中波廣播天調(diào)網(wǎng)絡(luò)工作原理與調(diào)試

周銀海

（云南廣播電視臺，云南 昆明 650500）

0 引言

由于目前全固態(tài)中波發(fā)射機采用集成精密電路設(shè)計，對工作環(huán)境要求提高，發(fā)射機自我保護、監(jiān)測能力增強，但相對于采用電子管時的發(fā)射機抗干擾能力差，導致天線駐波比采樣指標稍有變化，發(fā)射機便會頻繁降功率或是自動關(guān)機。另外，隨著城市的發(fā)展，天線地網(wǎng)易被破壞、周邊電磁環(huán)境也變得更加復雜，發(fā)射機因為天饋線故障的出現(xiàn)安播事故也日漸增多，發(fā)射機天饋線系統(tǒng)中天饋線匹配網(wǎng)絡(luò)（簡稱天調(diào)網(wǎng)絡(luò)）較以前需要調(diào)試的頻次也變得越來越多。天調(diào)網(wǎng)絡(luò)作為發(fā)射機系統(tǒng)最末極的網(wǎng)絡(luò)，不僅關(guān)系到發(fā)射機能否正常開機，也關(guān)系到發(fā)射機發(fā)射信號的質(zhì)量和安全，而且天調(diào)網(wǎng)絡(luò)故障常常造成重大播出事故。因此，掌握天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)、基本原理和調(diào)試方法，可以進一步加深對發(fā)射機發(fā)射系統(tǒng)的理解，對天饋線系統(tǒng)出現(xiàn)的問題能夠積極應(yīng)對和及時處理，主動提高對發(fā)射機天饋線系統(tǒng)的日常維護水平和能力，這對我們今后及時預防和應(yīng)對出現(xiàn)的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)故障、保障安全播出有積極的意義。

1 中波調(diào)幅廣播概述

1.1 中波

頻率范圍在300 kHz～3 MHz的無線電波稱為中頻無線電波，簡稱中波，它可以利用地波和天波傳播。地波傳輸損耗小，繞射能力強，傳輸距離遠，一般為幾百千米，為中波的主要傳播方式[1]。另外，天波通過電離層反射傳播，中波夜間也可以利用天波傳播方式，天波傳播距離更遠，可達幾千千米，但信號不穩(wěn)定、干擾大，是發(fā)射臺之間的干擾源之一，因此不被采用。

1.2 中波廣播

我國規(guī)定中波調(diào)幅廣播的頻率范圍為525～1605 kHz。離發(fā)射臺較近的場強穩(wěn)定的區(qū)域為廣播電臺的主要服務(wù)區(qū)，此區(qū)的半徑由發(fā)射機功率、發(fā)射天線的的特性以及周邊地質(zhì)情況決定[1]。相同發(fā)射機、相同功率在相同的天線上發(fā)射廣播節(jié)目，平原地區(qū)的廣播覆蓋范圍一般要比山區(qū)、丘陵地區(qū)大得多。在城市里樓層的高度、密集程度也會對中波廣播的收聽信號造成不同程度的干擾和影響。

1.3 中波廣播的工作原理

廣播電臺播出節(jié)目，首先把聲音通過話筒轉(zhuǎn)換成音頻信號，音頻信號被發(fā)射機產(chǎn)生的載波信號調(diào)制，載波信號幅度隨音頻信號進行相應(yīng)的變化，使我們傳送的音頻信號包含在高頻載波信號之內(nèi)；高頻載波信號再經(jīng)過放大后以高頻電流的形式，通過發(fā)射機與天線之間連接的饋線傳送到發(fā)射天線上，形成無線電波向外發(fā)射，發(fā)射天線則起到向外輻射無線電波的作用。中波廣播信號發(fā)射工作原理流程如圖1所示。

圖1 中波廣播信號發(fā)射工作原理流程簡圖

2 天線匹配網(wǎng)絡(luò)工作原理

天線匹配網(wǎng)絡(luò)就是連接饋線和天線之間的橋梁，發(fā)射機產(chǎn)生的載波通過饋線傳輸?shù)教炀€，天線把電磁波輻射出去。事實上，發(fā)射機天饋線系統(tǒng)中天線和饋線是兩個系統(tǒng)，由于阻抗特性不同，一部分電磁能量被反射回來，在線路上形成駐波。駐波的電壓峰值與電壓波谷比稱為電壓駐波比，當駐波比等于1時，表示天線與饋線完全匹配，發(fā)射機的高頻能量全部被天線輻射出去。天線與饋線匹配得好壞程度用天線輸入端的反射系數(shù)或駐波比的大小來衡量的[2]。對于發(fā)射天線來說，如果匹配不好，則天線的輻射功率就會減小，饋線上的損耗會增大，饋線的功率容量也會下降。

