廣電信號傳輸中天饋線寬頻段阻抗匹配方式分析

王旭東

【摘要】在廣電傳輸系統(tǒng)中，如果天線和饋線阻抗之間不能做到良好匹配，便會有相應(yīng)的駐波產(chǎn)生，進(jìn)而對整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率及其穩(wěn)定性造成很大程度的不良影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在饋線末端的某個(gè)區(qū)域中，如果波長頻段不同，其電壓波節(jié)點(diǎn)便會呈現(xiàn)出兩個(gè)或者是多個(gè)距離較近的情況，這也是天饋線系統(tǒng)所獨(dú)有的規(guī)律。而對于這些電壓波節(jié)點(diǎn)所固有的特點(diǎn)，可通過合理的低阻抗匹配方法來解決天線和饋線阻抗不匹配問題，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)阻抗匹配設(shè)計(jì)難度的有效降低。本文便對這種匹配方式進(jìn)行分析，以此來為廣電傳輸系統(tǒng)的良好運(yùn)行及日常維護(hù)提供一些參考與啟示。

【關(guān)鍵詞】天線;饋線;阻抗匹配;寬頻段;匹配方式

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.06.10

在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展中，廣電發(fā)射機(jī)也實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的更新，且發(fā)射機(jī)也逐漸實(shí)現(xiàn)了自動化控制。廣電傳輸系統(tǒng)的具體應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，天線與饋線之間的阻抗不匹配將會對發(fā)射機(jī)的變換頻率及其自動協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確性等產(chǎn)生直接的影響作用。因此，在天饋線系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，技術(shù)人員一定要對其寬頻段阻抗匹配問題加以高度重視，并通過合理的技術(shù)措施來做好其阻抗匹配。這樣才可以發(fā)揮出該系統(tǒng)的充分優(yōu)勢，滿足當(dāng)今廣電傳播系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需求，促進(jìn)天饋線系統(tǒng)的良好應(yīng)用和廣電行業(yè)的良好發(fā)展。

1. 廣電天饋線系統(tǒng)及其寬頻段阻抗匹配問題概述

1.1 廣電天饋線系統(tǒng)情況概述

在本次所研究的某廣電中心天饋線系統(tǒng)中，天線系統(tǒng)可按照其發(fā)射機(jī)的實(shí)際型號來應(yīng)用與之水平相同的天線。而在饋線系統(tǒng)中，主要的組成部分有天線轉(zhuǎn)換開關(guān)、平衡轉(zhuǎn)換器以及主饋傳輸線。而在通過該廣電天饋線系統(tǒng)對發(fā)射頻率進(jìn)行變換的過程中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)中的駐波值呈現(xiàn)出了顯著增加的趨勢，且發(fā)射系統(tǒng)的調(diào)整工作無法完成。通過進(jìn)一步的原因分析發(fā)現(xiàn)，之所以會出現(xiàn)這樣的情況，其主要原因是天饋線系統(tǒng)中的寬頻阻抗不匹配。通過相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其駐波比值明顯偏高，需對天饋線寬頻阻抗進(jìn)行匹配調(diào)整。

1.2 廣電天饋線系統(tǒng)中的阻抗匹配問題概述

在廣電天饋線系統(tǒng)中，其寬頻阻抗不匹配的基本原因是傳輸和負(fù)載之間不匹配。在這樣的情況下，傳輸線上就會有駐波產(chǎn)生。駐波的存在不僅會降低傳輸線的有效功率，同時(shí)也會使其衰減增加。如果信號源與傳輸線之間不匹配，不僅會對信號源的輸出功率及其頻率穩(wěn)定性造成不良影響，同時(shí)也會使其負(fù)載的入射功率無法全部獲得。而要想讓傳輸線得到良好的匹配效果，寬頻阻抗匹配就是一種常用且有效的解決方法，該方法的主要目的是讓傳輸線兩側(cè)所接的寬頻阻抗和傳輸線自身所具有的特性阻抗相等。而在具體的寬頻阻抗匹配過程中，其基本原理是將一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)加設(shè)到傳輸線與終端這兩者之間，該匹配網(wǎng)絡(luò)需要由電抗元件組成，其功耗應(yīng)盡可能減小，且調(diào)節(jié)之后可以與各個(gè)終端負(fù)載之間達(dá)到良好的匹配效果。通過這樣的方式，便可借助于這個(gè)電抗元件所產(chǎn)生的反射波將系統(tǒng)中原有的反射波抵消，以此來達(dá)到消除駐波的效果，確保天線饋線系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 廣電天饋線寬頻段的主要阻抗匹配方式

