雙諧振調(diào)配網(wǎng)絡(luò)在中波天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李革 郭光智

【摘要】中波發(fā)射系統(tǒng)將天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)接入饋線與天線間，不僅可發(fā)揮阻抗轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)在多頻共塔以及防雷和抗干擾方面也有積極作用。雙頻共塔則是目前解決增加的傳輸頻率和更少的天線之間緊張關(guān)系的最佳方式。本文結(jié)合以往傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和性能，結(jié)合雙諧振調(diào)配網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)雙諧振調(diào)配網(wǎng)絡(luò)在中波天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。

【關(guān)鍵詞】雙諧振調(diào)配網(wǎng)絡(luò)；中波天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.028

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，廣播技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，廣播電臺(tái)播出的頻道越來越多，中波發(fā)射臺(tái)的重要性日益凸顯。由于源站面積有限，而中波天線地面網(wǎng)絡(luò)的范圍較廣，一個(gè)中等規(guī)模的站最多只能建四個(gè)中波發(fā)射塔，如何解決無線信道過多、發(fā)射天線少的問題，是擺在我們面前的新課題。一般一對(duì)中波發(fā)射天線只對(duì)一個(gè)中波發(fā)射機(jī)工作，但應(yīng)用雙諧振中波調(diào)配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，兩個(gè)不同頻率的中波發(fā)射機(jī)可以共用一個(gè)中波發(fā)射天線，從而在不增加發(fā)射天線數(shù)量的情況下，將發(fā)射頻率的數(shù)量翻倍，大大減少了天線不足的困境。另外，傳統(tǒng)的天線配置網(wǎng)絡(luò)有單并聯(lián)、L型、倒L型、T型等，但是其都有一個(gè)共同的缺陷，即帶寬較窄，容易產(chǎn)生邊帶反射，頻帶外衰降低，多個(gè)頻段間的交互作用也很大。而與傳統(tǒng)的混合網(wǎng)絡(luò)比較，雙頻調(diào)制網(wǎng)絡(luò)帶寬寬，帶寬損耗大，帶寬性能好。

1. 雙諧振調(diào)配網(wǎng)絡(luò)在中波天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計(jì)思路與應(yīng)用要點(diǎn)

1.1 網(wǎng)絡(luò)選型

在進(jìn)行雙諧振中波調(diào)配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須科學(xué)地選擇合適的網(wǎng)絡(luò)。具體要點(diǎn)和步驟如下：

（1）預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。一般設(shè)在天線底端的串、并聯(lián)單元叫預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。發(fā)射塔運(yùn)行過程中不同工作頻率天線輸入阻抗不一樣，預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中需要將不同頻率天線輸入阻抗相互轉(zhuǎn)換，使得其值相近，從而為之后的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)工作。在沒有接入預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的情況下，阻抗差有可能較大，這將影響到天線端的電壓、電流等參數(shù)，甚至使天線端線路電壓差加大，出現(xiàn)串?dāng)_等問題，還可能堵塞同一通道，影響網(wǎng)絡(luò)視在功率，使之功率升高，從而使匹配網(wǎng)絡(luò)總功率升高，最終損害發(fā)射機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（2）阻塞網(wǎng)絡(luò)。阻塞網(wǎng)絡(luò)能夠避免雙諧振中波配置網(wǎng)絡(luò)工作過程中信號(hào)的相互信道化而起到隔離的作用。設(shè)計(jì)阻塞網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要保證經(jīng)過此頻率阻抗很小。在屏蔽其他頻率情況下，需要增大載波頻率阻抗以保證上、下側(cè)頻率阻抗比較大。一般情況下閉鎖電路阻抗與發(fā)射器中心頻率相對(duì)應(yīng)。載波阻斷阻抗大于10KΩ，邊帶波阻斷阻抗會(huì)維持在5KΩ或更大。這可以有效地阻止匹配網(wǎng)絡(luò)從這個(gè)頻率到另一個(gè)頻率，防止由無線電波泄漏引起的特性變化和交叉調(diào)制。

