短波廣播發(fā)射天線交換系統(tǒng)更新的技術(shù)探討

■ 新疆廣播電視局五二三臺(tái)：楚閎斐

隨著近年來科技的飛速進(jìn)步，廣播發(fā)射事業(yè)迎來了高質(zhì)量發(fā)展的蓬勃前景，安全播出作為節(jié)傳事業(yè)第一生命線，尤其對(duì)大功率短波發(fā)射臺(tái)站來說，傳輸?shù)陌踩?、高效性、可靠性將是必然技術(shù)要求。天線交換開關(guān)作為廣播傳輸中天饋線系統(tǒng)的重要組成部分，是發(fā)射機(jī)傳輸中的重要一環(huán)，是安全播出的重要保障，隨著工作運(yùn)行中不斷實(shí)踐，短波發(fā)射臺(tái)的室外天線交換開關(guān)也越來越多地被改造為運(yùn)行穩(wěn)定可靠的室內(nèi)天線交換開關(guān)[1]。

本臺(tái)于2018年、2023年對(duì)兩個(gè)發(fā)射機(jī)房天線交換系統(tǒng)分別實(shí)施了改造，將改造前后發(fā)射機(jī)端的反射功率和駐波比數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)把頻點(diǎn)的變化分成三種情況進(jìn)行分析，一種情況是：反射功率和駐波比均變小，大部分頻點(diǎn)屬于這種情況，這也是實(shí)施天線交換系統(tǒng)升級(jí)改造的最終目的，我們還可對(duì)平衡轉(zhuǎn)換器和諧波濾波器適當(dāng)調(diào)整，將該頻點(diǎn)的駐波比進(jìn)一步變小，改善發(fā)射機(jī)指標(biāo)參數(shù)；第二種情況是：反射功率和駐波比均變大，我們依然可通過適當(dāng)調(diào)整平衡轉(zhuǎn)換器和諧波濾波器的技術(shù)參數(shù)使反射功率和駐波比變小，造成此類現(xiàn)象一般是由于天線或饋線在該頻點(diǎn)上的電抗分量在發(fā)射機(jī)輸出端呈現(xiàn)出較大的變化，致使發(fā)射機(jī)輸出端和饋線不能滿足阻抗匹配導(dǎo)致發(fā)射機(jī)失諧，反射功率增大，發(fā)生這種情況的頻點(diǎn)數(shù)量較多，也是日常運(yùn)行中較常見現(xiàn)象；第三種情況是：改造前和改造后發(fā)射機(jī)與饋線阻抗都不可調(diào)配，這是由于天線在該頻點(diǎn)阻抗出現(xiàn)異常致使與發(fā)射機(jī)阻抗嚴(yán)重不匹配，無法從發(fā)射機(jī)端對(duì)阻抗進(jìn)行調(diào)配，只能對(duì)天線進(jìn)行調(diào)配以解決阻抗匹配問題，在實(shí)際運(yùn)維中出現(xiàn)此類情況較少見。以下專門就第二種情況進(jìn)行分析和討論。

1. 從傳輸線理論進(jìn)行分析

1.1 問題的產(chǎn)生

天線在某些頻點(diǎn)會(huì)呈容抗或呈感抗，將導(dǎo)致饋線在發(fā)射機(jī)輸出端的特性阻抗也呈現(xiàn)偏容抗或偏感抗，呈現(xiàn)出的電抗性質(zhì)和大小，不僅與天線有關(guān)，還與天線到發(fā)射機(jī)之間的饋線路徑長(zhǎng)短有關(guān)。

室外天線交換開關(guān)相互之間的連接饋線（如圖1所示）和室內(nèi)交換開關(guān)之間的連接饋線（如圖2所示）距離過近均會(huì)或多或少地在饋線中引入容抗或感抗，饋線引入的容抗或感抗與天線的容抗或感抗在發(fā)射機(jī)輸出端相疊加，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)輸出端阻抗與饋線阻抗不能實(shí)現(xiàn)匹配，影響發(fā)射機(jī)的傳輸效率。

圖1 室外天線交換開關(guān)之間連接饋線

圖2 室內(nèi)交換開關(guān)間的連線饋線

天線交換系統(tǒng)改造前，我臺(tái)是通過調(diào)整平衡轉(zhuǎn)換器和諧波濾波器的參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，完成發(fā)射機(jī)和天饋線系統(tǒng)的阻抗匹配，使發(fā)射機(jī)達(dá)到可能的最佳工作狀態(tài)；天線交換系統(tǒng)改造后，天線、交換開關(guān)及連接饋線引入的容抗或感抗發(fā)生了改變，天饋線系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)輸出端呈現(xiàn)的特性阻抗與發(fā)射機(jī)的輸出阻抗不能獲得匹配，導(dǎo)致反射功率和駐波比變大[2]。

