短波發(fā)射系統(tǒng)工作效率影響研究

梁振興

內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視傳輸發(fā)射中心839臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

短波發(fā)射作為一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，主要工作原理是通過天線將發(fā)射機加工編碼過的信號向電離層發(fā)射，經(jīng)過一次或多次反射，被地面的目標(biāo)區(qū)域接受。其系統(tǒng)復(fù)雜，傳輸距離長，整個發(fā)射系統(tǒng)環(huán)節(jié)眾多，影響因素龐雜。首先，發(fā)射臺內(nèi)供配電系統(tǒng)、發(fā)射機、天饋線等技術(shù)環(huán)節(jié)，會影響發(fā)射效率；其次，發(fā)射機接受周邊物理環(huán)境、電磁場景、建筑物等干擾因素，均能影響發(fā)射接收質(zhì)量，造成發(fā)射效率降低；再次，空間環(huán)境，如太陽黑子活動、電離層夏秋變動等因素，均會影響短波發(fā)射系統(tǒng)工作效率。根據(jù)上述分析，可知從短波發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備入手，優(yōu)化可掌握和控制的變量，提升短波發(fā)射工作的效率。

1 短波發(fā)射機效率影響分析

1.1 短波發(fā)射機的原理

短波發(fā)射機可以拆分為電源系統(tǒng)、射頻放大系統(tǒng)、調(diào)制器系統(tǒng)、平衡轉(zhuǎn)換器、監(jiān)控和自動調(diào)諧系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)。發(fā)射機的電源設(shè)備提供發(fā)射機各分機的交流和直流電，并產(chǎn)生相關(guān)的監(jiān)測信號，支撐發(fā)射機各部分運行；射頻放大系統(tǒng)的三級放大鏈由頻率綜合器、寬放、柵地推動級協(xié)同耦合腔高末級功放構(gòu)成；調(diào)制器系統(tǒng)兩大部分則包括功率開關(guān)模塊及其控制器以及數(shù)字化PSM控制器；控制系統(tǒng)涵蓋了微機監(jiān)控、自動調(diào)諧與自動匹配和音頻控制系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)采用去離子水，提升高末級電子管散熱效率的同時增強其短時過負荷能力，并且輔助設(shè)備低功率有助于提升整機效率。

1.2 短波發(fā)射機自身效率的主要影響因素

短波發(fā)射機效率的高低一定程度上決定著整個發(fā)射系統(tǒng)的效率，提升發(fā)射機效率能夠幫助發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換。在工作條件穩(wěn)定的情況下，用百分比來表示發(fā)射機的輸出功率與輸入功率之比，即為發(fā)射機的整機效率。其中輸入功率是供配電系統(tǒng)輸入發(fā)射機所有有用功功率，輸出功率是作用在假負載上的功率。839臺更新的發(fā)射機采取數(shù)字化技術(shù)的電源模塊搭配PSM調(diào)制器，整機信噪比指標(biāo)優(yōu)于63dB；高末級選用雙同軸腔體技術(shù)，穩(wěn)定覆蓋頻率高低端、高頻系統(tǒng)工作穩(wěn)定、功率設(shè)計冗余充分，可完成全頻帶短波無斷點調(diào)諧。高末級電子管使用工作于丙類的50kW功率量級4CV100000C金屬陶瓷四級管，實現(xiàn)“大馬拉小車”。前級選用4CX3000A金屬陶瓷四級管，同樣具備充足的功率冗余。能夠做到全頻段射頻載波功率：（3.2～26.1MHz時）大于等于50kW；在任何設(shè)計調(diào)制下和載波的總效率大于等于67%的同時失真、載波跌落小于等于3%。

短波發(fā)射機采用大功率輸出的末級電子管，選用CTPSMB-0型數(shù)字化脈沖階梯調(diào)制控制器后，使用PSM調(diào)制，表面上電子管額定輸出功率遠超出實際使用功率，形成一點浪費，但實際上獲得了更大的電子管放射電流、更高跨導(dǎo)。與此同時，各電極實際使用值遠遠低于額定值，如此便能夠加大直流陽壓配合較小的陽流導(dǎo)通角及很低的剩余陽極電壓，從而在延長電子管壽命的同時，極大提升輸出效率。以SW50-D型50kW發(fā)射機為例，末級電子管選用4CV100000C型金屬陶瓷四級管，它的末級陽壓為14kV，最大陽流能夠達到11.6A，能夠穩(wěn)定輸出140kW的功率，在實際工作狀態(tài)，陽壓為9kV，陽流為6.5A，只需要輸出功率50kW，在實現(xiàn)設(shè)計輸出功率時，它的末級屏流遠低于最大值。得益于較高的屏壓、屏流利用系數(shù)，獲得較高的屏效率，從而可以采用較小的推動功率，有效地提高整機效率。末級輸出的л型網(wǎng)絡(luò)采用耦合腔體做電感，在最大限度地避免射頻寄生模式振蕩、消除射頻反射、改善高周穩(wěn)定的同時，通過耦合腔電感充分的提高短波高頻段槽路Q值，極大提高了效率并有效提升整機效率。除去消耗在風(fēng)機、冷凝器、水泵及控制器系統(tǒng)和電子管自身消耗的能量，目前50kW短波發(fā)射機整機效率能達到67%以上。