在對廣電天饋線系統(tǒng)中的寬頻段阻抗進(jìn)行匹配的過程中，最主要的目的就是通過新產(chǎn)生的反射波將系統(tǒng)中原有的反射波抵消，這樣便可消除系統(tǒng)駐波問題，確保系統(tǒng)的良好穩(wěn)定運(yùn)行。而在具體的實(shí)現(xiàn)過程中，技術(shù)人員需要對以下幾個(gè)方面的問題加以科學(xué)解決：第一是天線輸入阻抗隨機(jī)變化和饋線所具有的特性阻抗之間的匹配問題;第二是特性阻抗不同的饋線之間所產(chǎn)生的阻抗變換問題;第三是平衡系統(tǒng)和不平衡系統(tǒng)這兩者之間的相互轉(zhuǎn)換問題。在對這些問題進(jìn)行解決的過程中，技術(shù)人員可通過傳輸線變壓器、階梯線、指數(shù)線、插入線、短截線等的方式來進(jìn)行處理。這些方法都可以讓上述問題得到有效解決，但是在具體的選擇與應(yīng)用過程中，技術(shù)人員需根據(jù)實(shí)際情況與實(shí)際需求來進(jìn)行處理方法的合理選擇，并對相應(yīng)的處理方案加以科學(xué)制定。在本次對某廣電中心的天饋線系統(tǒng)進(jìn)行寬頻段阻抗匹配的過程中，通過實(shí)際情況與多方面因素的綜合考慮，最終選擇了插入線匹配的調(diào)整方法。以下是對本次廣電天饋線寬頻段阻抗匹配方式所進(jìn)行的分析：

2.1 插入線阻抗匹配

在廣電天饋線寬頻段阻抗匹配的過程中，插入線阻抗匹配的主要原理是將一段和饋線具有不同特性阻抗的傳輸線串入到饋線上。通過這樣的方式，便可在特性阻抗跳變處產(chǎn)生相應(yīng)的反射波。而在插入線的終端位置，這個(gè)反射波將會和原來天線上的反射波達(dá)到相互抵消的效果。在將原反射波抵消之后，主傳輸線便會呈現(xiàn)出行波狀態(tài)，天線饋線系統(tǒng)的運(yùn)行也將恢復(fù)正常。

2.2 四分之一波長插入線匹配

在對廣電天饋線寬頻段進(jìn)行阻抗匹配的過程中，四分之一波長插入線匹配方法指的是將一段長度是波長的四分之一、特性阻抗是W1的傳輸線插入到傳輸線電壓波腹點(diǎn)或者是波節(jié)點(diǎn)位置，進(jìn)而將主傳輸線調(diào)整到行波狀態(tài)。按照無損耗傳輸過程中的線路終端負(fù)載是任意阻抗情況下的等效線上輸入阻抗公式計(jì)算可得出，插入線終端位置的等效阻抗為Zin。

