大功率短波發射系統天饋線阻抗匹配的解決方案

吳建宏

（國家新聞出版廣電總局916臺， 816000）

阻抗匹配是傳輸線理論中的重要概念。在由信號源、傳輸線及負載組成的系統中，如果傳輸線與負載不匹配，傳輸線上將形成駐波。有了駐波一方面使傳輸線有效功率降低，另一方面會增加傳輸線的衰減。如果信號源和傳輸線不匹配，既會影響信號源的頻率和輸出功率的穩定性，又使信號源不能給出最大功率、負載又不能得到全部的入射功率，因此傳輸線一定要匹配。匹配有兩種：一種是阻抗匹配，使傳輸線兩端所接的阻抗等于傳輸線的特性阻抗，從而使線上沒有反射波；另一種匹配是功耗匹配，使信號源給出最大功率。本文主要探討短波天線系統中傳輸線之間的阻抗匹配問題。

一、天線系統情況概述。 根據某型號的短波發射機，采用了同相水平反射幕天線、饋線系統主要包括了平衡轉換器、天線轉換開關、四線主饋傳輸線，如圖1所示。在短波發射頻率變換的過程中，發現駐波值出現了明顯的增大，發射系統無法調整。分析原因可能為天饋線系統出現了不匹配的問題，通過測量證實了這個問題，通過測量數據中看出，駐波比值偏高，需要進行天饋線匹配調整。

二、短波天線的阻抗匹配調整。短波天線的阻抗匹配問題，其基本原理是阻抗匹配的方法是在傳輸線和終端之間加一匹配網絡，要求這個匹配網絡由電抗元件構成：損耗盡可能的小，而且通過調節可以對各種終端負載匹配。匹配的原理是產生一種新的反射波來抵消原來的反射波。包括以下幾個方面：1、隨頻率變化的天線輸入阻抗與一定的饋線特性阻抗的匹配問題；2、不同特性阻抗饋線間的阻抗變換問題；3、平衡系統與不平衡系統的轉換問題。解決這些問題的主要方法，可采用短截線、插入線、指數線、階梯線或傳輸線變壓器。工程中，根據具體情況可采用不同的方式。針對我臺短波天線系統的實際情況，我們主要考慮采用插入線匹配法來調整。

2.1 插入線阻抗匹配的原理。如下圖所示，在饋線上串入一段特性阻抗與饋線的特性阻抗不相同的傳輸線，這樣，在特性阻抗的跳變位置上將產生反射波，讓這個反射波與原天線的反射波在插入線的終端互相抵消，使主傳輸線呈行波狀態，這種匹配的方法叫插入線匹配法。

2.2 四分之一波長插入線匹配。四分之一波長插入線匹配是指在傳輸線的電壓波節點（或波腹點）插入一段長度為四分之一波長、特性阻抗為w1的傳輸線，使主傳輸線調至行波狀態。根據無損耗傳輸線終端負載為任意阻抗時線上等效輸入阻抗的計算公式，可得到插入線終端的等效阻抗Zin。進行四分之一波長插入線匹配時，要合理選擇插入點的位置和插入線的特性阻抗w1。根據傳輸線理論可知，電壓波腹點的等效阻抗為W/k；電壓波節點的等效阻抗為Wk。分別取這兩個傳輸線上等效阻抗為純電阻的點作為插入線的始端阻抗Zl，并令插入線終端阻抗Zin=W，即可使主傳輸線匹配為行波。如果將插入線始端選擇在電壓波節點，即Zl=k×W，因k<1，可以得出從電壓波節點插入，插入線特性阻抗W1低于主傳輸線特性阻抗W；反之，W1高于W；結論：當饋線為高阻抗（二線式600Ω）時，插入線的始端應該選擇在電壓波節點；如果饋線為低阻抗（四線式300Ω）時，則插入線的始端應選擇在電壓波腹點。

圖1 天饋線系統框圖

圖2 短波天線實施方案圖解

2.3 天線輸入阻抗作為插入線負載時的線匹配。根據插入線的匹配原理，插入線終端的主傳輸線上為行波，至天線方向仍有駐波。假如把天線的輸入阻抗作為插入線的負載，則有可能是駐波的傳輸線減至最短。四分之一波長插入線作匹配時，要求插入線始端的負載必須是純電阻，而天線輸入阻抗不是純電阻，故不能采用四分之一插入線在天線輸入點作匹配。推廣上述概念，我們把傳輸線上的任意點都可視為天線的輸入點，在該點插入按上式確定的插入線，可使天饋線得到匹配。通過演算，我們得到插入線的長度為13.1167267，插入點-2.292784227，從天線下引端反向插入。

三、實施方案和結果。根據實際情況：主饋線長度不易增減，且斷開主饋線在操作過程中也不易實行，天線下引線方向主饋線在原頻率時已經進行過插入線調整，我們選取了分支線接入法，如圖2所示。實施后，在75/300Ω平衡轉換器和主饋線接口測得的駐波為1.0276，效果良好。

結語

在饋線上接入短截線時，因先掛好不焊接，這是因為測量、計算中可能存在誤差，行波系數不一定能達到匹配的要求，還需對短截線、分支線調整，直至滿足匹配指標。插入線匹配法不僅能使天線在某一頻率上得到匹配，達到很高的行波系數，而且可以對天線工作頻段以內的其他頻率不產生很大的影響，同時具有結構簡單、節省材料的特點。但在這種匹配方法中在實施過程中，有時需要斷開主傳輸線，因而插入線的長度和插入位置不便于調整。

[1]趙克玉，許福永.微波原理與技術[M].北京：高等教育出版社，2006（08）.