天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量R和電抗分量X，即阻抗Z=R+jX。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。因此，在天線與饋線之間增加了天線匹配網(wǎng)絡(luò)，如果饋線的阻抗特性為50 Ω，通過調(diào)試天線阻抗，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實部接近50 Ω，從而使得天線的輸入阻抗為Z=R=50 Ω，實現(xiàn)天線與饋線良好的阻抗匹配。在實際測試時，我們一般采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量阻抗。

設(shè)置天線匹配網(wǎng)絡(luò)的目的是減小駐波比，降低反射功率，提高傳輸效率，或者提高發(fā)射效率。調(diào)整天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，一方面要使天線處于諧振狀態(tài)，另一方面要使天線的阻抗經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)變換后，與傳輸饋線相匹配。當然，即使是設(shè)計、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還是會存在一個小的電抗分量值。

3 天線匹配網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)

在實際應(yīng)用中，因為天線還受到雷電、電磁環(huán)境的影響，為保證發(fā)射機的安全與正常工作，在匹配網(wǎng)絡(luò)中還加入了阻塞網(wǎng)絡(luò)和避雷系統(tǒng)。我臺576 kHz天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.1 天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的避雷系統(tǒng)

因為中波天線比較高，容易受到雷電影響，在天線入口端放置石墨放電球進行放電。同時由于雷電電流脈沖能力主要是直流和低頻，因此在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)入口端并聯(lián)了電感L1入地，給天調(diào)網(wǎng)絡(luò)提供了一個對地釋放靜電的通路，該電感由兩個電感線圈串接而成，并且利用了電容“隔直流，通交流”的原理；在網(wǎng)絡(luò)中串入電容C1，阻隔低頻雷電，以阻擋雷電的能量進入饋線和發(fā)射機。

3.2 阻塞網(wǎng)絡(luò)

由于天線的互逆性，即天線是發(fā)射天線的同時也是接收天線，而且一般發(fā)射臺都不只有一部發(fā)射天線和頻率，因此天線很容易產(chǎn)生高頻回饋現(xiàn)象，接收附近的高頻信號反向進入調(diào)配室，通過調(diào)配網(wǎng)絡(luò)和饋線逆向輸送到發(fā)射機，對發(fā)射機設(shè)備和安全播出造成影響。

中波廣播的信號除了載頻還有上下邊頻信號，阻塞網(wǎng)絡(luò)的作用有：一是要通過本頻信號，二是要阻塞他頻信號[2]。通過本頻信號時要求阻抗不要過大，阻塞他頻信號時，不但要在他頻處呈現(xiàn)很大阻抗，而且要在他頻的上下邊頻處也要呈現(xiàn)較大的阻抗，阻礙不需要的頻率。我臺天調(diào)網(wǎng)絡(luò)用到的是串接在網(wǎng)絡(luò)中的并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振電路如圖3所示。

圖3 并聯(lián)諧振電路

3.3 匹配網(wǎng)絡(luò)

天饋線系統(tǒng)中加入匹配網(wǎng)絡(luò)的目的是使天線的阻抗和饋線的阻抗相等或相近。匹配網(wǎng)絡(luò)有三種形式：Γ形、T形、Π形，其中Γ形又分為正Γ形和倒Γ形兩種[3]。Γ形網(wǎng)絡(luò)比較簡單，只有電感和電容兩個（兩組）元件，理論上講Γ形網(wǎng)絡(luò)可以將任意阻抗匹配到我們需要的阻抗上。Π形網(wǎng)絡(luò)由三個元件組成，把串聯(lián)臂的電感或電容看成兩個電感或電容的串聯(lián)，那么Π形網(wǎng)絡(luò)就可被看成一個倒Γ和正Γ網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)。一般設(shè)計都要求盡量選擇結(jié)構(gòu)簡單一點的形式以方便調(diào)試。當天線的輸入阻抗R＜Z0（饋線阻抗）時，選用正Γ形；當R＞Z0（饋線阻抗）時，選用倒Γ形。

4 天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試

4.1 前期準備階段

首先，需要用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量出天線的載波頻率的特性阻抗和饋線的特性阻抗；其次，測量周邊干擾頻率，明確重點抑制頻率對象；最后，綜合考慮防雷、抑制對象、熱損耗、成本等因素計算和設(shè)計出匹配網(wǎng)絡(luò)。

4.2 天調(diào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試過程

4.2.1 阻塞網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試

第一步：需要判斷出實際阻塞網(wǎng)路的位置，斷開阻塞網(wǎng)絡(luò)的前后電路，將阻塞網(wǎng)絡(luò)從調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中獨立出來，阻塞網(wǎng)絡(luò)電路測試點如圖4所示，打開A點或B點，此時L2C2構(gòu)成串聯(lián)電路，將儀器測試夾夾在打開的L2C2兩端，測其L2C2在576 kHz頻率的串聯(lián)諧振。調(diào)L使儀表的實部R=0，虛部X=0。在儀器的顯示屏上光標在短路點位置。

