中波天饋線系統(tǒng)原理及補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

【摘要】中波天饋線系統(tǒng)是中波廣播發(fā)射系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在天饋線系統(tǒng)中，發(fā)射天線的高度、匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配情況等因素將直接影響到節(jié)目的播出和覆蓋效果。本文分析了解天饋線系統(tǒng)原理，掌握不同條件下的網(wǎng)絡(luò)匹配形式，調(diào)試并使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到良好匹配，這對(duì)于發(fā)射臺(tái)的技術(shù)維護(hù)人員來(lái)說(shuō)尤為重要。

【關(guān)鍵詞】中波天饋線系統(tǒng)；匹配網(wǎng)絡(luò)；帶寬；雙頻共塔；補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.15.010

中波天饋線系統(tǒng)的作用，就是將發(fā)射機(jī)給饋線的高頻電能最大程度地轉(zhuǎn)換為向空間輻射的電磁能。為實(shí)現(xiàn)這一目的，就需要用到天線匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)發(fā)射機(jī)輸出阻抗和天線阻抗之間進(jìn)行調(diào)配，以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)配的過(guò)程中，天線自阻抗的影響非常大，良好的天線能夠使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，并且運(yùn)行穩(wěn)定。但是往往由于多種原因，天線自阻抗會(huì)不夠理想，那么就需要采用一些特定結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行解決，從而拓展網(wǎng)絡(luò)帶寬，提升技術(shù)指標(biāo)。本文對(duì)中波天饋線系統(tǒng)的原理，常見(jiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò)形式及天線高度對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的影響等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。同時(shí)，通過(guò)實(shí)際案例對(duì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)行了深入分析，為改善天饋線系統(tǒng)的運(yùn)行狀況提供了一種有效的解決方法。

1. 常用的匹配網(wǎng)絡(luò)形式

中波天饋線系統(tǒng)常用的匹配網(wǎng)絡(luò)有Г型匹配網(wǎng)絡(luò)、T型匹配網(wǎng)絡(luò)和π型匹配網(wǎng)絡(luò)這三種，它們的特點(diǎn)及適用情況如下：

（1）Г型匹配網(wǎng)絡(luò)。分為正Г型匹配網(wǎng)絡(luò)和倒Г型匹配網(wǎng)絡(luò)，是最基本的匹配網(wǎng)絡(luò)之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)調(diào)配等優(yōu)點(diǎn)。但因Г型匹配網(wǎng)絡(luò)不能同時(shí)滿足對(duì)Q值的要求，所以適合用于單頻單塔的匹配網(wǎng)絡(luò)。在具體使用中，若Ra＜ZC（饋線特性阻抗）時(shí)，采用正Г型；當(dāng)Ra＞ZC時(shí)，采用倒Г型。

（2）T、π型匹配網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)多頻共塔時(shí)，需要增加阻塞網(wǎng)絡(luò)和泄露網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)這些網(wǎng)絡(luò)對(duì)載頻和上下邊頻呈現(xiàn)出的阻抗不同，多個(gè)阻塞網(wǎng)絡(luò)串接時(shí)，上、下邊帶頻率和載頻的電抗差會(huì)累計(jì)疊加，產(chǎn)生邊帶反射。在載頻和較低邊帶頻率時(shí)指標(biāo)正常，在較高邊帶頻率時(shí)指標(biāo)變差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使邊帶頻率反射過(guò)大，使天線駐波比變大，進(jìn)而發(fā)射機(jī)進(jìn)行保護(hù)關(guān)功放、降功率。那么，這種情況就需要用到T型或π型匹配網(wǎng)絡(luò)，選定合適的Q值（2～6之間），完成調(diào)配。在具體使用中，當(dāng)Ra·（1+Q2）≥5時(shí)，選擇T型網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)天線虛部電抗Xa≥2Ra時(shí)，選擇π型網(wǎng)絡(luò)[1]。

