Smith chart在大功率短波發射機RF網絡分析中的應用

毛 剛

（作者單位：國家新聞出版廣電總局2022臺）

Smith chart在大功率短波發射機RF網絡分析中的應用

毛 剛

（作者單位：國家新聞出版廣電總局2022臺）

摘 要：本文介紹了大功率短波發射機末級輸出波網絡的工作特點和網絡計算中的難點，利用Smith chart在RF網絡計算中的便捷性，舉例說明Smith chart在計算級聯網絡阻抗匹配分析、計算中的應用。

關鍵詞：Smith chart；短波發射機；濾波網絡

大功率短波發射機具有輸出功率大、頻帶范圍寬（3.2~26.1MHz）的特點。末級輸出網絡使用多π網絡級聯或π、г網絡級聯的方式進行諧振、濾波和阻抗變換，電路復雜，射頻元件數量多。測量、分析不同工作頻率下各部分級聯電路的阻抗匹配情況，需要先計算出元件的目標值。計算公式復雜，有大量繁瑣的復數運算。Smith chart簡單直觀，又具有足夠的精確度，對計算出匹配網絡元件的參數值，優化噪聲系數，確定品質因數的影響以及進行電路穩定性分析，有著重要的作用和意義。本文以DF100A型大功率短波發射機諧波濾波網絡計算為例，利用Smith chart計算網絡元件的參數值，并仿真和分析網絡特性，介紹Smith chart 在RF（Radio Frequency，射頻）網絡分析中的應用。

1 Smith chart簡介

Smith chart，即史密斯圓圖，主要用作利用圖解法計算網絡和傳輸線的阻抗匹配，以避免過于繁瑣的數學運算。Smith chart包含兩部分，一部分是阻抗史密斯圓圖（Z-Smith chart），由等反射系數圓和阻抗圓圖組成；另一部分是導納史密斯圓圖（Y-Smith chart），由等反射系數圓和導納圓圖組成。

圖1　諧波濾波網絡示意圖

2 DF100A型短波發射機諧波濾波網絡計算

DF100A型發射機工作時會在射頻通路產生高次諧波，其中二次、三次諧波功率比較大。經過末級π-г網絡濾波，三次諧波基本濾除，而二次諧波濾除不夠徹底，影響到發射機的正常工作，同時也不符合國際電信聯盟及《中華人民共和國國家標準GB13421-92無線電發射機雜散發射功率電平的限制和測量方法》規定的“對于平均發射功率大于50kW，工作頻率在30MHz以下的短波發射機，其諧波輻射功率不能大于50mW而末級槽路”的要求。為有效的濾除二次諧波成分，DF100A型發射機在末級槽路之后加裝了諧波濾波網絡。

如圖1所示，諧波濾波網絡是由可調電容、電感組成的低通濾波器，由兩節完全相同的90oπ網絡串聯而成。根據DF100A型發射機的工作特性，該濾波器為點頻式窄帶濾波器，在3.2～26.1MHz的頻帶范圍內，不同的工作頻率各有相對應的工作點。在工作點上，基波阻抗始終應為75Ω純阻,對二次諧波的衰減量要達到-20dB（三次諧波已經過末級π-г網絡衰減達到要求）。

以9.9MHz頻率為例，使用電子版Smith chart，計算該頻率下諧波濾波網絡中各元件的目標參數值，如圖2所示。

計算出的各元件參數值如表1所示。

表1　9.9MHz下諧波濾波網絡各元件值

3 仿真結果

圖2　Smith chart上網絡各元件

圖3　網絡輸出阻抗仿真數據

對計算出的諧波濾波網絡進行仿真，以檢驗是否符合設計要求。根據DF100A析和調整的參考數據，計算誤差在允許范圍，能夠方便快捷地達到目的。型發射機的工作特點，要求該諧波濾波網絡輸出阻抗Zout=75+j0Ω；對二次諧波19.8MHz頻率的衰減量達到-20dB。仿真結果如下，如圖3所示，輸出阻抗Zout=75+j7.238e-5Ω，電路呈感性，在使用中需要微調電容、電感量；由圖4可以看出對二次諧波的衰減為-25dB，達到設計要求。由9.9MHz基波頻率下諧波濾波網絡的仿真結果可以看出，利用Smith chart計算該頻率下諧波濾波網絡各元件的目標值，以作為對實際電路測量、分

圖4　二次諧波衰減量仿真數據

4 結語

分析大功率短波發射機末級輸出網絡阻抗匹配是否良好，輸出特性是否符合要求，是短波發射機維護和狀態調整中一個重要的方面，由于計算公式長、步驟多，被處理的數據多為復數，往往計算比較繁瑣。而Smith chart在RF網絡的計算、網絡參數的分析中具有很大的便捷性，本文以DF100A型短波發射機諧波濾波網絡在9.9MHz頻率工作特性為例，利用Smith chart計算網絡元件目標值，并對計算結果進行仿真，在以后的研究中將重點對末級其他網絡的阻抗匹配和行、駐波系數等網絡參數進行計算和分析。

參考文獻：

[1]徐銳敏,唐璞.微波技術基礎[M].北京：科學出版社,2009.