（3）阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。一般來說，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)形式包括Γ型、倒Γ型、T型和π型網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于Γ型網(wǎng)絡(luò)，饋線特性阻抗超過天線輻射電阻后建議采用a型網(wǎng)絡(luò)，保證低特性阻抗值滿足要求。反向Γ在饋線特性阻抗低于天線輻射電阻情況下，也需保證低特性阻抗值符合有關(guān)規(guī)定。在低特性阻抗值低于2的情況下，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需結(jié)合具體情況進(jìn)行科學(xué)的處理。在T型匹配網(wǎng)絡(luò)選型時(shí)，可選取不同分量值對(duì)低特性阻抗值進(jìn)行變化，從而保證匹配網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到低特性阻抗的特定要求。

1.2 確定元器件構(gòu)成

以540kHz頻率為例：

桿塔底應(yīng)加設(shè)防雷及放電線圈并兼顧防雷及阻抗變換作用。一般情況下應(yīng)該接入微亨量級(jí)電感。

因?yàn)殡p頻共塔的原因，要屏蔽711kHz頻率，就要在540kHz頻率調(diào)配網(wǎng)絡(luò)上增加屏蔽711kh頻率調(diào)配網(wǎng)絡(luò)。這樣會(huì)造成電感-電容并聯(lián)振蕩；與此同時(shí)，組合電容器的存在，使得整個(gè)電路在711kHz并聯(lián)諧振狀態(tài)下工作，從而導(dǎo)致711kHz信號(hào)不能被穿越。這種方法雖然有一定效果，但卻不能完全消除630kHz的干擾。另外，如果采用串聯(lián)補(bǔ)償方式的話，需要大量元件才能滿足設(shè)計(jì)要求。此外，該方法也存在一些不足之處。這一系列問題都是由于電感器中的電容造成的。

對(duì)于雙諧振網(wǎng)絡(luò)來說，當(dāng)阻抗為50Ω時(shí)，其最終純電阻與電容之比接近于零，而對(duì)于阻塞網(wǎng)絡(luò)而言，其感應(yīng)電抗是一個(gè)常數(shù)。

考慮到初、次級(jí)諧振電路均須實(shí)現(xiàn)電感與電容的并聯(lián)諧振且初級(jí)電路必須有諧振電感與諧振電容。本文研究了這種情況下的高頻振蕩器及其工作特性。同樣，次級(jí)電路應(yīng)該有諧振電感與諧振電容，但是因?yàn)樘炀€自身對(duì)次級(jí)電路的阻抗及接地放電線圈，阻塞網(wǎng)絡(luò)等部件構(gòu)成的電路都具有電容性，只要添加了諧振電感，就無需添加額外的諧振電容。此外，初級(jí)與次級(jí)之間還需要連接耦合電容器。

1.3 電路元器件參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3.1 防雷與電路阻抗

為了將雷電引入地面，起到防雷作用，同時(shí)改變電路阻抗，以便于以后的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)接地泄放線圈。在同一根桿塔上傳遞的兩種頻率，其阻抗是不一樣的。兩個(gè)頻率阻抗的實(shí)部與虛部是不相等的。根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法來確定這兩個(gè)頻率的阻抗是很有必要的。本文提出了一種新的基于等效電容法的計(jì)算方法，可以直接計(jì)算出兩個(gè)頻率的阻抗值。這種算法簡(jiǎn)單實(shí)用。為后期阻抗變換方便，同時(shí)兼顧桿塔底部?jī)深l率電壓，電流，視在功率等參數(shù)，一般宜在放電接地線圈與天線相連時(shí)，使得兩頻率阻抗與天線阻抗實(shí)部相等或相近。

1.3.2 抗干擾設(shè)計(jì)

不同發(fā)射站點(diǎn)發(fā)射站工作過程中，若多臺(tái)發(fā)射器同時(shí)工作，則會(huì)對(duì)發(fā)射站點(diǎn)內(nèi)相鄰頻率比較近的發(fā)射器工作狀態(tài)產(chǎn)生直接的影響。

當(dāng)信號(hào)傳輸過程中有外界因素引起頻率偏移或者其他原因造成信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的電磁干擾問題。如：電磁污染和射頻干擾等，從而導(dǎo)致發(fā)射機(jī)無法正常工作，甚至損壞。在雙共振中波配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)過濾外部干擾源，這將是改善發(fā)射機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的首要手段。目前常用的抑制外部干擾源的濾波方法包括：帶通濾波器、阻塞網(wǎng)絡(luò)和陷波網(wǎng)絡(luò)等。陷波網(wǎng)絡(luò)得到了比較廣泛的運(yùn)用，其主要原因是采用陷波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能夠過濾掉外界干擾源而不對(duì)網(wǎng)絡(luò)阻抗造成不利影響。