圖4 阻塞網(wǎng)絡(luò)電路測試點

第二步：連接斷開的點，將儀器測試夾夾在A、B兩端，測其并聯(lián)諧振，儀器的R和L無數(shù)字顯示（超出顯示范圍）。此時應(yīng)看Φ角，微調(diào)電感L的接入的圈數(shù)，使得Φ=0°或360°，儀器顯示屏上光標在開路點位置。

4.2.2 匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試

Γ形網(wǎng)絡(luò)：Γ形匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單，只有兩個元件，是最基礎(chǔ)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，Γ形網(wǎng)絡(luò)理論上可以將任意阻抗匹配到我們需要的阻抗上。

首先斷開天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，在饋線輸入端用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，記錄饋線阻抗Z=R+jX的值。在滿足Q值的前提下，當測得天線輸入阻抗R＞Z0（即饋線阻抗）時，選用正Γ形；當R＜Z0時，選用倒Γ形。我臺使用的L3C3構(gòu)成正Γ形匹配網(wǎng)絡(luò)。阻抗匹配的調(diào)試需要用到網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗圓圖，即史密斯圓圖（Smith），來幫助調(diào)節(jié)電容、電感的大小。若R＜R0，表明阻抗點在匹配圓內(nèi)，需調(diào)整串臂上的電感，擴大阻抗圓；若R＞R0，說明阻抗點在匹配圓外，需減小阻抗圓。反復以上步驟，最終調(diào)整到R=R0，X=0，這是一個非?？简灱毿暮湍托牡倪^程，需要多次嘗試。

測試時選擇中心頻率為576 kHz(±10 kHz)，校準網(wǎng)絡(luò)分析儀之后，調(diào)試時需要先調(diào)試阻抗實部，再調(diào)試虛部。網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的史密斯圓圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的史密斯圓圖

在實際應(yīng)用中，因為電容基本固定不易調(diào)整，我們通常采用增加或減少電感線圈接入的數(shù)量來調(diào)節(jié)阻抗，即調(diào)節(jié)時通過增加或減少電感線圈，以及調(diào)整線圈接入點的位置。

4.2.3 陷波網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試

通常情況還要在網(wǎng)絡(luò)中加入陷波網(wǎng)絡(luò)，陷波網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的阻塞網(wǎng)絡(luò)，阻塞載頻信號，方便濾除他頻信號。將陷波吸收網(wǎng)絡(luò)從電路中斷開，將串聯(lián)諧振支路獨立出來，將頻率設(shè)定在吸收頻率上，測其串聯(lián)諧振，調(diào)整串聯(lián)電感，使R=0，X=0。再將支路元件接入電路，將頻率設(shè)定在載頻上，調(diào)整Z，使得Φ=0°或360°，此時R與X超出范圍，無顯示。例如，我臺在安裝好576 kHz的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)對1242 kHz的陷波網(wǎng)絡(luò)后，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀將L4C4支路斷開獨立處理，先調(diào)節(jié)L4的阻值使L4與C4串聯(lián)諧振于1242 kHz頻率，再將L4C4串聯(lián)諧振電路并入天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，諧振于576 kHz頻率，實現(xiàn)對1242 kHz頻率的濾波入地。

當然，在實際使用中，調(diào)試是一個非常復雜的過程，除了要熟練掌握儀器的使用方法，充分理解史密斯圓圖的工作原理，還需要動手多次反復實踐才能調(diào)配出一個相對精確、最佳的匹配網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語

全部調(diào)試完成后，應(yīng)該復測各點的阻抗和天線阻抗，同時做好數(shù)據(jù)記錄以便為日后維修、系統(tǒng)升級提供參考。設(shè)計科學、調(diào)試匹配合適的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)有利于發(fā)揮發(fā)射機的最大工作效能，提高中波廣播的覆蓋范圍，保障發(fā)射機平穩(wěn)運行，減少發(fā)射機的播出故障。同時，在日常工作中，還需要對天調(diào)網(wǎng)絡(luò)進行維護保養(yǎng)，對元器件除塵，測量元件是否過熱，觀察有無打火點。此外，每年應(yīng)該定期測試天調(diào)網(wǎng)絡(luò)阻抗，使天調(diào)網(wǎng)絡(luò)運行在最佳狀態(tài)，減少和預防故障，保障安全播出。在我臺的實際運用中，當天線網(wǎng)絡(luò)匹配良好時，匹配網(wǎng)絡(luò)的元器件發(fā)熱會很低，發(fā)射機工作會非常穩(wěn)定，尤其在雷雨天，發(fā)射機的天線駐波比故障也會明顯減少。