解析3π網(wǎng)絡(luò)中電容對(duì)高次諧波的抑制作用

王 超

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局2023臺(tái)）

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解析3π網(wǎng)絡(luò)中電容對(duì)高次諧波的抑制作用

王 超

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局2023臺(tái)）

摘 要：本文主要研究3π網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電容C251和可調(diào)電容C252對(duì)三次和四次諧波分量的抑制作用，其中，大功率短波發(fā)射機(jī)的工作頻率為5.9 MHz ～26.1 MHz，高于100 MHz的高次諧波分量主要由甚高頻濾波器（VHF）濾除，三次和四次諧波分量是影響發(fā)射機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行的主要隱患。當(dāng)高次諧波產(chǎn)生時(shí)，由于頻率增大，電容阻抗瞬時(shí)減小，涌入大量電流，因而容易導(dǎo)致電容過熱、甚至損壞電容，還有可能發(fā)生共振，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

關(guān)鍵詞：3π網(wǎng)絡(luò)；電容；高次諧波

目前，大功率短波發(fā)射機(jī)的射頻輸出網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)π網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，共有7個(gè)可調(diào)電抗元件組成。考慮到機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)選用低通結(jié)構(gòu)，就是電容直接接地，而電感串聯(lián)連接。3π網(wǎng)絡(luò)的電感采用調(diào)諧線結(jié)構(gòu)，分布參數(shù)很小，使寄生振蕩頻率遠(yuǎn)高于工作頻率，便于甚高頻濾波器（VHF）濾除。

1 3π網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)

射頻末級(jí)的3π網(wǎng)絡(luò)主要有三個(gè)功能：要求高效率進(jìn)行功率傳輸；阻抗變換作用，由電子管陽極的190 Ω轉(zhuǎn)換至負(fù)載阻抗50 Ω；濾波選頻，對(duì)高次諧波進(jìn)行衰減，滿足需要傳輸?shù)男盘?hào)帶寬。三個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)節(jié)7路MP數(shù)碼值和短路棒MS開關(guān)組合來改變電容量和電感量從而構(gòu)成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，有效的傳輸功率和阻抗變化。射頻3π網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

2 電容對(duì)高次諧波抑制的理論分析

國(guó)家新聞出版廣電總局2023臺(tái)短波500 KW發(fā)射機(jī)在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)開載波頻率18～26M時(shí)，C271電容溫度偏高，使用取樣電阻取樣送到頻譜分析儀測(cè)試發(fā)現(xiàn)其中的三次、四次諧波分量過大，結(jié)合之前的電感L233打火過熱故障現(xiàn)象分析，主要原因?yàn)?π網(wǎng)絡(luò)中的高次諧波分量過大。1π中的可調(diào)電抗元件未能對(duì)高次諧波進(jìn)行有效衰減，造成能量損耗在電容發(fā)熱和電感打火上。其中，1π的元器件主要為可調(diào)電容C251和可調(diào)電容C252，可以通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容C251和可調(diào)電容C252來實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的抑制。

2.1 可調(diào)電容C251對(duì)高次諧波的抑制作用

3π網(wǎng)絡(luò)中的電容C251容值為100-1000 pF，MS24開關(guān)在載波頻率為9 M以下時(shí)為O N。當(dāng)調(diào)試9 M以上頻率時(shí)，由于對(duì)電容C251進(jìn)行了斷路處理，忽略了考慮該電容對(duì)3π網(wǎng)絡(luò)的影響，形成了工作中的誤區(qū)。

圖1 射頻3π網(wǎng)絡(luò)圖

在發(fā)射機(jī)大功率工作時(shí)，高頻輻射環(huán)境下，當(dāng)電容C251斷接時(shí)，由于分布電容的存在并且分布電容很大約25 pF，電容C251和3π輸入端電感形成了耦合電容，即分布電容和電容C251串聯(lián)形成了新的電容量。新的電容量會(huì)產(chǎn)生寄生頻率，從而產(chǎn)生高次諧波分量，對(duì)發(fā)射機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生安全隱患。所以建議當(dāng)MS24為OFF時(shí)，即斷路電容C251時(shí)，應(yīng)把MP05數(shù)碼值發(fā)在最小位置此時(shí)容值最小建議放在數(shù)碼值為500左右（約100 pF），使寄生頻率遠(yuǎn)離載波頻率。通過頻譜分析儀可以很清楚的看到減小MP05數(shù)碼值時(shí)對(duì)三次諧波分量的抑制作用但同時(shí)也產(chǎn)生了副作用即四次諧波分量有所增加。

圖1 可調(diào)電容C251和電容C252工作原理圖

例如：發(fā)射機(jī)載波頻率為13 M時(shí)，電感L251的MP06數(shù)碼值為3 867（電感量約為0.8 μH），計(jì)算電容C251分別在容值為1 000 pF和100 pF的情況下，諧振頻率f=1／2π，其中，分布電容約25 pF，等效電容為電容C251和分布電容串聯(lián)。

通過計(jì)算可知：當(dāng)C251為1 000 pF時(shí)，等效電容為24.39 pF，f=36MHz；當(dāng)C251為100 pF時(shí)，等效電容為20pF，f=39.8 MHz。通過計(jì)算可以清楚的看到C251的容值越小對(duì)三次諧波的抑制作用越明顯。

2.2 電容C252對(duì)高次諧波的抑制作用

3π網(wǎng)絡(luò)中的電容C252容值為8～75 pF，MS25開關(guān)在載波頻率15 M以上為O N，即把電容C252短路。實(shí)際工作中，主要是使用MS25為OFF時(shí)，通過調(diào)節(jié)MP13來改變C252的容值，與電感L251形成兩個(gè)LC串聯(lián)諧振濾波電路濾除高次諧波分量。當(dāng)調(diào)試15M以下頻率時(shí)，由于對(duì)電容C252進(jìn)行了短路處理，沒有考慮該電容對(duì)3π網(wǎng)絡(luò)的影響，也給后面的調(diào)機(jī)工作帶來了很大麻煩。

如圖1所示：當(dāng)電容C252短路時(shí)，由于分布電感的存在，MS25短路開關(guān)等效為電感L，L251端的L1L2并聯(lián)后與電感L串聯(lián)后與電容C252形成RLC諧振濾波網(wǎng)絡(luò)，即在短路C252后調(diào)節(jié)MP13依然可以起到很好的抑制高次諧波的作用，通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)MP06和MP13可以有效抑制高次諧波分量。故結(jié)論如下，建議開載波頻率為18 M以上時(shí)把MP13路數(shù)碼值置于5000左右（約為60 pF），通過調(diào)節(jié)MP06和MP13可以有效抑制高次諧波分量。

3 結(jié)語

通過理論分析和實(shí)踐得出如下結(jié)論：（1）當(dāng)MS24為OFF時(shí)，即斷路電容C251時(shí)，應(yīng)把MP05數(shù)碼值發(fā)在最小位置，可以防止發(fā)生耦合，減少高次諧波分量；（2）當(dāng)MS25為O N時(shí)，即短路電容C252時(shí)，調(diào)諧MP13或者M(jìn)P06時(shí)仍然可以起到衰減三次、四次諧波的作用。在大功率短波發(fā)射機(jī)中的電路分析時(shí)，不能簡(jiǎn)單把短路或斷路理所當(dāng)然的認(rèn)為是接地或者開路，應(yīng)考慮其分布電容和電感對(duì)設(shè)備的影響，從故障中查找原因，認(rèn)真分析可能存在的高次諧波分量。

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