基于虛擬儀器技術的中波天線調配網絡設計

何吉祥

（廣東省中山中波轉播臺，中山 528400）

中波天線調配網絡是連接天線和饋線傳輸線之間必不可少的環節，天饋系統匹配是否良好關系到高頻信號能否在負載獲得最大的有效功率輸出，避免反射功率回流到發射機，致使機器非正常工作。設計天線調配網絡時，除要考慮阻抗匹配之外，還應考慮鄰頻干擾和防雷問題。調配網絡主要由阻塞網絡、防雷預調網絡、匹配網絡、吸收網絡組成。目前廣播電視技術人員大部分根據經驗和人工計算方法設計天調網絡，隨著虛擬儀器技術的發展，在理解天調網絡原理基礎上編寫算法，輸入天線阻抗等基本參數，便可快速精準計算出天調網絡各環節元器件參數，本文以設計雙頻共塔網絡為例。

1 天調網絡的設計

1.1 天線阻抗測量

天線的輸入阻抗是天線的一個重要參數，針對某載波頻率，阻抗值均不同，通常表示為只有少數較簡單的天線才能準確計算其輸入阻抗，多數天線的輸入阻抗則需通過實際測定，或進行近似計算。用專業的網絡分析儀測量某臺四個塔的天線輸入阻抗，測量數據如表1所示。

表1 四個頻率在四個塔的天線阻抗值

由表1測量得到的天線阻抗值分析，747kHz在2號、3號、4號塔的輸入阻抗的電阻部分比較小，根據斜拉線單塔天線理論，當鐵塔高度小于λ/4時，輸入阻抗的電阻部分變小，天線的輻射效率將因地電阻的影響而有所降低[1]，故747kHz頻率點適合在1號塔播出。1008kHz頻率在1號塔和2號塔的輸入阻抗太大，根據單塔天線理論，一般鐵塔的首選高度一般不宜選在0.4λ附近的阻抗諧振區內，因為此時輸入阻抗的變動劇烈，將引起調配的困難，所以1008kHz頻率適合在4號塔播出，適合做單工。同理，考慮2號塔離辦公環境太近，最終選擇3號塔作為1170kHz和927kHz的兩個頻點，適合做雙工。

綜上所述，最終確定：以1170kHz和927kHz兩個頻點作為雙工網絡設計。927kHz對應的天線阻抗為：Za=32+j42.1，可等效為電阻值32Ω與電感值7.2281uH串聯組合；1170kHz對應的天線阻抗為：Za=102.5+j144.7，可等效為電阻值102.5Ω與電感值19.6835uH串聯組合。

1.2 阻塞網絡設計

阻塞網絡的目的是阻塞雙頻共塔另一個頻率，防止信號串擾，影響信號播出。經驗表明，阻塞網絡常采用并聯諧振網絡，它呈現的特性是：對通過頻率呈現很小阻抗，對阻塞頻率呈現很大阻抗，幾乎需要阻止該頻率的通過，達到阻塞的設計效果。根據串聯和并聯諧振網絡特性，阻塞網絡選擇并聯諧振網絡，方便設計，同時很好的阻止阻塞頻率信號通過。并諧于927KHz的效果是：通1170kHz，阻塞927kHz，阻塞網絡中選擇中波廣播常用適配電容值C1=2000pF，通過在LabVIEW程序框圖編寫公式計算出電感值為L1=14.738uH。同理，并諧于1170kHz，通927kHz，阻塞1170kHz，阻塞網絡電容值C2=2000pF，電感值為L2=9.252uH。

1.3 預調網絡設計

預調網絡的目的就是做好防雷措施，因為雷電一般是直流和低頻成分，因此在網絡中并聯一個微亨級電感和串聯一個隔直電容，主要為調配網絡提供一個對地靜電放電回路，同時也參與阻抗變化，并聯電感和串聯電容組成t網絡，稱為預調防雷網絡。根據防雷需求，選擇L0=50uH，C0=2000pF。

1.4 匹配網絡設計

匹配網絡的目的是使天線阻抗通過阻塞網絡和預調網絡后的阻抗匹配成饋線特性阻抗W=50Ω，以便全功率輸出，并且保證無反射功率。經驗表明，以T型匹配為例，將T型匹配網絡等效為如圖1的電路，回路品質因數Q在2～6之間選一數。則利用如下推導公式，進行計算匹配網絡各參數值。

