中波双频共塔天调网络的设计与验证

摘　要：数字中波广播发射机对天调网络的设计要求较高，由于发射天线间距较近、发射的频率间隔很小， 从天线上串入邻近频率的干扰电压较大，容易造成高频倒送，使发射机工作不稳定甚至是烧毁高频功放管， 因此天调网络的设计是否合理是确保安全播出的关键问题。厦门广电集团发射中心201台后滨机房地处市 中心，发射场地有限，目前在播频率3个，两付T型天线；频率1107KHz为单频10KW发射机，频率603KHz 和1557KHz为两频共塔3KW实验频率，本文就此简要介绍此双频共塔天调网络的设计原理和利用Multisim 仿真软件进行验证的方法。

关键词：双频共塔； 阻塞网络； 阻抗匹配； 防高频倒送； Multisim仿真

随着中波广播发射技术的发展，数字固态机的运用已是趋势。数字发射机的输出功率是由许多MOSFET场效应管组合而成的功率模块合成的，单个功放模块的安全电压较低，一旦在天线感应到强的雷电冲击、其他频率的功率高频倒送或载波及其边带能量存在较大反射时，容易造成各模块中的场效应管发生过流、过压而导致管子烧坏。为此数字固态机的天调网络设计必须考虑防雷、防高频倒送、阻抗匹配和防边带反射等四个功能的需要，不仅要满足天调网络的天线阻抗匹配和频带宽度，还要防止邻频干扰的影响。
防雷的作用主要是抑制或泄放感应雷能量；防高频倒送是为抑制由于其它大功率发射天线，在本机天线上感应出较大的高频电压，而形成的高频倒送能量流；阻抗匹配就是要把天线阻抗变换为传输电缆的特性阻抗，以消除反射波，保证其驻波比不超过1.2；而防边带反射则是要保证整个网络具有足够的带宽，不至于造成大的边带反射。图1为中波单频天调网络的普遍形式。而多频共塔天调网络除共用一个防雷部分和天线阻抗预调部分，还要考虑对其它共塔频率的阻塞，即将各阻塞电路并联接入。采用双频共塔的两个工作频率要有足够的间隔，通常要求t=f1/f2>1.25。

1　天调网络的设计要求
1.1　天线及天调网络的防雷措施
由于天线极易引雷，如果天线没有得到良好的防护，雷电将从发射天线直接进入调配室，甚至破坏发射机，因此通常在防护上采取多重的防雷措施。铺设天线地网不仅为射频信号提供回路，同时也为雷电提供流畅的入地点。当天线遭受雷击，塔基放电球（放电球的最小间隙为1cm，如果塔底高频工作电压峰值超过1万伏，原则上按1 kV / mm调整间隙）放电时，天线阻抗被短路，发射机的功放电路中会产生过大的瞬时电压、电流，容易烧坏功放模块。为确保广播设施的安全，天调网络中还要有三种防雷措施。
1.2　安装石墨放电球装置
除天线基部安装放电球外，在天调室又接入一对石墨放电球装置（如图一所示ZZ），其间隙可根据实际工作电压大小来调节，按1 kV / mm设置。一般在放电球接地线（用铜管）上，穿套约30只磁环，发射机正常工作时，不起任何作用，但当天线受雷击，在发射机保护动作发生前，可以提高发射机的短路阻抗，从而保护了发射机。
1.3　引入微亨级的电感线圈L0
天线串接一只微亨级的电感线圈L0接地（如图所示），该电感的引入，使雷电脉冲前沿更陡更快地通过放电球入地，有利于将雷电能量短路入地，而微亨级电感L0的接入，也降低了天线体本身的对地阻抗，有利于提高抗干扰（高频倒送）能力。L0的取值可以从设定流过L0的载波电流入手进行计算，一般选取20~40A。如果天线阻抗Z=R+jX，发射功率P，则载波状态下塔底电压（也就是L0两端电压）有效值为 ，与 L0取值无关，只要设定了L0的电流，就可以得出L0的感抗从而求出电感量。
1.4　串接隔直流电容C0
考虑到天线受雷击时，还有一部分能量经馈线去发射机，为此，又加一道“防护墙”。当遇到雷击强度很强的时候，虽有石墨放电球的泻放限幅保护，但残余的雷电脉冲依然可能较高，C0起进一步抑制直流和低频成分的作用。C0的容量一般选择在1000~3000pF，在中波频率上不至产生过大的压降，但它的伏安量要选择大一些，籍以抵挡雷击能量的侵入。
2　阻抗匹配网络
匹配网络实质上是把本来不匹配的阻抗，用阻抗变换电路变换到要求的阻抗值。可通过L、C或L和C的组合，构成Γ型、倒Γ型、T型和π型等多种的方法和途径来实现阻抗匹配。而Γ网络和倒Γ网络是基本形式。如图2。