1.2 電抗分量的產(chǎn)生

（1）來自天線的電抗分量。任何一副天線都不可能呈現(xiàn)出理想的純阻狀態(tài)，并且，由于天線在架設(shè)施工中存在的設(shè)備、施工人員、地形以及環(huán)境等因素的影響，常常會(huì)導(dǎo)致天線在某些頻點(diǎn)的電抗分量產(chǎn)生較大的偏離。

（2）來自饋線的電抗分量。一是由于饋線的距離動(dòng)輒幾百米，因此饋線經(jīng)常會(huì)分若干段進(jìn)行連接，段與段之間的連接在實(shí)際中就會(huì)引入感抗或容抗；二是在饋線路徑彎曲時(shí)也會(huì)引入一定的電抗；三是饋線對(duì)外輻射也要帶來一定的電抗。以上種種因素都會(huì)導(dǎo)致天線在某些頻點(diǎn)的電抗分量產(chǎn)生較大的偏離。

（3）來自天線交換系統(tǒng)的電抗分量。在天線交換系統(tǒng)中，天線交換開關(guān)之間的連接饋線也會(huì)帶來一定程度的電抗分量。

1.3 改造前后電抗分量的變化及形成

天線交換系統(tǒng)改造后，天線到發(fā)射機(jī)之間的饋線路徑變短了，來自天線的電抗分量也因此發(fā)生了變化，原理如圖3所示。

圖3 阻抗圓圖

當(dāng)天線在某個(gè)頻點(diǎn)的電抗分量一定，在圖3的阻抗圓圖上找到該歸一化的位置，以這個(gè)位置到圓心的距離為半徑，沿順時(shí)針方向，每轉(zhuǎn)一圈就相當(dāng)于向發(fā)射機(jī)移動(dòng)了一個(gè)波長(zhǎng)，因此當(dāng)饋線路徑的長(zhǎng)度發(fā)生改變時(shí)，天線的電抗分量也會(huì)發(fā)生變化。

天線交換系統(tǒng)改造后，由于采用了阻抗特性更好的天線交換開關(guān)和更加規(guī)范的連接饋筒來連接開關(guān)如圖4所示。

圖4 改造后規(guī)范交換開關(guān)連接饋筒

來自天線交換系統(tǒng)的電抗分量也因此發(fā)生了變化，原有的饋線連接跳籠帶來的感抗消失了，而新交換開關(guān)產(chǎn)生的電抗被引入了。

1.4 問題的解決

從以上的分析看出，天線交換開關(guān)改造后，發(fā)射機(jī)天饋系統(tǒng)的電抗分量發(fā)生了較大改變，等效到發(fā)射機(jī)輸出端口的電抗值也隨之發(fā)生了較大變化，為使發(fā)射機(jī)輸出特性阻抗與天饋系統(tǒng)的特性阻抗獲得阻抗匹配，必須將發(fā)射機(jī)的輸出電抗進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。這一問題在實(shí)際工作中較易解決，我們一般是通過調(diào)整平衡轉(zhuǎn)換器和諧波濾波器的電感和電容的參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，以改變發(fā)射機(jī)和饋線的特性阻抗，使發(fā)射機(jī)的阻抗與負(fù)載的阻抗獲得匹配。

2. 從濾波器的原理進(jìn)行分析——結(jié)合100kW短波廣播發(fā)射機(jī)

2.1 諧波濾波器

獨(dú)立看諧波濾波器的組成如圖5所示。

圖5 諧波濾波器原理圖

A端口與發(fā)射機(jī)的輸出連接，B端口與平衡轉(zhuǎn)換器連接，C1、C2、C3是3個(gè)可調(diào)真空電容，L1和L2是2個(gè)可調(diào)電感，組成了完整的諧波濾波器。

實(shí)際中我們把諧波濾波器分解成4個(gè)最小半波節(jié)濾波器如圖6所示。

圖6 最小半波節(jié)諧波濾波器

諧波濾波器圖5與分解后最小半波節(jié)諧波濾波器圖6中的參數(shù)有以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

C1=C1

L1=L11+L12

C2=C21+C22

L2=L21+L22

C3=C3

由圖6可看出，將諧波濾波器的電感L1、L2分別分解為兩個(gè)電感L11、L12及L21、L22，將C2分解為C21、C22，由C1與L11、C21與L12、C22與L21、C3與L22組成4個(gè)最小半波節(jié)諧波濾波器。