為了提高中波天饋系統(tǒng)的傳輸效率和抗干擾能力，可設(shè)計(jì)阻塞電路，一般采用將電感與電容并聯(lián)的方式進(jìn)行。但要實(shí)現(xiàn)理想的阻塞效應(yīng)，其阻抗的實(shí)際值應(yīng)該比較高，并且阻塞網(wǎng)絡(luò)對(duì)于本地頻率不應(yīng)有較大的功率損耗。因此，當(dāng)計(jì)算出的阻塞網(wǎng)絡(luò)對(duì)本地頻率有較大功率損耗時(shí)，可以使用串并聯(lián)復(fù)合阻塞網(wǎng)絡(luò)來降低功率損耗。在具體的設(shè)計(jì)和計(jì)算中，可以使用計(jì)算機(jī)模擬。元件的值不僅應(yīng)考慮阻塞效應(yīng)，還應(yīng)考慮盡可能小的功率損耗。以540kHz頻率為例，參見圖1。

要設(shè)計(jì)兩個(gè)阻塞網(wǎng)絡(luò)，頻率分別為612kHz和711kHz。711kHz閉鎖網(wǎng)絡(luò)：電感L4和電容器C3在540kHz頻率下串聯(lián)諧振，當(dāng)L5串聯(lián)C4時(shí)，以711kHz的頻率并聯(lián)L4，C3發(fā)生諧振。這時(shí)可計(jì)算得出電阻711kHz頻阻塞網(wǎng)絡(luò)實(shí)際等效阻抗很大（理論無限大），L5與C4構(gòu)成的臂部等效電容2045pf，功率損耗值1600W左右；但由于采用了復(fù)合阻塞方式，單臂部L4與電容器C3串聯(lián)諧振時(shí)540kHz頻功率損耗會(huì)大幅減小。類似地，612kHz頻率阻塞網(wǎng)絡(luò)可被設(shè)計(jì)并計(jì)算。電感L2和電容C1在540kHz頻率下串聯(lián)諧振，L3和C2在612kHz頻率下與L2和C1并聯(lián)諧振。可以計(jì)算出，頻率為612kHz的阻塞網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際有效阻抗較大。類似地，由于使用復(fù)合阻塞，當(dāng)單臂L2與電容器C1以540kHz為頻率發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，從而會(huì)極大地降低540kHz處功率損耗。在頻率為711kHz分配網(wǎng)絡(luò)上，經(jīng)計(jì)算可選取34.75為頻率為540kHz阻塞網(wǎng)絡(luò)。μH電感與2500pf電容平行連接。這時(shí)阻塞網(wǎng)絡(luò)到711kHz時(shí)功率損耗在333w左右，數(shù)值較低，因而沒有采用復(fù)合阻塞網(wǎng)絡(luò)。

1.3.3 雙諧振電路

通常情況下，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試時(shí)一般是將天線配電網(wǎng)連接饋線切斷，再將天線走向地阻抗取50Ω即可。所以在通常情況下，靠近饋線端的網(wǎng)為主網(wǎng)，靠近天線端的網(wǎng)為次網(wǎng)。從電路圖上看，通常初級(jí)網(wǎng)絡(luò)與次級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間都有耦合電容來限制，并且耦合電容分布于其兩側(cè)。如圖1所示，頻率為540kHz的分配網(wǎng)中，初級(jí)網(wǎng)在耦合電容C6右邊，次級(jí)網(wǎng)在左邊。初、次級(jí)諧振電路在天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中占有重要地位，是雙諧振調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中最核心的電路。也可在計(jì)算機(jī)模擬的幫助下，完成設(shè)計(jì)與計(jì)算。初級(jí)諧振網(wǎng)絡(luò)計(jì)算比較簡(jiǎn)單，電感與電容可并聯(lián)使用。電感、電容值要滿足功率損耗比較低，對(duì)地實(shí)際有效阻抗比較大（>5000Ω）。