在通過四分之一波長插入線的方式進(jìn)行寬頻段阻抗匹配的過程中，需對其插入點(diǎn)的位置進(jìn)行合理選擇，且插入線的特性阻抗應(yīng)為w1.按照傳輸線路理論，在電壓波腹點(diǎn)位置，其等效阻抗是W/k;在電壓波節(jié)點(diǎn)位置，其等效阻抗是W*k（其中的k所代表的是駐波率，它是一個(gè)介于0-1之間且小于1的實(shí)數(shù)）。分別在這兩個(gè)傳輸線上對等效阻抗是單純電阻的點(diǎn)進(jìn)行選取，并將其用作插入線始端位置的阻抗Z1，同時(shí)令插入線終端位置的阻抗為Zin=W，這樣便可讓主傳輸線達(dá)到良好的行波匹配效果。而如果插入始端為電壓波節(jié)點(diǎn)位置，也就是Z1=W*k，由于k小于1，所以由此可得出，當(dāng)四分之一波長插入線在電壓波節(jié)點(diǎn)位置插入之后，插入線所具有的阻抗W1始終比主傳輸線所具有的特性阻抗W小。

而通過進(jìn)一步的研究與分析發(fā)現(xiàn)，在四分之一波長插入線的阻抗匹配過程中，其插入點(diǎn)的位置應(yīng)按照饋線阻抗的高低來合理確定。

如果饋線屬于高阻抗饋線，就需要將其電壓波節(jié)點(diǎn)作為插入線的始端;而如果饋線屬于低阻抗饋線，則需要將其電壓波腹點(diǎn)作為插入線的始端。通過這樣的方式，才可以讓四分之一波長插入線發(fā)揮出良好的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)天饋線系統(tǒng)寬頻段阻抗的良好匹配，以此來確保系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，滿足廣電傳播的實(shí)際需求。

2.3 將天線輸入阻抗用作插入線負(fù)載情況下的線匹配

在對廣電天饋線系統(tǒng)中的寬頻阻抗進(jìn)行匹配時(shí)，按照插入線匹配方式的基本原理，在插入線的終端位置，主傳輸線將會處于行波狀態(tài)，但是饋線到天線的方向上卻依然會有相應(yīng)的駐波存在。如果將天線輸入阻抗用作插入線中的負(fù)載，便很可能讓存在駐波的傳輸線長度得到最大化的縮短。在通過四分之一波長插入線進(jìn)行阻抗匹配的過程中，在其插入線的始端位置，負(fù)載一定是純電阻，但是天線的輸入阻抗卻并不屬于純電阻，所以在具體的阻抗匹配過程中，不可以將天線輸入點(diǎn)用作四分之一插入線的始端。為實(shí)現(xiàn)上述概念的進(jìn)一步推廣，在具體的阻抗匹配過程中，我們可以將傳輸線上的任意一個(gè)點(diǎn)看作是天線輸入點(diǎn)，然后將上文確定的插入線插入到該點(diǎn)上，便可讓天饋線寬頻段阻抗達(dá)到良好的匹配效果。通過一系列的演算之后得出，在該廣電中心的天饋線系統(tǒng)寬頻段阻抗匹配過程中，其插入線的長度是13.1167267，插入點(diǎn)的位置是-2.292784227，插入方式是在天線下引端位置反向插入。

3. 結(jié)束語

綜上所述，在對天饋線系統(tǒng)進(jìn)行寬頻段阻抗匹配的過程中，插入線匹配是一種十分常用且有效的匹配方式。這種方法不僅可以讓天線系統(tǒng)和饋線系統(tǒng)之間達(dá)到良好的匹配效果，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)行波系數(shù)的有效提升，且不會對天線工作頻段中的其他頻率造成不良影響;加之其結(jié)構(gòu)簡單、材料節(jié)約等的諸多優(yōu)勢，使得該方法已經(jīng)在當(dāng)今的廣電天饋線系統(tǒng)寬頻段阻抗匹配中得到了廣泛應(yīng)用。但是在具體的匹配過程中，技術(shù)人員一定要做好相應(yīng)的測量和誤差計(jì)算，這樣才可以讓行波系數(shù)達(dá)到良好的匹配效果。在此過程中，技術(shù)人員也應(yīng)該做好接線以及分支等的調(diào)整工作，以此來滿足實(shí)際的匹配指標(biāo)要求。通過這樣的方式，才可以讓插入線阻抗匹配法在廣電天饋線系統(tǒng)寬頻段阻抗匹配問題的解決中發(fā)揮出強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢，以此來為廣電傳播奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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