中波廣播天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實踐

申連雄，張 斐

(榆林廣播轉(zhuǎn)播臺，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著數(shù)字信息化技術(shù)的進步，中波廣播發(fā)射機正朝著高效率、高質(zhì)量、高穩(wěn)定、數(shù)字化、固態(tài)化、自動化的方向發(fā)展。天線匹配網(wǎng)絡(luò)是連接發(fā)射機與天線的橋梁，它不僅具有連通作用，還具有濾波、阻抗匹配、防雷等功能。

當發(fā)射機輸出阻抗與天線阻抗不匹配時，發(fā)射機的輸出功率不能全部輸送到天線上，如果輸出功率減少、反射功率增大，就會產(chǎn)生駐波，導(dǎo)致信號失真，電聲指標下降，不能滿足發(fā)射機發(fā)射要求，嚴重時還可能出現(xiàn)線圈打火燒壞設(shè)備等問題。基于這種情況，通常給發(fā)射機設(shè)計一個嚴密的保護機制，當反射功率大于1.35時，發(fā)射機停止輸出功率進行自動關(guān)機保護。發(fā)射機能否穩(wěn)定、可靠地工作，同時能實現(xiàn)傳輸功率最大化，在很大程度上受到天調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的影響。因此，天調(diào)網(wǎng)絡(luò)是否工作在最佳匹配狀態(tài)就顯得尤為重要[1]。

1 中波廣播天調(diào)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成

1.1 預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)

預(yù)調(diào)阻抗網(wǎng)絡(luò)的主要原理是在整個天線底部增加由多個串聯(lián)或并聯(lián)的集中電阻阻抗加載元件所連接組成的預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，其實質(zhì)上就是在整個天線底部進行天線電抗加載，以便于減小天線因工作頻率降低導(dǎo)致天線底部阻抗變化造成的影響。采用新型預(yù)調(diào)天線網(wǎng)絡(luò)后，天調(diào)天線網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬范圍能夠得到極大的擴展，使相匹配預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試更加容易[2]。

1.2 匹配網(wǎng)絡(luò)

中波發(fā)射機輸出阻抗一般為50 Ω、75 Ω或230 Ω的純電阻阻抗，再通過相應(yīng)阻抗的饋線連接到天調(diào)室。天線則是隨高度和邊框、頻率等參數(shù)變化的復(fù)數(shù)阻抗。它們之間需要設(shè)計一個匹配網(wǎng)絡(luò)，使天線實部電阻和饋線阻抗相等，并抵消天線復(fù)數(shù)阻抗中的虛部電抗，完成天線阻抗和饋線特性阻抗的匹配[3]。

匹配網(wǎng)絡(luò)天線需要同時解決兩個基本問題：一是如何使匹配天線的實部特性電阻值等于匹配饋線的特性阻抗值，二是饋線如何抵消匹配天線的虛部特性電抗。要想解決以上兩個問題，必須通過電抗元件L和C組成各種形式的匹配網(wǎng)絡(luò)連接到天線，使天線阻抗和發(fā)射機饋線阻抗匹配。4種匹配網(wǎng)絡(luò)原理如圖1所示。正Γ形與倒Γ形網(wǎng)絡(luò)比較簡單，只有兩個元件。從理論上講，Γ形網(wǎng)絡(luò)可以將任意阻抗匹配到所需阻抗上。為了保證調(diào)配網(wǎng)絡(luò)具有合適的濾波度，回路品質(zhì)因數(shù)Q通常要求在2～6。T形匹配網(wǎng)絡(luò)由3個元件組成，把并聯(lián)臂的電感或電容看成兩個電感或電容的并聯(lián)，那么T形網(wǎng)絡(luò)就可看成一個正Γ形和倒Γ形網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)。Π形網(wǎng)絡(luò)由3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)就可看成一個倒Γ和正Γ網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)。

圖1 4種匹配網(wǎng)絡(luò)原理

1.3 阻塞網(wǎng)絡(luò)

新建中波臺土地利用資源有限，為了充分利用有限的土地資源，往往一副共塔天線需要同時發(fā)射多個不同頻率的中波信號，大大減少了土地成本。為了干擾匹配抑制網(wǎng)絡(luò)達到理想的運行狀態(tài)，只能考慮采取雙頻共塔或多頻共塔的匹配方式。但是，不同頻率之間的干擾特別嚴重，特別是共塔頻率會存在嚴重的高頻倒送干擾，為了消除共塔頻率的干擾影響，就需要增加一個或者多個干擾抑制匹配網(wǎng)絡(luò)——阻塞網(wǎng)絡(luò)，最大限度地減小共塔頻率對本頻的影響[4]。

1.4 吸收網(wǎng)絡(luò)