2. 天線高度對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的影響

當(dāng)天線有效高度與工作波長(zhǎng)相比擬時(shí)，才能有效輻射電磁波。此外，當(dāng)天線有效高度較低，在中波段較低頻率工作時(shí)低于0.2λ，那么天線的實(shí)部電阻會(huì)較小，虛部電抗±jXa會(huì)較大，天線的Q值較高。此時(shí)當(dāng)天線的頻率變化時(shí)，引起虛部電抗±jΔXa變化大，而實(shí)部電阻Ra變化小，使得增加，造成邊帶頻率特性不良。

在已知工作頻率的情況下，我們可以根據(jù)以下方法計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)：

波長(zhǎng)λ、波速v、頻率f之間滿足以下關(guān)系：

則，

然后根據(jù)波長(zhǎng)，我們就可求得天線適宜的高度。對(duì)于直立式中波天線，天線高度首選0.53λ，此外可根據(jù)服務(wù)范圍、投資規(guī)模、場(chǎng)地大小等因素在0.3～0.53λ之間進(jìn)行選擇，最低不應(yīng)低于0.2λ。此外，還應(yīng)避開(kāi)0.4λ附近的阻抗諧振區(qū)，否則會(huì)產(chǎn)生天線輸入阻抗變動(dòng)劇烈，導(dǎo)致匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)配困難等問(wèn)題。

我們以756 kHz與1008 kHz雙頻共塔為例。根據(jù)工作頻率，我們可以計(jì)算得到其天線高度以100 m為宜。使用軟件仿真測(cè)試，當(dāng)天線高度為100 m，塔體等效直徑為2 m時(shí)，756 kHz與1008 kHz的底部阻抗參數(shù)如表1所示。

756 kHz的底部阻抗為38.9+j25.3；1008 kHz的底部阻抗為142.6+j159.2。在此高度上，756 kHz的阻抗在突變點(diǎn)附近，但基本可控。

當(dāng)鐵塔高度降至90m時(shí)，756 kHz的實(shí)部數(shù)值減小，距離突變點(diǎn)也更近，可能造成天線網(wǎng)絡(luò)帶寬不足及網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定。

當(dāng)鐵塔高度繼續(xù)降至70 m時(shí)，756 kHz的實(shí)部數(shù)值只有十幾歐姆，但虛部卻很大，同時(shí)1008 kHz處在了阻抗值的突變處。此時(shí)的天線一是調(diào)節(jié)難度大，二是由于天線的輻射電阻很小，天線的效率較100 m高度時(shí)降低得非常多。在此情況下若天線地網(wǎng)不足，天線效率將持續(xù)衰減，覆蓋范圍和覆蓋效果難以保證（影響天線效率的兩個(gè)關(guān)鍵因素是輻射電阻和地網(wǎng)地電流的損耗）。

3. 多頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則

（1）匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須與饋線的特性阻抗相匹配，并且具有良好的通帶特性，確保其他頻率對(duì)本塔發(fā)射的頻率影響降至最低。

（2）在保證匹配網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減少元器件使用，這樣不僅減小了成本，也降低了損耗，同時(shí)還便于安裝調(diào)試。

（3）多頻共塔時(shí)，各頻點(diǎn)不宜太近，兩個(gè)頻率的比值不應(yīng)低于1.25，否則在設(shè)計(jì)阻塞網(wǎng)絡(luò)時(shí)，兩個(gè)頻率會(huì)產(chǎn)生相互阻塞，增加了視在功率，加大了損耗，使網(wǎng)絡(luò)的性能變差，發(fā)射機(jī)工作不穩(wěn)定[2]。

（4）在設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)充分考慮到各器件電氣參數(shù)的冗余量。由于匹配網(wǎng)絡(luò)的工作頻率一般較高，通帶功率較大，且易遭受到雷擊，因此在安裝條件允許的情況下，應(yīng)盡可能使用一些電氣特性好，而且耐壓較高的器件。此外，還可以通過(guò)采用不同的元器件接入方式來(lái)增加耐壓、減少發(fā)熱。例如在使用電容時(shí)，若單個(gè)電容無(wú)法滿足耐壓及功率要求，則可采用將多個(gè)電容先串聯(lián)再并聯(lián)的接入方式，如圖1所示。這樣做既可以提高電容的耐壓和功率要求，減少發(fā)熱量，還延長(zhǎng)了其使用壽命。