圖1 匹配網絡等效電路

1.5 吸收網絡設計

為了能夠在固定的天線鐵塔發射固定的頻率，而不受其他頻率的影響，特別是鄰頻的干擾，所以需要在調配網絡中引入吸收網絡，比如雙頻共塔網絡中的1170kHz頻率，需要吸收其他兩個頻率1008kHz和747kHz的信號，但是由于1170kHz與747kHz相差有400KHz以上，故在1170KHz支路只需要考慮吸收1008kHz即可，但是雙頻共塔網絡中的927kHz頻率與臺里鄰頻都比較接近，所以需設計吸收網絡吸收其他兩個頻率1008kHz和747kHz信號。吸收網絡不僅吸收了鄰頻干擾，同時也阻止了載頻下地，起到很好的保護載頻和濾除鄰頻干擾效果。

1.6 雙頻共塔網絡設計總框圖

如圖2所示為LabVIEW實現的雙頻共塔網絡設計[2]，輸入基本參數，一鍵即可計算出所有環節參數，從總框圖可以看出，各個元器件的值都比較合理，容易找實驗器材，比如電感器件可以方便調試，電容器件都是一般取整數，所以調配網絡除了理論計算，還需要仿真驗證和實調。如圖3所示為雙頻共塔網絡設計總框圖，利用Multisim軟件將元器件連接在一起。

圖2 雙頻共塔網絡設計參數

圖3 雙頻共塔網絡設計總框圖

2 調配網絡的仿真驗證

2.1 927kHz的調配網絡的阻抗校驗

按照設計總框圖，在Multisim13.0仿真軟件中[3]，按圖4連接各元器件。

圖4 927kHz匹配網絡的阻抗測試連接圖

圖4中XNA1是網絡分析儀，設置起始頻率700kHz，終止頻率1250kHz，特性阻抗為50Ω。運行仿真，得到如圖5的結果，可以看到輸入阻抗在927kHz處為49.731+j0.074，與饋線特性阻抗50Ω純阻幾乎接近，滿足設計要求。

圖5 927kHz匹配網絡的阻抗測試結果

2.2 927kHz的調配網絡的帶寬校驗

中波的帶寬要求是±4.5kHz，如果用功率增益來表示的話，即是要求|TPG|＜0.036dB。利用Multisim13.0軟件可以測試設計好的中波匹配網絡的帶寬，按照圖6的設計圖連接電路。運行仿真得到如圖7結果：927kHz處的TPG=0.001dB，1170kHz處的TPG=-109.382dB，說明匹配網絡對通過頻率927kHz的信號幾乎沒有衰減；阻塞頻率1170kHz的信號通過。以|TPG|=0.036dB畫一條水平線，可以得到兩個頻點，兩個頻點的帶寬為±5kHz，符合設計要求。

圖6 927kHz匹配網絡的帶寬測試連接圖

圖7 927kHz匹配網絡的帶寬測試結果

2.3 927kHz的吸收網絡的校驗

按照圖8的設計圖連接電路。運行仿真得到如圖9結果：747kHz的 TPG=-35.25dB，1008kHz的 TPG=-42.204dB， 說 明747kHz和1008kHz的信號通過吸收網絡后幾乎衰減為0，達到很好的抗鄰頻干擾能力。

圖8 927KHz吸收網絡的測試連接圖

其中1170kHz的網絡仿真同理，這里不再敖述。

3 結束語

至此，基于虛擬儀器技術的調配網絡設計工作完成。可以看出，利用LabVIEW編寫算法計算網絡每一環節元器件參數，方便、快捷的實現了網絡設計，同時又對設計的網絡進行仿真驗證，兩個軟件輔助完成整個設計。調配網絡的各項技術性能的好壞，關系到發射機能否長時間穩定工作，所以不僅需要考慮阻抗匹配和頻響帶寬，還要考慮如何排除鄰頻的干擾。虛擬儀器技術在網絡設計中起到了至關重要的作用，特別是對調配網絡調試時，可以隨時修改參數進行匹配。隨著虛擬儀器技術的發展，為廣播電視技術工作提供了很好的技術開發平臺，大力推動了廣播電視向前更進一步發展。

圖9 927kHz吸收網絡的測試結果