò)部分阻549kHz，得L2、C2并聯(lián)諧振于549kHz。由于串?dāng)_頻率1044kHz與1305kHz頻率接近，干擾嚴(yán)重，故1305kHz網(wǎng)絡(luò)部分加入L4、C4并聯(lián)諧振于1044kHz的阻塞網(wǎng)絡(luò)。

得到節(jié)點(diǎn)阻抗：

圖中3部分為匹配網(wǎng)絡(luò)部分，由于787臺饋線特性阻抗都為50Ω比較小，品質(zhì)因數(shù)Q值滿足“Т”型網(wǎng)絡(luò)要求，所以此雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)全部選用“Т”型網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換得到節(jié)點(diǎn)阻抗：

經(jīng)過前面的設(shè)計，使得天線的阻抗經(jīng)過阻抗匹配得到50Ω與饋線特性阻抗50Ω相等，完成阻抗變換。天氣或季節(jié)的變換對天調(diào)網(wǎng)絡(luò)影響較大，在播出一段時間后可能因天氣的變化天線的阻抗與饋線特性阻抗不相等，我們需要通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量并調(diào)整L3、L5、L4、L8，使得天線阻抗等于50Ω。

串?dāng)_頻率675kHz與549kHz頻率接近，1458kHz與1305kHz頻率接近，都有較小串?dāng)_，675kHz與1305kHz頻道間隔較遠(yuǎn)，1458kHz與549kHz頻道間隔也較遠(yuǎn)，干擾可忽落不計，所以在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的最后加入陷波網(wǎng)絡(luò)，提供一個對地的通路來濾除串?dāng)_頻率。

圖中4部分為陷波網(wǎng)絡(luò)，L7、C7串聯(lián)諧振于675kHz，將675kHz形成對地通路，同時與L9并聯(lián)諧振于本頻549kHz，對549kHz形成一個最大阻抗，對整個網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生影響，同理L10、C10串聯(lián)諧振于頻率1458kHz，同時與L12并聯(lián)諧振于1305kHz。得到節(jié)點(diǎn)阻抗：

經(jīng)過仔細(xì)的研究大家可能發(fā)現(xiàn)，圖中沒有上面提到的隔直流耐高壓電容C0，因為在左右網(wǎng)絡(luò)中的“Т”型匹配網(wǎng)絡(luò)中，C5和C8即起到匹配網(wǎng)絡(luò)的作用，也能防止雷電通過饋管進(jìn)入發(fā)射機(jī)，所以不再單獨(dú)設(shè)置耐高壓隔直流電容C0。

3 結(jié)束語

對于目前階段的發(fā)射臺來說，天調(diào)網(wǎng)絡(luò)部分都是由廠家根據(jù)臺站實(shí)際情況設(shè)計并安裝，隨著科技的發(fā)展，設(shè)計一套完整的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)越來越簡單，只需在電腦模型里輸入基本參數(shù)，就會自動生成一套完整、高效的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，但是，對于日常的維護(hù)檢修和遇到天調(diào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)突發(fā)故障時的搶修，還需要守在一線的值機(jī)員來完成，所以了解并掌握天調(diào)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對今后的日常維護(hù)調(diào)試工作有著重要的意義。