中波廣播發(fā)射天線雙工匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)分析

魏晉

（山西省廣播電視局中波臺管理中心，山西長治，046400）

0 前言

在新媒體時代，傳統(tǒng)媒體的應(yīng)用雖然受到一定限制，但是新媒體并不能取代傳統(tǒng)媒體。廣播屬于傳統(tǒng)媒體，是弱勢產(chǎn)業(yè)，在信息技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，需要將新技術(shù)應(yīng)用在無線廣播領(lǐng)域，這樣才能夠提高無線廣播的競爭力。廣播在新聞媒體中的地位是不能動搖的，是國民生產(chǎn)生活不能離開的重要媒體類型。為了確保無線廣播信息傳輸質(zhì)量，必須對當前的中波廣播發(fā)射天線匹配情況全面掌握，要利用雙工匹配網(wǎng)絡(luò)減少發(fā)射天線的數(shù)量，增加發(fā)射頻率，促進廣播技術(shù)的進一步發(fā)展。

1 中波廣播發(fā)射機概述

在中波廣播發(fā)射機應(yīng)用過程中，主要是通過衛(wèi)星、微波、光纖完成音頻信號接收，之后將接收到的音頻信號發(fā)送到發(fā)射機，發(fā)射機可以對信號進行處理并由振動產(chǎn)生的射頻信號完成調(diào)制工作。放大信號后，對獲取的已經(jīng)完成調(diào)波的信號進行濾波和阻抗變化，最后獲取可以在饋線上進行傳播的信號。這些信號直接利用饋線傳送到發(fā)射天線上，發(fā)射天線將射頻電流變?yōu)殡姶挪ǔ臻g進行輻射。一般情況下，中波發(fā)廣播發(fā)射機由音頻系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)4部分組成。電源系統(tǒng)的電源為交流電源和直流電源，交流電源可以為動力設(shè)備、電控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等提供電源；直流電源可以為廣播發(fā)射機、微機控制以及節(jié)目傳送機房等提供電源。通過微機控制可以對發(fā)射機和相關(guān)設(shè)備進行開關(guān)機管理，同時還可以動態(tài)化監(jiān)測發(fā)射機的運行參數(shù)，實現(xiàn)自動巡檢與故障報警等功能。此外，在中波廣播發(fā)射機應(yīng)用過程中，其大功率放大管和元器件利用水冷能夠提高其運行的穩(wěn)定性[1]。

圖1 天饋線系統(tǒng)簡圖

現(xiàn)階段，中波廣播發(fā)射機使用的饋線形式相對較多，其中非平衡式饋線的應(yīng)用更加普遍。目前，在饋線形式選擇中，主要包括6線制矩形饋線、18線制仿同軸饋線、同軸電纜等。一般饋線需要在室外使用，但是圓型與型饋線需要在室內(nèi)應(yīng)用。饋線可以進行高頻能量傳輸，是對天線饋線與發(fā)射機進行連接的主要設(shè)備。在饋線運行過程中，必須關(guān)注其工作截止頻率與特性阻抗。確保饋線在允許頻率區(qū)間中的每一個點阻抗都為常數(shù)，其電壓與電流比也是常數(shù)，這是饋線特性阻抗的主要特點。

圖2 低特性阻抗天線

在中波廣播發(fā)射機運行過程中，發(fā)射天線也是其中的重要組成。發(fā)射天線可以將高頻電流能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量，并將轉(zhuǎn)換的電磁波能量朝著設(shè)定的方向裝置輻射。天線是廣播系統(tǒng)不能缺少的重要組成，是確保信號能夠穩(wěn)定傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。天線的輸入阻抗多為復數(shù)，但這與饋線的特性阻抗存在一定差異。饋線的終端、阻值與饋線特性阻抗負載相接時，其行波效率最高。在饋線與天線間完成網(wǎng)絡(luò)匹配有助于對天線的復數(shù)阻抗進行轉(zhuǎn)換，使其成為饋線的特性阻抗。在中波天線設(shè)置過程中一般要確保其與接地天線垂直，這樣可以獲得垂直極化地面波。通常這種天線設(shè)計的形式為單極天線，在單極天線中對稱天線的臂可以變成一個平面，而這一平面具有無限大的特點，這是理想狀態(tài)。在具體分析時需要利用鏡像法開展研究工作，天線與鏡像可以構(gòu)成垂直對稱狀態(tài)，如果天線的高度比0.7倍波長更小，最大輻射方向可以在水平面內(nèi)與天線保持垂直。但是在實際應(yīng)用中，并不能實現(xiàn)理想層面，因此，最大的輻射方向會在一定程度上向上翹，隨著波長的延長，導電率會不斷上升，使上翹幅度不斷減小。多長越長，其導電率會不斷提高，上翹幅度越小。為了增加天線輻射的強度，天線的高度為0.53倍波長，被稱為抗衰落天線[2]。

2 匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要點

■2.1 設(shè)計參數(shù)

在雙工匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之前，必須要對阻抗匹配進行充分考慮。阻抗匹配指的是通過網(wǎng)絡(luò)之后任意值的負載都能夠轉(zhuǎn)換為電流要求的阻抗值。在天饋線系統(tǒng)設(shè)計過程中，必須確保阻抗匹配域傳輸線阻抗特性相同。因此，除了要考慮饋線的阻抗特性之外，還要確定雙工匹配網(wǎng)絡(luò)的具體頻率。在單工匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，因為一組天線系統(tǒng)對應(yīng)一臺發(fā)射機，因此只需要設(shè)置一套匹配網(wǎng)絡(luò)即可。但是雙工匹配網(wǎng)絡(luò)要確保一組天線系統(tǒng)為兩臺發(fā)射機提供服務(wù)，在設(shè)計時，必須設(shè)計出兩套匹配網(wǎng)絡(luò)，要重點關(guān)注匹配網(wǎng)絡(luò)之間的隔離措施，防止在運行中受到干擾，提高發(fā)射效率。為了提高雙工匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計效率，一般情況下兩個頻率比要保持在1.25以上，并且需要全面研究匹配網(wǎng)絡(luò)周圍受干擾的中波頻率。為了提高設(shè)計效果，可以將陷波措施加入到雙工匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計工作中[3]。