2.2 分析

（1）當(dāng)天線和饋線的電抗分量在B口呈現(xiàn)感抗時(shí)分解圖如圖7所示。

圖7 諧波濾波器B口呈現(xiàn)感抗分量的分解圖

Lz是天線和饋線在發(fā)射機(jī)輸出端的等效電感，等效后如圖8所示：

圖8 諧波濾波器B口呈現(xiàn)感抗分量的等效圖

等效后的C3與C31和C32的算術(shù)關(guān)系為C3=C31+C32

這時(shí)必須把C3調(diào)大，使C31與原來的C3相等，這樣才能使諧波濾波器有效濾除諧波，同時(shí)還能使傳輸系統(tǒng)匹配良好，這種情況諧波濾波器的參數(shù)一般變化不大，也很容易調(diào)諧，當(dāng)C32＞C3，這時(shí)諧波濾波器也無能為力，無法完成對(duì)諧波分量的有效濾除，只有調(diào)整天線才能實(shí)現(xiàn)匹配。

而對(duì)于C32和Lz組成的網(wǎng)絡(luò)，其諧振點(diǎn)必須落在濾波器的截止頻率之外。

設(shè)C32與Lz構(gòu)成的低通網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移函數(shù)為ˉA，通過分析C32與Lz構(gòu)成的低通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電路分析，得到：

在轉(zhuǎn)移函數(shù)ˉA的幅度降低到一半時(shí)的頻點(diǎn)，就是C32與Lz構(gòu)成的低通網(wǎng)絡(luò)的截止頻率，令|ˉA|=1/2，得到C32與Lz構(gòu)成的低通網(wǎng)絡(luò)的截止頻率：

（原濾波器的上截止頻率）

即，當(dāng)Lz小于時(shí)，較大幅度調(diào)整諧波濾波器的參數(shù)L2和C 3 就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)與天饋線匹配；當(dāng)L z 大于時(shí)，這時(shí)諧波濾波器無能為力，只有調(diào)整天線才能實(shí)現(xiàn)匹配。不可調(diào)配的頻點(diǎn)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是分布在天線的截止頻率附近。

（2）當(dāng)天線的電抗分量在B口呈現(xiàn)容抗時(shí)，分解圖如圖9所示。

圖9 B口呈現(xiàn)容抗分量的分解圖

然后將濾波器等效為如圖10所示，原來的4個(gè)半節(jié)濾波器變成了5個(gè)半節(jié)濾波器，且滿足：C3=C31+C32。

圖10 B口呈現(xiàn)容抗分量的等效圖

如果要保證濾波器原來的通帶寬度和特性阻抗不變，就必須使C32與Lz構(gòu)成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率fz落在截止頻率fc以內(nèi)，比如說，濾波器原來使用的濾波范圍是3 MHz ～11 MHz，上截止頻率是fc=11 MHz。對(duì)于C32與Lz構(gòu)成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，它必須具有較小的Q值，才能保證在短波這種較寬的頻率范圍內(nèi)都滿足阻抗匹配的要求，這種低Q值的網(wǎng)絡(luò)一般在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，所以，一旦天饋線等效到發(fā)射機(jī)輸出端口的等效阻抗呈容性時(shí)，很難通過調(diào)整發(fā)射機(jī)的諧波濾波器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)匹配。

3. 經(jīng)驗(yàn)交流

天線交換系統(tǒng)的改造，實(shí)質(zhì)上是改變發(fā)射系統(tǒng)原有的阻抗匹配狀態(tài)并通過相關(guān)匹配元件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整建立新的阻抗匹配狀態(tài)。實(shí)際中，饋線跳籠處的阻抗是不連續(xù)的，我們使用網(wǎng)絡(luò)分析儀主要就是對(duì)饋線跳籠處的阻抗進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到最佳傳輸狀態(tài)，再調(diào)整諧波濾波器和平衡轉(zhuǎn)換器的參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，使所有的頻點(diǎn)盡量獲得匹配，這樣，發(fā)射機(jī)的輸出狀態(tài)才會(huì)最佳。

需要提醒的是，千萬不要通過改變室外饋線局部跳籠距離的寬窄來改善匹配問題，否則，就會(huì)造成少數(shù)頻點(diǎn)的匹配問題得到一定的改善，而其他大多數(shù)頻點(diǎn)的匹配狀態(tài)則會(huì)變差，我們不能為獲得少數(shù)頻點(diǎn)的匹配而犧牲大多數(shù)頻點(diǎn)的匹配，得不償失。天饋線系統(tǒng)一旦經(jīng)過變動(dòng)，就必須對(duì)發(fā)射機(jī)重新進(jìn)行調(diào)試，使發(fā)射機(jī)與天饋線特性阻抗重新獲得匹配。

4. 結(jié)束語

大功率短波發(fā)射天線交換系統(tǒng)改造至今已運(yùn)行一段時(shí)間，現(xiàn)天線切換操作順暢快速，實(shí)現(xiàn)了初定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，改善了發(fā)射機(jī)與天饋系統(tǒng)的指標(biāo)性能，切實(shí)解決了實(shí)際工作中存在的發(fā)射機(jī)與天饋系統(tǒng)的匹配問題，提升了天線切換操作效率，避免了因人為切換操作而造成的事故，提高了傳輸設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，確保了臺(tái)站的安全播出工作。