匹配電路的設計

馬躍 李海峰

（海裝駐北京地區第八軍事代表室 北京市 100000）

1 概述

1.1 主要指標

匹配電路主要實現發信機輸出阻抗與天線反饋阻抗的匹配，將輸出功率最有效地傳送到天線上，根據發信機整機方案，確定了匹配電路主要技術指標如下：

（1）承載功率：≥1000kW；

（2）頻率范圍：甚低頻；

（3）冷卻方式：自然冷卻；

（4）匹配阻抗：輸入8Ω/輸出10Ω；

1.2 匹配電路組成

匹配電路由2 個可調電感線圈、1 個電容裝置和1 個開關裝置組成。

2 匹配電路原理

2.1 電路原理

信號功率由一電路傳輸至另一電路時，阻抗匹配非常重要，即要獲得最大的功率輸出，發信機輸出的阻抗必須等于天線的阻抗。甚低頻發信機匹配電路的作用主要是將發信機功率放大器輸出阻抗值變換的與假負載的阻值相等，以便設備首先在假負載上進行阻抗匹配，獲得了最大的功率后，再連接天線進行調試，以達到在天線上輻射功率最大的目的

匹配電路設計主要是設計將圖1 中的輸入阻抗R1 變換為阻抗R2 輸出的匹配網絡，R1 為發信機功放分系統的輸出阻抗，R2 為代替天線用于日常維護、調試發信機的假負載阻值，L1、L2 為可調電感裝置，C 為電容裝置。

為滿足發信機全頻段工作的需要，根據頻率的范圍將發信機的發射頻率分為高、中、低三個波段，發信機工作時調節可調電感裝置L1、L2 和增大或者減小電容裝置C 的電容量達到功放分系統輸出阻抗與假負載阻值（設定10Ω）匹配，匹配電路具體的設計電路原理圖見圖1。

發信機工作在不同的頻段阻抗匹配所需要的電容值不同，低頻段需要的電容值最大，高頻段需要的電容值最小。發信機工作在高頻段時使用電容裝置是C11；發信機工作在中頻段時使用電容裝置是C11 和C12，波段開關K11 接通；發信機工作在低頻段時使用電容裝置是C11、C12、C13，波段開關K11、K12 同時接通。匹配電路采用T 型結構，具有阻抗匹配快速可靠、調整快速簡便、設計和制造工藝成熟。

2.2 匹配電路參數計算

根據匹配電路計算公式：

大功率發信機匹配電路設計經驗選定Q 值為3～5，設定R1=8Ω，R2=10Ω，計算出匹配電路可調線圈和電容裝置參數如表1所示。

圖1：匹配電路原理

圖2：匹配電路測試設備連接圖

3 主要器件設計

3.1 電感裝置設計

3.1.1 電感裝置形式選擇

匹配電路中有2 個可調電感裝置，可調電感裝置為滿足甚低頻發信機全頻段阻抗匹配的要求，電感需在100uH 到610uH 范圍內連續可調，選用了柱型可調電感裝置。

柱形可調電感裝置則通過內部轉子線圈和外部固定線圈的自感和相互間的互感產生電感，并通過旋轉轉子線圈使轉子線圈和定子線圈相互間的互感發生變化，從而改變整個線圈的電感量。柱形可調電感裝置的電感量可根據設計的要求在一定的范圍內連續可調，滿足發信機全頻段阻抗匹配的需要。

根據匹配線圈的電感參數確定可調電感裝置采用轉子線圈與定子線圈串聯的電氣連接方式。串聯可調線圈最大值計算公式：

串聯可調線圈最小值計算公式：

匹配線圈需要傳導的電流為400A，由于屬于大功率的電感設備，單位面積的傳導電流選5A/mm2，則繞制線圈的勵磁線50mm2使用2 根。

表1：匹配電路參數表

表2：開關裝置參數表

3.1.2 電感線圈傳動裝置設計

甚低頻發信機工作時要求以最快的速度進行阻抗匹配，線圈傳動裝置需要滿足將線圈轉子穩定、快速地轉到預定位置。同時線圈傳動裝置每步轉過的弧度越小，則線圈電感量的取值精度越高，匹配電路的阻抗變換的越精細，越容易找到匹配點。因此線圈傳動裝置設計時要重點考慮傳動速度、準確性、穩定性、步距精度。

本研制采用帶到位信號反饋的伺服電機加減速器的傳動方式相比三相電機加減速器，能很好的滿足線圈傳動裝置傳動速度、準確性、穩定性、步距精度的要求。

3.2 電容裝置設計

匹配電路的電容裝置采用將三個波段的電容設計到一個電容骨架上，采用低頻段共用高頻段的電容元器件。低頻段共用高頻段電容元器件的設計方案在滿足電容裝置電氣參數的情況下盡量減少整個電容裝置使用的電容元器件數量，將電容裝置上安裝的電容元器件充分利用，減少不必要的浪費，同時由于使用的電容元器件數量減少，整個電容裝置的骨架變小，電容裝置更加緊湊，電容器件間的串聯、并聯更加容易。

根據計算匹配電路電容裝置的對地高頻電壓約為25kV。選用耐壓值工頻20kV、容值6800pF 電容器件，設計電容裝置在留有充足富裕量的情況下需要3 并3 串的結構，3 串后每個電容子裝置的耐壓變為約8kV。

單排電容元器件采用上下豎直排布，一端采用連接片并聯，安裝端作為另一端通過銅帶連接。

3.3 開關裝置設計

3.3.1 整體結構設計

開關裝置主要用于電容裝置工作時波段切換，設計采用電機加減速器作為開關通斷的驅動方式，結構形式采用單刀雙擲的三接點開關形式來完成。

根據參數計算，匹配電路的開關裝置設計參數如表2 所示。

整個開關呈垂直形式，通過升降裝置的上下運動帶動動接點完成開關裝置的通斷。開關裝置各定接點間的支架需要承受一定的耐壓，各定接點的支桿需要使用絕緣材料，支桿材料選用環氧酚醛玻璃布棒Φ40mm。根據設計參數端對端電壓為25kV，為保證耐壓并留有余量每毫米空氣按2kV/mm 設計，各定接點間支柱的長度取150mm，以滿足端端耐壓。

動接點設計時考慮了炮筒體的上端和下端存在高壓放電隱患,為避免高壓時產生尖端放電，做了圓弧處理。

定接點的設計關鍵在于保證與炮筒體接觸的導電簧片直徑尺寸，炮筒體直徑設計為Φ145mm，需保證動接點與簧片完全接觸，并有一定的壓緊力。

3.3.2 手動電動一體傳動

開關裝置通過電機旋轉帶動開關裝置的動接點上升或者下降，完成開關裝置的接通或者斷開，但供電系統出現故障電機無法旋轉時，開關裝置需要采用手動的方式接通或者斷開應急，設計了手動電動一體傳動裝置。

4 調試測試

匹配電路接整機測試圖如圖2 所示。

5 結束語

匹配電路在整機全頻段、滿功率調試試驗時，由于電容裝置設計時為保證設計一次成功，選用的Q 值較小，初時匹配電路使用的電容值大，導致頻率低端電感裝置的電感值不足，發信機輸出達不到滿功率，調整減少并聯電容器數量，達到全頻段滿功率阻抗匹配目標。經過研制、生產和試驗，各種測試檢驗指標滿足要求。