                                   图2
Γ网络和倒Γ网络满足串-并联互化的原理，如图3是其互化的示意图和变换关系。

                                   图3
串并联互化用于网络的设计计算时，一般由天线阻抗侧向馈管方向推进，把串臂和并臂并入天线侧等效阻抗来计算。
2.1　预调网络
如图4在天线底部加有串联元件和并联元件，合称为预调网络，其实质是一个Г形网络，之所以要加预调网络，原因是一塔两频时，两频的频率间隔要求较远（共塔的两个频率的理想比值1.2~1.5）。实际测得天线A点1557KHz的天线阻抗为342+j665，603KHz的天线阻抗为28-j145.3，相差甚大，如没有经过预调网络直接接入，将使其中一路的阻塞网络的视在功率很大，造成匹配网络的视在功率也很大，这样即加大了损耗，又增加了不稳定因素。
2.2　阻塞网络
中波广播的信号除了载频外还有上下边频信号，阻塞网络主要作用是不仅通过本频信号，且要阻塞他频信号。通过本频时阻抗不要太大，阻塞他频时，不但要在载频处呈现很大的阻抗，而且在上下边频处也要呈现较大阻抗。实际设计阻塞网络时，电容C的值在中波广播频段内变动很少，大致在800～1500pF的范围内，可以先选定电容，再用线圈与之谐振，这样的选值能保证并联谐振电路的无功功率为最小。

2.3　阻抗匹配
由图4可见，阻塞网络后在1557 KHz所呈现的阻抗为70+ j145.4Ω，我们利用阻抗的虚部(j145.4Ω)，作为Γ型网络的一个臂，通过计算，我们可得到两种Γ型网络的匹配形式，见图5。

                                         图4

     这两种匹配网络都可以实现阻抗匹配的目的。考虑到1557 KHz位于广播频率的高端，在网络的选择中，能使1557 KHz以下的频率段的衰减度尽可能的低，从而减小天线感应过来的杂波对发射机的影响，所以在实际应用中都选择高通型匹配网络，如图4所示，C5起隔直流作用，并综合一部分感性，使阻抗的虚部变为j43；经计算，选择L7、C6并联，通过微调L7，使阻抗实部变换为50Ω；串联L8并微调，使阻抗虚部变为j0。
而阻塞网络后在603 KHz所呈现的阻抗为193- j205Ω，串接L5，综合一部分容性，使阻抗变为193-j61；经计算，选择L3、C3并联，通过微调L3，使阻抗实部变换为50Ω；串联L6并微 调，使阻抗虚部变为j0。
至此，1557KHz和603KHz的双频共T型天线匹配网络设计已基本完成，当然网络各元件参数的选择，还必须考虑发射机在额定功率输出、调制度为1.2时的电流有效值、电压峰峰值和视在功率的大小，并留有一定余量。为了保持阻塞网络的准确调谐和网络的工作稳定，网络中电感的端点对地耐压选择10KV就可以，而额定电流以100%调幅度下电感流过的电流有效值再加20%以上的富余量，满足电感稳定、不发烫、可连续调节并易于精确。网络中电容以100%调幅度下电容两端的电压峰值，再加1倍以上作为电容最高耐压参数；而电容元件的虚功率参数以100%调幅度状态下流过电容的有效电流乘上这时电容两端电压的有效值，再加50%以上即可，确保电容有足够的容量和耐压能适当增减，不发烫保持工作稳定。
3　利用Multisim仿真软件仿真和验证设计效果
天调网络的设计，各元件电抗值的选择有一定范围要求，且各个部分电路之间有紧密的联系和相互的影响，设计过程中需要对各个部分电路参数进行反复仔细的调整和验算。根据上述数据设计出的天调网络，利用Multisim电路仿真软件来验证在本频上能否使天线与馈线阻抗匹配；根据天线阻抗模型验证天调网络在边频±10KHZ的频率特性，验证是否符合中波发射的频带宽度。即要保证载频 10KHz的边带功率无衰减，又要对 4.5KHz的邻频干扰有12dB以上的衰减。下面就简单说明利用Multisim电路仿真软件的验证方法。
3.1　603KHz天调网络的校验
   （1）根据设计的原理和步骤，在Multisim仿真软件中，天调网络阻抗的测量按如图6左图连接。
其中的C0和R0是603KHz天线阻抗实测得到的天线阻抗模型，C1和L1、C2和L2分别是1107KHz和1557KHz的并联阻塞回路，L5、L6、L3和C3是典型的T网络。 
 