吸收網(wǎng)絡(luò)雖然可以有效阻止其他共塔網(wǎng)絡(luò)頻率對本平臺頻率的干擾，但是無法對本臺其他頻率網(wǎng)絡(luò)進行更好的干擾。如果直接增加阻塞網(wǎng)絡(luò)，就會使整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常臃腫，大大增加了整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度和成本。由于其他中波天線單塔發(fā)射干擾頻率和共塔發(fā)射頻率相對干擾不是很大，可以采取被動吸收網(wǎng)絡(luò)的方法對其進行消除，依據(jù)不同干擾的強度，選擇采取不同的吸收方式對其進行干擾吸收[5]。

1.5 避雷系統(tǒng)

中波發(fā)射臺的發(fā)射天線高度基本在70 m以上，在當?shù)爻鞘兄幸菜闶禽^高的建筑，天線作為中波廣播發(fā)射體很容易受到雷電干擾，遭受雷擊的概率相當高，特別是建在雷電頻發(fā)區(qū)和高發(fā)區(qū)的中波天線，經(jīng)常出現(xiàn)雷電損壞發(fā)射機元部件和匹配網(wǎng)絡(luò)的情況。為了保證中波發(fā)射系統(tǒng)能夠安全運行，可以在天調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)中加裝防雷配置。3種防雷網(wǎng)絡(luò)原理如圖2所示。

圖2 3種防雷網(wǎng)絡(luò)原理

1.6 補償網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)調(diào)查，有些中波臺天線過低，天線的實部較小、虛部較大，因此，回路品質(zhì)因數(shù)Q值也較大，用常規(guī)的T形、Π形、正Г形和倒Г形網(wǎng)絡(luò)調(diào)試出來的匹配網(wǎng)絡(luò)帶寬過窄，無法實現(xiàn)中波廣播需要的正負9 kHz的頻率間隔。在這種情況下，中波發(fā)射臺可以使用補償網(wǎng)絡(luò)適當增加帶寬，一般情況下是在主頻率上下100 kHz范圍內(nèi)加1個補償網(wǎng)絡(luò)，通過增加補償網(wǎng)絡(luò)減小虛部，使Q值減小，從而增加帶寬。

2 天線匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

設(shè)計饋線與天線之間的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)是一項復(fù)雜的工作，所以將它調(diào)試在合適的工作狀態(tài)更需要細致與耐心[6]，這樣才能使發(fā)射機最大限度地將高頻功率通過天線輸送出去。

2.1 單頻單天線天調(diào)網(wǎng)絡(luò)

單頻單天線的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)通常采用正Г形和倒Г形兩種基本形式的L、C電路。本研究將天線阻抗和天調(diào)網(wǎng)絡(luò)一起看作1個無源二端網(wǎng)絡(luò)，當其等效阻抗等于饋線特性阻抗時，天線和饋線就匹配了。

Г形匹配網(wǎng)絡(luò)是最簡單和最常用的匹配網(wǎng)絡(luò)之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易達到天線實部電阻Ra調(diào)配和抵消虛部電抗等優(yōu)點，但不能同時滿足對Q值的要求，適合用于單頻單塔匹配網(wǎng)絡(luò)。當天線實部阻抗RaZ0時選用倒Г形匹配網(wǎng)絡(luò)。

通常調(diào)配網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)臂為正值(感性)，并聯(lián)臂取負值(容性)，這樣做是為了增強諧波濾波作用。天線的阻抗值與天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的電抗原件都是一個隨頻率變化的函數(shù)。調(diào)配網(wǎng)絡(luò)對載頻無反射，但在邊帶頻率上存在一定的損耗和反射，它們直接影響著發(fā)射機的指標。當反射過大時，發(fā)射機甚至會自動保護無法工作。

因為所有的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)元器件都是電抗元件，電抗元件值和天線阻抗值都是頻率的函數(shù)，對載頻而言又無反射匹配，在邊帶頻率上存在一定的損耗和反射，所以直接影響發(fā)射機的電聲指標，影響特別嚴重時，導(dǎo)致中波發(fā)射機有時不能正常工作。故近年來對全固態(tài)機的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、調(diào)整，必須考慮在整個工作寬帶內(nèi)天饋線系統(tǒng)都能有符合要求的匹配。

2.2 多頻共用天線網(wǎng)絡(luò)

在實際工作中，大多數(shù)發(fā)射臺不只是單機單塔工作，有許多是在二機共塔或多頻率干擾環(huán)境下工作，故在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中還必須考慮合理的抗干擾措施。

共用天線裝置就是在天線與廣播發(fā)射機的匹配網(wǎng)絡(luò)之間加入一個能阻止另一套節(jié)目串入的阻塞網(wǎng)絡(luò)，通常是由一對電感、電容組成的并聯(lián)諧振電路。