1.3 電路模塊對于短波發(fā)射機效率的影響分析

SW50D型PSM短波廣播發(fā)射機的調(diào)制級共采用50個功率開關(guān)模塊。功率開關(guān)模塊通過一個功率開關(guān)控制器板，來控制功率開關(guān)模塊上保護管與開關(guān)管的動作（通、斷）。因為功率開關(guān)模塊與它的控制器板都工作于高電位，而PSM組合處于低電位，兩者間的控制信號需要通過兩條高絕緣的光纜傳輸。其中一路光纜是負責(zé)接收循環(huán)調(diào)制器發(fā)出的合或斷DC管（即開關(guān)管）指令信號；另一路光纜負責(zé)傳遞各功率開關(guān)模塊工作信息，并分析是否正常工作。

該控制器的主要作用是將來自PSM控制盒光發(fā)射器A12板的合/斷指令光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并合上或斷開與之對應(yīng)的PSM功率開關(guān)模塊，與此同時還對各PSM功率開關(guān)模塊做自檢，并采取故障保護。最后將每個PSM功率開關(guān)模塊的工況通過光纜反饋至PSM控制盒中的開關(guān)狀態(tài)板，以作前面板指示和對應(yīng)控制之用。通過研究功率模塊的運行及開關(guān)狀態(tài)下電路檢測數(shù)據(jù)，能夠發(fā)現(xiàn)功率模塊整流輸出的基準(zhǔn)電壓會隨著外電電壓的浮動而變化，其浮動的大小與外電壓相對額定電壓值的差值正相關(guān)，其浮動的幅度、升降方向與外電壓相同。電路中脈沖頻率會隨著輸出電壓變化而產(chǎn)生波動，致使脈沖平均值產(chǎn)生偏移，載波控制部分的直流信號來自穩(wěn)定電源，載波信號一般不會隨外電電壓浮動而變化，而發(fā)射機的高末屏壓在外壓變化時會自動進行調(diào)節(jié)，直至接近或達到額定數(shù)值。根據(jù)上述檢測分析可知，輸出電壓的穩(wěn)定受限于外部額定電壓變化，會隨之波動。在實際運行中，少合PSM功率模塊會導(dǎo)致外部電壓較高；多合PSM功率模塊則會導(dǎo)致外部電壓較低，兩者均會導(dǎo)致輸出電壓上下浮動，從而影響電路的脈沖功率，使得脈沖電壓平均值不能穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍。從而嚴(yán)重降低整機發(fā)射效率。實際工作中，我們注意到更換控制板、功率模塊后短波發(fā)射機的高末直流屏壓，出現(xiàn)電壓降低。可以肯定的是，功率模塊的輸出電壓會影響發(fā)射機輸出電壓，在輸入功率不變的情況下，也會影響發(fā)射機的輸出功率，并降低整個發(fā)射系統(tǒng)工作效率，要給予更多關(guān)注，及時調(diào)整。

2 天饋線系統(tǒng)效率影響分析

2.1 天饋線系統(tǒng)影響分析

駐波比又稱駐波系數(shù)，它主要是指駐波的波腹電壓波谷的電壓幅度之比。當(dāng)饋線與天線阻抗匹配時，駐波比為1，此時天線系統(tǒng)沒有反射能量損耗，發(fā)射機產(chǎn)生的能量能夠完全經(jīng)天線全部輻射出去；當(dāng)駐波比無窮大時，天線會呈全反射狀態(tài)，發(fā)射機能量不能經(jīng)天線輻射出去。

從整體上看，發(fā)射系統(tǒng)由信源、傳輸線連接負載組成，若信號源與傳輸線、天線匹配不佳，不但造成信號源頻率、輸出功率的不穩(wěn)定，而且限制信號源輸出最大功率，導(dǎo)致負載得不到全部入射功率，嚴(yán)重損失發(fā)射效率；與此同時在與負載不匹配的傳輸線上會生成駐波，寄生的駐波增加傳輸線衰減的同時，會降低傳輸線的有效功率；且會導(dǎo)致天線實際駐波比增大，發(fā)射機及天線的實際效率不斷降低，短波輻射范圍逐漸縮小。在這種的情況下，天線的實際阻抗中包含較大電抗分量，因反射功率較大產(chǎn)生的回灌性沖擊會導(dǎo)致發(fā)射機高末級的電子管陽極損耗增大，可能在發(fā)射機的諧波濾波器、平衡轉(zhuǎn)換器、高末級槽路等點位以及天饋線系統(tǒng)中形成高電壓，并導(dǎo)致打火，造成器件損壞。

