淺析中波廣播發射系統天調網絡構成及應用

班永祥

內蒙古自治區廣播電視傳輸發射中心科左中787臺 內蒙古 通遼市 028000

隨著廣播技術的不斷發展，廣播頻率的日益增多，越來越多的發射臺站選擇小型天線和多頻共塔的組合形式，小型天線有占地面積小，傳輸效率高，建設成本低等優點，缺點就是調制困難且隨著天氣變化，周圍環境等一系列因素的變化而產生的阻抗變化，輕則發射覆蓋區域降低，收聽質量下降，嚴重的會導致發射機駐波比超限，發射機無法開機，加之近些年來極端惡劣天氣頻發，雷電、暴雨天氣對發射機影響很大，這就越來越考驗著天調網絡的有效性，一套高效、完整、穩定的天調網絡系統在廣播發射系統中起著最為重要的作用。

1 天調網絡的基本構成及功能簡介

天調網絡的基本組成一般包括預調網絡、匹配網絡、阻塞網絡、陷波網絡、防雷系統等。匹配網絡分為“Г”型、倒“Г”型、“Т”型、“Π”型網絡，因為天線是附近最高的建筑物，經常遭受雷電襲擊，所以要求天調網絡要有較高的抗雷擊能力。此外，天調網絡具有較大的發射天線，會接收到高頻電磁波，如果未經處理過濾，就會隨著饋線倒送進入發射機，更嚴重時，將會在短時間內造成發射機的損壞，從而造成停播現象。加入阻塞網絡可以讓并聯諧振電路在干擾頻率發生諧振，產生最大阻抗過濾干擾頻率，也可使用陷波網絡讓串聯諧振電路在干擾頻率發生諧振，使串入的信號直接入地。

1.1 預調網絡及防雷

在天線的底部加入串聯元件C0和并聯元件L0，合稱為預調網絡，設計時還要考慮C0和L0同時起到防雷的作用。因為雙頻共塔天線在兩個不同頻率下得到的阻抗不一樣，如果沒有預調網絡的加入，那么在天線下端會因為阻抗不同所產生的電壓和電流也不同，電壓和電流的差值會很大，同時天線的泄露電流差值也很大，容易造成串音，倒送進來的噪音會加大阻塞網絡和匹配網絡的視在功率，嚴重影響發射機的工作效率和穩定性，所以要在天線下端加入預調網絡，使得天線在不同頻率下的阻抗值變得比較接近，也便于后面的計算。

發射臺一般建設在空曠的郊區，發射天線又比較高，它就像避雷針一樣，如果天調網絡中沒有加入防雷措施，那么一旦遭受雷電襲擊時，其電流脈沖峰值可達20000A，雷電會瞬間經過饋線進入發射機，對發射機造成嚴重的損壞，因此，為確保安全優質播出，天調網絡中還要加入三種防雷措施。

一是安裝石墨放電球，在天調網絡里接入—只石墨放電裝置，它比通常金屬放電球有良好的放電效果，考慮到空氣擊穿電壓為1000V/mm，再根據發射機的參數一般將其調整到2—3。放電球的接地線由金屬桿制成，一般在金屬桿上穿一些磁環，大概45—55只磁環，當放電石墨遭雷擊放電時，裝入磁環的放電球電感只有幾十微亨，雷電會瞬間擊穿放電球形成一個對地的通路，雷電以直流成分為主，交流成分很少，幾十微亨的電感可以忽略不計，放電電流暢通無阻，但對于高頻工作的發射機而言，幾十微亨電感可以形成很高的阻抗，不影響發射機的工作狀態。

第二是微亨級電感線圈接地，在天線下端接一段微亨級電感線圈到地，為雷電提供一個對地泄放的通路，線圈應選用粗的銅管或銅條制成，長度要短，圈數也要少，這樣既能減少自身的電阻分量，也能減少電抗分量，當發生雷擊時，能夠快速釋放雷電能量，對靜電的泄放也較為暢通。由于L0也是預調網絡的一部分，微亨級電感線圈的加入則直接影響天線的阻抗，所以L0的取值需要多方面的考慮，既要考慮天線的阻抗同時也要有防雷的作用，L0一般為十幾微亨到一百微亨之間，必要時可以在L0上并聯電容讓并聯回路諧振等于載波頻率。