只要兩臺發(fā)射機的工作頻率不是靠得太近，通過選擇合適的并聯(lián)諧振電路元件值，即可使串入本發(fā)射機的功率保持在足夠的電平上。并聯(lián)諧振電路需要多少功率才能阻止另一頻率的電波滲入，這由廣播發(fā)射機的種類、頻率差等條件決定。若阻塞阻抗對載波在10 kΩ以上，對邊帶波在5 kΩ以上，從經(jīng)驗看，不會出現(xiàn)另一電波泄露引起的特性變壞和交叉調(diào)制等問題。

在中波發(fā)射臺中，建臺較早的天線高度都比較低，在中波段較低頻率工作時，天線低于0.2λ，這時天線的實部電阻Ra很小，虛部電抗±jXa較大，天線的回路品質(zhì)因數(shù)Q值較高。當天線的頻率發(fā)生變化時，引起虛部電抗±jΔXa變化大，而實部電阻Ra變化小，使Q值增加，更容易造成邊帶頻率特性不好。所以，當多頻共塔或天線高度過低、實部阻抗Ra較小，正Г形或倒Г形網(wǎng)絡(luò)不能滿足發(fā)射機的技術(shù)指標時，就要用T形或Π形網(wǎng)絡(luò)，并選擇匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值，以保證調(diào)配網(wǎng)絡(luò)有良好的邊帶特性。T形和Π形網(wǎng)絡(luò)的回路品質(zhì)因數(shù)Q值一般選在2～6。當天線虛部電抗Xa≥2Ra時，選用Π型網(wǎng)絡(luò)；當Ra·(1+Q)≥5時，選用T形網(wǎng)絡(luò)。

在實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，人們大多采用T形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，因為它有3個優(yōu)點：一是阻抗匹配范圍寬；二是調(diào)整簡單，只需要調(diào)整負載端及輸入端串聯(lián)的電感值；三是并聯(lián)臂使用固定電容，耐壓高、成本低[7]。

2.3 雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實例應(yīng)用

某臺現(xiàn)有工作頻率693 kHz、855 kHz、1 143 kHz和1 359 kHz都是10 kW，2014年新建臺時為了降低工程造價和節(jié)約土地資源，建有兩副高76 m自立式天線，只有693 kHz和1 359 kHz、855 kHz和1 143 kHz分別共塔。利用雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最新理念，實現(xiàn)4個頻率在兩副天線上安全播出。以載波頻率為693 kHz與1 359 kHz共塔網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為例，兩頻率輸出饋線的特性阻抗均為50 Ω，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測出天線對于693 kHz、1 359 kHz及其±10 kHz的天線阻抗。

(1)

(1)693 kHz頻率，假設(shè)S1=2,根據(jù)T形網(wǎng)絡(luò)中的計算公式

(2)

(3)

(4)

(2)1 359 kHz頻率，假設(shè)S1=2，根據(jù)T形網(wǎng)絡(luò)中的計算公式同理所得：

S2=1.14,X1=S1W=100,X2=S2Ra=122，XP=79.6

C=1472Pf，L1=12uH,L2=14uH

(4)

為了能實現(xiàn)以上功能，設(shè)計的理念是：采用雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)，在有限的天線場區(qū)范圍內(nèi)，通過設(shè)計相對簡潔的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，在滿足設(shè)計規(guī)范和要求的前提下，反復(fù)優(yōu)化系統(tǒng)配置與天線的布置，力求解決中波發(fā)射天線間、共塔頻率間的相互干擾與調(diào)配網(wǎng)絡(luò)帶寬化的問題，實現(xiàn)它們之間的相互干擾最小化[8]，確保信號安全高效傳輸。

結(jié)合上述計算結(jié)果及某臺現(xiàn)有工作頻率對雙頻共塔的影響，設(shè)計的主要思路是：采用補償網(wǎng)絡(luò)來提高工作頻率抗干擾能力；在串聯(lián)阻塞網(wǎng)絡(luò)采用符合阻塞網(wǎng)絡(luò)，使其串臂諧振在工作頻率上，然后再和電感(或電容)并聯(lián)諧振需要阻塞的干擾頻率上；并聯(lián)吸收網(wǎng)絡(luò)吸收頻率可以設(shè)置在干擾頻率的邊頻上，以減少對工作頻率的衰減，吸收網(wǎng)絡(luò)再和電感(或電容)并聯(lián)諧振在工作頻率上，再次對工作頻率進行補償，從而解決鄰頻干擾，再通過加上阻塞網(wǎng)絡(luò)和泄漏網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 某臺雙頻共塔設(shè)計

3 結(jié)語

某臺設(shè)計的693 kHz、1 359 kHz天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，不僅滿足了在復(fù)雜電磁場環(huán)境下多部發(fā)射機同時滿功率、滿調(diào)制度播出的要求，也為將來數(shù)字化的發(fā)展做好了準備。本文天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的思路和方法為中波調(diào)配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供了新的設(shè)計思想，用簡潔而精確的設(shè)計方法實現(xiàn)了天調(diào)網(wǎng)絡(luò)易調(diào)試、好維護的目標，可供參考。