■2.2 網(wǎng)絡(luò)選型

在開展雙工匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中，需要完成網(wǎng)絡(luò)選型，在此次設(shè)計過程中應(yīng)用的設(shè)計頻率分別為639KHz和945kHz，頻率比為1.48符合設(shè)計要求。功率都為10kW。雙關(guān)網(wǎng)絡(luò)之外的兩個串碼頻率分別為585kHz與747kHz。在具體的設(shè)計中需要對網(wǎng)絡(luò)選型進行科學確定。

第一，預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。通常在天線底部的串聯(lián)、并聯(lián)單元件被稱為預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計時需要對串聯(lián)元件和并聯(lián)元件的防雷功能進行全面分析。發(fā)射塔在運行中不同工作頻率的天線輸入阻抗是不同的，對預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計時，必須滴不同頻率的天線輸入阻抗進行轉(zhuǎn)換處理，使其數(shù)值相近才能為后續(xù)設(shè)計工作奠定基礎(chǔ)。一旦沒有接入預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，可能會導致阻抗差異比較大，會對天線端的電壓電流產(chǎn)生影響，甚至會導致天線端線路的電壓差值增加，從而導致串音問題，還可能會對同一路阻塞網(wǎng)絡(luò)視在功率產(chǎn)生影響，導致其功率上升，進而促使匹配網(wǎng)絡(luò)視在功率上升，最終破壞發(fā)射機的穩(wěn)定性。

第二，阻塞網(wǎng)絡(luò)。在開展雙工匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計工作時，必須要認識到阻塞網(wǎng)絡(luò)的重要性。阻塞網(wǎng)絡(luò)可以防止雙工匹配網(wǎng)絡(luò)在運行過程中信號互竄，發(fā)揮隔離功能。在阻塞網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，需要確保通過本頻的阻抗較小，而對他頻進行阻塞時，要提高載頻部位的阻抗，并且要保證上下邊頻部位的阻抗相對較大。通常阻塞電路的阻抗與發(fā)射機的中心頻率是對應(yīng)的，阻塞阻抗對載波在10kΩ以上時，對邊帶波會保持在5kΩ以上。這樣能夠?qū)υ擃l率進入到另一頻率的匹配網(wǎng)絡(luò)進行有效阻塞。并且可以防止電波泄漏產(chǎn)生的特性變化和交叉調(diào)制等問題。

第三，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。在這一設(shè)計過程中主要是完成天線與饋線的阻抗匹配，確保發(fā)射機的高頻能量可以被傳輸?shù)教炀€上。只有保證天線與饋線匹配，才能確保饋線信號波的傳輸效率。一般情況下，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)形式包括Γ型、倒Γ型、T型與π型網(wǎng)絡(luò)四種。其中Γ型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在饋線特性阻抗比天線輻射電阻更大的情況下；要確保低特性阻抗值符合要求。倒Γ型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在饋線特性阻抗比天線輻射電阻更小的情況中，也要確保低特性阻抗值滿足相關(guān)要求。在低特性阻抗值小于2的情況下，需要根據(jù)具體情況對阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進行科學處理。其中對T型匹配網(wǎng)絡(luò)進行選擇，可以選取不同的元件值，改變低特性阻抗值，確保匹配網(wǎng)絡(luò)能夠滿足對低特性阻抗值的具體要求。再加上在此次設(shè)計過程中使用的饋線特性阻抗為50Ω同軸電纜，T型匹配網(wǎng)絡(luò)更加適合特性阻抗相對比較小的情況。T型網(wǎng)絡(luò)能夠完成阻抗變化，尤其是在中心工作頻率可以保證轉(zhuǎn)換的精確性。因此，在設(shè)計過程中對T型匹配網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計，可以選擇合適的移相角度實現(xiàn)中心頻率阻抗精確轉(zhuǎn)換。與此同時，可以對邊帶頻率阻抗進行調(diào)整[4]。

第四，開展陷波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。在不同發(fā)射場地的發(fā)射臺運行過程中，如果有多部發(fā)射機同步運行，會直接影響本發(fā)射場地內(nèi)距離相對較近的鄰頻發(fā)射機運行狀態(tài)。尤其是外部干擾情況比較嚴重。為了能夠有效消除或者降低這些干擾。在雙工匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中需要設(shè)計濾除外部干擾源的措施，這是提高發(fā)射機穩(wěn)定性的主要措施。目前，在對干擾源進行濾除時的方法比較多，常用的包括帶通濾波器、阻塞網(wǎng)絡(luò)、陷波網(wǎng)絡(luò)等。而陷波網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更加普遍，主要是因為利用陷波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計可以濾除外部干擾源，并且不會對網(wǎng)絡(luò)阻抗產(chǎn)生負面影響。

3 結(jié)語

綜上所述，為了能夠節(jié)約發(fā)射場地，加強中波數(shù)字化建設(shè)工作，需要重視網(wǎng)絡(luò)簡化設(shè)計。要利用濾波器完成濾波以及阻抗匹配功能。同時要利用雙工匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，減少發(fā)射塔數(shù)量，增加發(fā)射頻率。但是為了解決雙方匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復雜以及發(fā)熱等問題，需要進行深入研究，促使匹配網(wǎng)絡(luò)朝著可靠性更強的方向發(fā)展。