大功率中波天線匹配網絡的仿真設計與調試

魏亮華

摘要：文章主要針對200 kw以上大功率中波發射機天線匹配網絡，介紹了利用計算機軟件進行仿真設計的流程，并結合實際說明測試與調整的方法。

關鍵詞：中波天線；匹配網絡；仿真

目前國內有許多200 kW-1 200 kW的大功率中波發射機，所有發射機將信號傳輸到天線，都需要經過匹配網絡進行阻抗變換。阻抗匹配是為了保證信號或能量有效地從信號源傳送到負載，從而提升能源效益。天線匹配網絡的優劣，直接影響到發射機的運行狀態和播出效果。由于匹配網絡的設計要求高，需要考慮諸多因素，方案可選擇性多、計算量大。本文介紹利用計算機仿真軟件Smith和Multisim進行天線匹配網絡的設計流程和實際調試方法，希望能提高效率。

1.天線匹配網絡仿真設計流程

天線匹配網絡設計需要考慮諸多因素，其中最重要的就是阻抗匹配、濾波和防雷電設計。天線匹配網絡仿真設計流程圖如圖1所示。開始設計時，先把匹配網絡的相關參數準備好，如載波頻率、輸入阻抗、輸出阻抗、輸出功率等，再通過計算機Smith仿真軟件進行初步模擬，列出幾個可選方案。為減少損耗，匹配網絡一般不用電阻網絡而選用電抗元件電感和電容；為防雷電，一般在匹配網絡中采用電容接地的方式。下一步通過Multisim軟件，對可選方案逐個進行電路仿真分析，并模擬實際運行效果，計算各節點的電流電壓值，計算阻抗匹配效果和濾波效果，通過仿真儀器得出理論測量值，選出最優方案。如果第一輪設計方案都不夠理想，可以在第一輪方案基礎上進一步優化調整，再對優化方案逐一用Multisim軟件測試比較，產生一個比較滿意的設計方案。從理論上得出最優方案后，再根據實際安裝后的效果，利用網絡分析儀或阻抗電橋進行測試與調整，最后根據發射機實際運行情況和廣播發射效果，進行最終的微調，以滿足系統運行指標要求。

2.計算機仿真設計

舉一個典型的例子，如圖1所示，設計一個50Ω轉75Ω的天線匹配網絡，載波頻率為1 000 kHz，輸出功率為600kW，在準備好匹配網絡的己知參數后，就可以開始計算機仿真設計了。先用Smith軟件設計方案，再用Multisim仿真測試效果，比較得出最優方案。

3.Smith軟件設計方案

史密斯圓圖以作圖方式解決傳輸線有關的計算問題，Smith圓圖被廣泛地應用于匹配電路的輔助設計和顯示測量的數據。Smith軟件的應用使得設計更加簡便直觀，各種元器件都組件化模型化，通過預設參數，鼠標選取組件，在圖形上選擇位置，即可實現設計，是解決阻抗匹配、傳輸線問題極為便捷的軟件。設計人員常用Smith阻抗圓圖進行設譏最外圍單位圓為純電抗，實軸為純電阻，圓心為匹配點，圓圖上任何一點描述的是電阻和電抗的串聯，對應著一個反射系數和一個歸一化阻抗z=r+jx，r為零表示短路點，r為無窮大表示開路點，x為正數表示為感性，x為負數表示為容性。

匹配網絡類型一般選用r型網絡或π型網絡或r型網絡和π型網絡綜合應用，通常由電容和電感兩類無源元件構成，可各做一個方案，盡可能把各種滿足條件的方案都列舉出來，再進行性能測試比較。對于中波天線匹配網絡，常采用窄帶設計原則，保證電路Q值高。設計時也要考慮實際元器件的參數范圍，并盡可能少用電感。電感的Q值比電容低許多，電感太大也不好加工安裝；單個真空電容可選范圍在500-2 000pF左右，容值太低性能不穩定，容值太高性能不可靠，可以串聯分壓或并聯分流，通過增設可調電容，實際測試時可隨時調整；設計時都要兼顧考慮，元器件盡可能要少，方便安裝和調試。因此，使用Smith軟件設計阻抗從50Ω轉換到75Ω，有多種方式和路徑可選。在這里選用一種常見模型π型網絡進行說明，如圖2所示。阻抗從圓點DPI（50+jr）出發，先并一個800 pF電容后阻抗變換到TP2（47-j），再串聯一個7.6uH電感后阻抗變換到TP3（47+j36），最后并一個1600 pF電容實現阻抗匹配接近TP4（75+Jo），設計時阻抗有一點偏差也沒關系，最終匹配需要現場測試和調試。

4.Multisim仿真測試效果

可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim擁有強大的儀器儀表組件，如數字多用表、函數信號發射器、示波器、邏輯分析儀、瓦特表、網絡分析儀等常用儀器庫，均可隨時便捷使用。按圖2所設計的電路，通過選取組件仿真元器件，搭建仿真電路，按F5運行后，可以看到仿真測試的效果（見圖3）。通過仿真數據，可以發現，電壓峰值都在20 kV以內，采用真空電容基本可以滿足要求。但通過電容C1的電流比通過C2的電流大一倍多，且峰值過大。因此，可以優化方案，調載電容C1改用一個1 000 pF的固定電容和一個1 000 pF的可調電容并聯，并把可調電容值預先調到600 pF的位置，這樣既實現了分流，又給調試留有了余地。通過不同電路的效果對比，可以選取綜合參數最佳的方案，仿真測試滿足設計要求后，進行實際調試。

5.實際調試方法

程序仿真是非常理想的模型，仿真提供一個變化的趨勢和走向，所有天線匹配網絡的仿真數據與實際電路結果都存在一定的差異。仿真設計出最佳方案后，必須通過實際的測試才能確定方案的可行性。一般先進行冷態測試，再進行加電測試，最后是穩定性測試和試運行。

冷態測試時，實驗使用的儀器是南京普納科技公司的PNA3628D矢量網絡分析儀和OIB-3型運行阻抗電橋，儀器測試阻抗方法可以參照相應儀器的使用說明書進行。先測天線阻抗，再逐級連接匹配網絡測量調試。很多大功率中波發射機有多級匹配網絡，逐級使阻抗測試值接近理論設計值。調整時，一般先調電容，電容一圈大約20 pF，順時針旋轉3～10圈，看阻抗變化趨勢，不行再逆時針旋轉。如果變化不大，再調整電感，每次調整都要做好記錄。

冷態測試完畢后，在匹配網絡的高壓大電流節點貼60-100℃的溫度標簽，有利于觀察溫度變化，檢測設備的穩定性；檢查各項安全措施后，再加電測試。先低功率開機，查看發射機輸出功率、反射功率、天線零點、網絡零點等運行狀態和參數，逐步加功率，并記錄各表值變化情況，最后去天線發射場區，測量天線正前方約1 km位置的場強，得出實際發射效果的測試數據。如圖3所示，當發現有參數偏離正常值時，就需要對匹配網絡進行微調，一般是摸索性地調試，根據變化趨勢來進行相應調整；常常需要進行多次細微調整，比較后才能確定最佳調整狀態，使整套系統指標良好。系統需要經過較長一段時間不同外部環境的考驗，通過發射機運行的實際狀態和廣播發射效果，才能最終判定匹配網絡的優劣。

6.結語

大功率中波天線匹配網絡的設計和調試是一項綜合性工程，計算機仿真軟件使設計更加直觀方便高效。本文是筆者近幾年在實際工作中的一點經驗總結，不足之處還請大家批評指正。