                                        图6
图6左图中网络分析仪XNA1的接线端P1接在天调网络的任意支路，可以进行各点的阻抗测量。而实际设计中常反复改变天调网络中电感、电容的参数，直至调整到所需要的阻抗匹配值。
双击网络分析仪，显示图6右图中的运行仿真结果及其史密斯阻抗圆图。
设置电路仿真模式为“测量”模式，选择图表格式为“Z参数”的“Smith”圆图，选择显示轨迹Z11/Z22,选择函数标号为Re/lm ，“仿真设置”下拉菜单设置扫描开始/终止频率、“线性”扫描类型、扫描点数为800、特征阻抗Z。为50Ω。
在阻抗分析仪的窗口里，史密斯阻抗圆图的上方， Z11和 Z22，分别表示分析仪P1、P2口的测试结果，而这里的Z11、Z22是归一化阻抗的表示，实际阻抗还要乘上归一化的模（设置为50Ω）。
移动仪器下方频率箭头，在Smith图中可观察到Z11随频率变化的红色三角形光标的移动。在603KHz附近可读取Z11的阻抗值，此点必须经过1.0点，即天调网络的调配阻抗为50Ω，满足设计要求。
（2）603KHz天调网络频带宽度的测量。
根据中波发射的特点，要求天调网络频带宽度为10KHz,即f0±5KHZ时的天线驻波比要小于1.2 。如图7左图连接电路。

                                        图7
在软件中打开网络分析仪，设置电路仿真模式为“射频特性”模式；图表参数为“功率增益”；显示轨迹单选“TPG”；函数标号为“dB Mag”；射频参数设置源阻抗ZS=50+j0(Ohm)，负载阻抗ZL=28（R0）+j0(Ohm)。运行仿真电路，得到如图7右图图形：
天线驻波比（ρ）与反射系数（Γ）的公式为Γ＝（ρ-1）/(ρ+1),而                    ， Z0为传输电缆的特性阻抗，R、X为所需要f。的阻抗实部和虚部。图中功率增益参数TPG公式为TPG=10Lg(1-Γ*Γ)，即天线驻波比ρ＝1.2时，TPG=-0.036dB 。移动网络分析仪下方频率箭头,当︱TPG︱< 0.036dB时，频率f。两边的频率范围与f。相差最小值就是该天调网络的单边频带宽度。此603KHz天调网络电路的频带宽度为±12KHz，符合设计的要求。
移动频标到同台发射的其它频率点，读出相应的TPG值即得到衰减量。图中读出对邻频1107KHz衰减为59.66dB，1557KHz的衰减为87.113 dB，达到很好的抗邻频干扰能力。
3.2　1557KHz天调网络的仿真和校验
如图8左图的电路阻抗的连接图，同603KHz天调网络的仿真设置，1557KHz附近可读取Z11的阻抗值，此点也经过1.0点，即天调网络的调配阻抗为50Ω，同样满足设计要求。

                                      图8
而1557KHz天调网络电路的频带宽度更宽，为±15KHz，符合设计要求。
移动频标到同台发射的其它频率点，读出相应的TPG值即得到衰减量。图9读出对邻频1107KHz衰减为43.11dB，603KHz的衰减为45.128 dB，同样达到很好的抗邻频干扰能力。

                                      图9
当然在仿真过程中，如果得到的结果不能满足要求，可以按照电路设计的原则，改变电路形式和参数后再测试，一直到满意为止。
至此1557KHz和603KHz的双频共塔匹配网络经软件验证可以达到较为理想的设计效果，达到预期目的。
4　结束语
天调网络各项技术性能的好坏，关系到发射机能否长时间稳定工作，能否满足广播节目发射“高质量，不间断”的要求，它的设计方法多种多样，具体采用何种形式，要根据本台的天馈线的场地，干扰的频率和功率等实际情况来确定，切不可照搬照套，总的设计原则是：在满足防雷、阻抗匹配、滤除干扰三个方面要求的条件下，尽量简化电路，降低本机频率的功率损耗，以提高其工作稳定性。
参考文献
[1]张丕灶.全固态中波发送系统调整与维修 .厦门：厦门大学出版社，2007.334-377.
[2]何连成.中波天调网络的设计、验证及安装调试技术.