計(jì)算時(shí)，為簡(jiǎn)便可首先忽略耦合電容。通常初級(jí)與次級(jí)參數(shù)可設(shè)計(jì)成盡量相同或者相近，這是因?yàn)樵陔p諧振理論中，不論是電容耦合、互感耦合或是二者結(jié)合的耦合方式，電路整體諧振曲線都可看作是初級(jí)與次級(jí)諧振曲線疊加而成。圖1中540kHz頻率范圍內(nèi)，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)天線經(jīng)過接地線圈后再經(jīng)過2個(gè)阻塞網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其a點(diǎn)阻抗介于25.8-j12.6Ω之間。若與諧振電感直接相連，因虛部值過小，則實(shí)際諧振阻抗較小，并聯(lián)諧振時(shí)電感也較小，不利于并聯(lián)諧振電路實(shí)現(xiàn)，且施工時(shí)難以順利調(diào)試。所以可考慮先接一個(gè)6000pf的電容器使其阻抗改為25.8-j61.7Ω。由虛部值計(jì)算得到的等效電容在4800pf左右（不計(jì)耦合電容作用），畫在電路形式上。為計(jì)算方便可變換成并行的形式。簡(jiǎn)化后可以求解方程獲得串并聯(lián)交換的公式：

RP=（1+Q2）RS；XP=RP/Q

依據(jù)公式對(duì)圖1所示540kHz，711kHz雙頻調(diào)配網(wǎng)絡(luò)等效電路進(jìn)行計(jì)算，從而得到該電路并聯(lián)阻抗達(dá)到并聯(lián)諧振要求，所需電感21.4微米（電感電抗72.6Ω，不計(jì)互感），且與XP產(chǎn)生并聯(lián)諧振。一次并聯(lián)諧振電路時(shí)，為了便于計(jì)算，電容與電感可以分別取為5000pf，17.39μH。由定性分析可知，受L6，L7互感影響，其實(shí)際電感稍偏離上文計(jì)算電感。類似地，因?yàn)轳詈想娙?，在沒有考慮耦合的情況下實(shí)際電容允許和計(jì)算值稍有差別。調(diào)試頻率為540kHz，20μH或者略大一點(diǎn)的線圈可以在初級(jí)線圈L7與次級(jí)線圈L6之間使用，方便調(diào)節(jié)。

1.3.4 電磁耦合

電磁耦合理論認(rèn)為過耦合（強(qiáng)耦合）運(yùn)行時(shí)諧振曲線呈現(xiàn)雙峰且中心點(diǎn)凹陷，對(duì)運(yùn)行不利；欠耦合（弱耦合）運(yùn)行時(shí)則諧振曲線峰值小且?guī)挶容^窄；網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于最佳耦合時(shí)效果最好且峰值大。可見最佳耦合是平頂?shù)?，寬帶的，它的峰值在臨界耦合附近。定量計(jì)算可建立在電容耦合雙諧振理論基礎(chǔ)上，也可建立在一次，二次及耦合電容構(gòu)成的全網(wǎng)等效電路基礎(chǔ)上。

2. 結(jié)束語

雖然當(dāng)今社會(huì)人們獲取信息的方式越來越多樣化，但由于中波廣播網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、接收設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此仍然有很多用戶，特別是在發(fā)生突發(fā)災(zāi)害時(shí)，當(dāng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)癱瘓時(shí)，中波廣播網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)更加突出。因此，中波廣播網(wǎng)肩負(fù)的不僅僅是信息傳輸?shù)娜蝿?wù)，其還承擔(dān)著將黨的聲音傳遞到千家萬戶的政治任務(wù)。本研究中提到的電磁耦合雙諧振天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)結(jié)果并非唯一。本文僅為相關(guān)工程技術(shù)人員提供了設(shè)計(jì)思路，本文給出的相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不一定是最佳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。在闡述中，也盡可能選擇最簡(jiǎn)單的計(jì)算來描述。相關(guān)專業(yè)書籍《基礎(chǔ)理論》中解釋了一些相關(guān)的基本理論計(jì)算。參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算非常復(fù)雜，在計(jì)算過程中需要計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，最好借助于專用的天線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)程序。此外，現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試非常重要。由于電磁場(chǎng)的存在，調(diào)試過程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)都不容忽視。此外，根據(jù)具體情況，還可以使用初級(jí)、次級(jí)雙抽頭接入等不同的電路形式來實(shí)現(xiàn)電磁耦合雙諧振中波天線分配網(wǎng)絡(luò)。

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作者簡(jiǎn)介：李革，云南省普洱市，工程師，研究方向：中波廣播.