圖1（a）中，兩個(gè)1000 P的電容串聯(lián)使用，總?cè)萘孔優(yōu)?00 P，但耐壓增加1倍。圖1（b）中，4個(gè)1000 P的電容先并聯(lián)再串聯(lián)，容量保持不變，但耐壓和功率增加了一倍。

（5）匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)還應(yīng)充分考慮到散熱問(wèn)題，眾所周知，由于不可避免的功率損耗，在相對(duì)有限的調(diào)配室內(nèi)，溫升問(wèn)題特別突出，在炎熱的夏季，有些調(diào)配室的室溫可達(dá)75℃以上。室溫這么高，網(wǎng)絡(luò)器件的溫度就可想而知了，部分溫度特性不好的器件電氣參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)匹配不好，發(fā)射機(jī)駐波增大，反射功率增大，工作不穩(wěn)定。因此，應(yīng)采取有效的通風(fēng)、降溫措施，以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[3]。

4. 采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓展帶寬的應(yīng)用分析

我們以某發(fā)射臺(tái)756 kHz頻率為例，其與1008 kHz雙頻共塔。根據(jù)之前分析，其適宜的天線高度為100 m，而發(fā)射臺(tái)實(shí)際使用的天線為64 m直立式拉線塔，高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。對(duì)于756 kHz，天線自阻抗實(shí)測(cè)為14.6-j103.8Ω。實(shí)部電阻Ra小，天線輻射效率也因?qū)嵅侩娮枳冃《档?，而且虛部阻抗大，天線的Q值高，造成天線工作時(shí)邊帶頻率的阻抗與載頻的阻抗相差較大，發(fā)射機(jī)在載波工作時(shí)正常，調(diào)幅工作時(shí)高音頻技術(shù)指標(biāo)差，嚴(yán)重時(shí)還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高音頻調(diào)制時(shí)駐波比大降功率和關(guān)功放現(xiàn)象。

建臺(tái)初期，采用的是正Г型匹配網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)匹配效果較差，帶寬過(guò)窄，發(fā)射機(jī)只能以較低功率運(yùn)行，技術(shù)指標(biāo)差。后改為T型匹配網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)匹配效果得到了改善，但帶寬仍不足，邊帶反射依然存在。

為解決上述問(wèn)題，在原有T型匹配網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，引入了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（如圖2所示），有效拓寬了帶寬，保證了滿功率、滿負(fù)荷運(yùn)行，極大提升了技術(shù)指標(biāo)。下面我們進(jìn)行分析：

4.1 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況

采用T型匹配網(wǎng)絡(luò)，在將網(wǎng)絡(luò)良好調(diào)配的情況下，天線帶寬±6 kHz內(nèi)均在1.3以下。接入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，天線帶寬在±9 kHz內(nèi)均在1.3以下，保證了足夠的帶寬，播出技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良。

4.2 網(wǎng)絡(luò)安裝及調(diào)試方法（饋線特性阻抗ZC=50 Ω）

在安裝及調(diào)試網(wǎng)絡(luò)時(shí)，先備齊所需元件，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)步驟依次進(jìn)行組裝，具體步驟如下。

（1）阻塞網(wǎng)絡(luò)（單獨(dú)調(diào)試）

該阻塞網(wǎng)絡(luò)采用四元件復(fù)合型阻塞網(wǎng)絡(luò)，四元件復(fù)合阻塞網(wǎng)絡(luò)具有取值靈活的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)試時(shí)首先將該部分全部獨(dú)立出來(lái)，調(diào)整L1使C1、L1串聯(lián)諧振于756 kHz。然后接入C2、L2，調(diào)整L2使復(fù)合阻塞網(wǎng)絡(luò)整體并聯(lián)諧振于阻塞頻率1008 kHz。最后連接天線，在A2點(diǎn)測(cè)量756 kHz的阻抗，理論上應(yīng)無(wú)變化或變化很小，此時(shí)即完成了阻塞網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試。