2.2 天線反射功率與傳輸效率

天線效率是輻射到空間的功率Prad和入射天線的功率PIN的比值。即：

天線損耗由兩部分組成，即歐姆損耗與饋電點反射。其中歐姆損耗即天線等效阻抗中的損耗電阻Rloss，是由于介質(zhì)損耗與導(dǎo)體損耗造成的，以熱能形式消耗。而等效輻射電阻Rr上的功率才可以被轉(zhuǎn)化為電磁波輻射到空間中。天線的輻射效率為輻射功率與接收功率Paccept的比值。即：

天線的作用是向外輻射電磁波，其本質(zhì)為一個持續(xù)變化開放式電容，在諧振頻率電抗為零，饋電點表現(xiàn)為純電阻，其不能在整個工作頻段內(nèi)保持理想狀態(tài)，故天線會在部分頻點生成容抗、感抗分量，統(tǒng)稱為電抗分量。短波發(fā)射過程中，傳輸線上的電抗分量重復(fù)在每個波長內(nèi)變化，是感抗（或容抗）到純阻到容抗（或感抗）再到純阻最后回到感抗（或容抗）的循環(huán)。在臺站改造天線交換開關(guān)后，諧波濾波器與平衡轉(zhuǎn)換器及天線間的相對距離均有變動，天線本身電抗分量不變的情況下，發(fā)射機輸出端、平衡轉(zhuǎn)換器、諧波濾波器中的電抗分量均隨之變化，此時，應(yīng)當(dāng)積極調(diào)整發(fā)射機的諧波濾波器與平衡轉(zhuǎn)換器相應(yīng)參數(shù)，匹配傳輸系統(tǒng)，減少天線在該頻點的駐波比和反射功率，提升發(fā)射效率。

2.3 傳輸線系統(tǒng)效率

發(fā)射機輸出端的饋線會在天線阻抗特性的影響下表現(xiàn)為偏感性或偏容性，傳輸饋線與交換開關(guān)間的線路運行中會產(chǎn)生額外的感抗或容抗，天線的阻抗與這部分阻抗分量疊加在發(fā)射機輸出端，也會造成輸出系統(tǒng)不匹配。在臺站改造中，將天線交換開關(guān)及其附屬部件加入傳輸系統(tǒng)，使系統(tǒng)特性阻抗發(fā)生變化與發(fā)射機匹配不佳，造成反射功率與駐波比變大，此時需要對諧波濾波器與平衡轉(zhuǎn)換器的參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整，重新匹配傳輸系統(tǒng)與發(fā)射機輸出端阻抗，以降低駐波比與反射功率，提升發(fā)射效率。

饋線的損耗是由導(dǎo)線損耗、絕緣子、地面損耗、饋線附屬物和周圍物體引起的雜損耗及輻射損耗等多種因素構(gòu)成。其中，導(dǎo)線損耗大小由導(dǎo)線材料導(dǎo)電率決定，考慮成本與性能問題，臺站普遍選取銅包鋼線材，降低導(dǎo)線損耗同時有效控制成本；地面損耗原因在于大地導(dǎo)電率是有限的，因此饋線地面損耗會隨著距地面增高降低。實際中受到場地條件、成本、維護便利性等制約，饋線無法架設(shè)太高，臺站普遍的饋線距基礎(chǔ)標(biāo)高高度3.5~4m，能獲得較小的地面損耗；其外，地表不平、障礙物等也會造成特殊損耗。

理論上饋線效率公式較為復(fù)雜，通常在規(guī)劃設(shè)計時考慮多種因素進行計算，實際維護中，可以直接通過熱歐表在發(fā)射機及天線端進行測量，通過得到的電壓最大值UmaxT、最小值UminT（發(fā)射機端）與最大值UmaxA、最小值UminA（天線端）在進行計算，計算公式如下：

通過查閱相關(guān)檢測資料，我們認為饋線實質(zhì)上效率很高。實際工作中發(fā)射機不是絕對穩(wěn)定的輸出功率，數(shù)百米長的饋線阻抗調(diào)整也具有很高難度，可截取不同測量點或進行多次測算，將平均值作為輔助參考依據(jù)，逐步進行系統(tǒng)調(diào)整。此外，隨著發(fā)射機功率提升，整個天饋線系統(tǒng)損耗會有所增加，體系效率會隨之下降。