（2）T型匹配網(wǎng)絡(luò)（接入天線及阻塞網(wǎng)絡(luò)后調(diào)試）

①接入L3，使用儀器在B1點(diǎn)處測(cè)量，調(diào)整L3使該點(diǎn)阻抗達(dá)到或接近實(shí)部13，虛部24.5，從而確保天線Q值合適。

②接入C3、L4，使用儀器在B2點(diǎn)處測(cè)量，調(diào)整L4使該點(diǎn)阻抗達(dá)到或接近實(shí)部50。

③接入L5，使用儀器在C1點(diǎn)處測(cè)量，調(diào)整L5使該點(diǎn)阻抗達(dá)到或接近實(shí)部50，虛部0。

（3）補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（單獨(dú)調(diào)試）

①選定補(bǔ)償頻率f0=639 kHz，將C4和L6并聯(lián)，調(diào)整L6使C4、L6并聯(lián)諧振于639 kHz。

②接入L7，調(diào)整L7使C4、L6、L7整體串聯(lián)諧振于756 kHz，從而確保756 kHz能夠無(wú)損耗通過(guò)。

③將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)接入主網(wǎng)絡(luò)中，之后通過(guò)微調(diào)L4、L5使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)匹配。若阻抗點(diǎn)相位不正，可通過(guò)微調(diào)L3，之后重新調(diào)整L4、L5達(dá)到匹配[4]。

4.3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)說(shuō)明

（1）補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的原理

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的接入，對(duì)于T網(wǎng)絡(luò)末端的阻抗上下邊頻呈現(xiàn)出不同的阻抗特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)上下邊頻的抑制，降低了邊帶駐波，進(jìn)而拓展了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

（2）補(bǔ)償頻率f0的選擇

補(bǔ)償頻率f0一般在工作頻率f±150 kHz的范圍內(nèi)選擇，補(bǔ)償頻率的大小選擇不同，補(bǔ)償程度相應(yīng)不同，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。此外補(bǔ)償頻率f0在f～f+150 kHz和f～f-150 kHz兩個(gè)不同區(qū)域選擇時(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需要用到的元器件也不同。這是因?yàn)楫?dāng)補(bǔ)償頻率f0在f～f+150 kHz范圍選擇時(shí)，對(duì)于工作頻率來(lái)說(shuō)其呈現(xiàn)感性，則補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需串聯(lián)電容達(dá)到諧振。反之在f～f-150 kHz范圍選擇時(shí)，則補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需串聯(lián)電感達(dá)到諧振。這里推薦在f～f-150 kHz的范圍內(nèi)選擇，然后串聯(lián)電感的形式進(jìn)行諧振，便于連續(xù)調(diào)試。同時(shí)在實(shí)現(xiàn)功能的情況下，有效降低了成本。本例中，工作頻率f為756 kHz，補(bǔ)償頻率f0選擇了639 kHz[5]。

5. 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析得到影響天饋線系統(tǒng)運(yùn)行情況的各類因素后，在新建發(fā)射臺(tái)站時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)修建天線等硬件設(shè)施，保障配套設(shè)施滿足播出要求，便于長(zhǎng)期使用。在日常運(yùn)行維護(hù)中，應(yīng)建立完善的機(jī)制，并深入掌握天饋線系統(tǒng)原理與調(diào)試相關(guān)專業(yè)知識(shí)，定期組織測(cè)試天饋線系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)參數(shù)，確保天饋線系統(tǒng)指標(biāo)優(yōu)良，以保障節(jié)目播出、覆蓋達(dá)到理想效果。

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作者簡(jiǎn)介：劉磊（1990—），男，陜西安塞人，工程師，研究方向：中波廣播安全播出及設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理。