第三是串接耐高壓電容隔離，由于雷電能量以低頻和直流為主，在天調網絡中串接耐高壓電容C0可以有效阻止雷電經過天調網絡進入發射機，C0的取值一般在1000PF到3000PF之間，C0的取值越大越好，越大對雷電越能起到有效隔離，但也不能太大，太大會影響中波頻率的壓降。在實際應用中，可以通過用多只電容串并聯的方法來提高伏安量，根據串并聯電容的特性，串聯電容可以調高耐壓幅值，并聯電容可以調高電流幅值，使用多只電容串并聯時要使用相同大小，相同規格的電容，在多只電容串聯時，如果電容大小不同，那么每只電容上的電壓量就不同，就會產生不同的耐壓分量，同理多只電容并聯時，如果電容大小不同，那么流經每只電容的電流分量也不同，這樣就會產生“短板效應”。

1.2 阻塞網絡和陷波網絡

在中波廣播發射中，廣播信號通過天線發射出去，由于天線存在互異性，天線是信號的發送者，同時龐大的天線能感應到較強的射頻信號也是信號的接收者，天線會將同臨頻的高頻干擾信號接收，通過饋線進入發射機，產生倒送現象，如果不將干擾信號濾除而進入發射機，發射機將會出現激勵信號波形畸變，產生干擾或串音，如果不斷的增加電壓，會使倒送電壓與激勵電壓相互交迭，嚴重時會導致發射機場效應管爆裂。所以在設計天調網絡時解決同臨頻電臺干擾，防止發生信號倒送現象尤為重要。目前比較常用的防止干擾信號倒送的方法是在天調網絡中加入阻塞網絡和陷波網絡。

阻塞網絡實際為并聯諧振電路，根據并聯諧振電路特點，發生諧振時，整個電路呈最大阻值，所以，我們通常把并聯諧振電路串接到天調網絡上，讓諧振頻率等于需要抑制的干擾信號頻率，這樣干擾頻率就被阻塞網絡的高阻抗堵住，不易通過饋線進入發射機，以影響發射機的工作狀態，同時阻塞網絡對工作頻率而言則呈現為某一電抗，例如：L和C并聯諧振在干擾頻率ω0上，對工作頻率ω來說：當ω0＜ω時，該阻塞網絡呈容性電抗，當ω0＞ω時，該阻塞網絡呈感性電抗。

陷波網絡實際為串聯諧振電路，根據串聯諧振電路的特點，當電路發生串聯諧振時電路中總阻抗最小，電流將達到最大值，所以我們長把串聯諧振電路并接到天調網絡中，串聯諧振電路的另一端接地，讓串聯諧振電路諧振于需要濾除的干擾信號頻率，對干擾信號呈較小的阻抗，提供通地的旁路以濾除干擾信號，同時串聯諧振電路又是工作頻率的并聯諧振電路，對工作頻率要呈最大阻抗，對整個網絡的阻抗不產生影響，一般都安裝在天調網絡的末端，饋線的入口處。

那么究竟什么時候用阻塞網絡什么時候用陷波網絡呢？經驗表明，在實際應用中，陷波網絡由于沒有本頻信號的通過，對本頻信號不產生影響，結構簡單，元器件少，選擇容易，同時對整個天調網絡的功率損耗較小，且不影響網絡阻抗匹配等優點，所以優先選擇陷波網絡，但陷波網絡的實際使用效果遠不如阻塞網絡好。阻塞網絡實際使用效果較陷波網絡更有優勢，但使得整個天調網絡的功率損耗略大，且參與網絡的阻抗匹配，匹配難度加大，會使網絡結構變得復雜，元器件的伏安量也較大。所以，當干擾頻率影響較大時，一般通常采用阻塞網絡，影響較小時，可采用陷波網絡。

1.3 匹配網絡

匹配網絡主要用于天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配，由于中波發射機與天線之間是通過饋線進行連接，機房與天線距離較遠，使用的饋線距離較長，饋線的特性阻抗很難與天線輸入阻抗達到匹配，所以要通過匹配網絡完成匹配將高頻能量高效的傳送出去，如果天線的輸入阻抗與饋線特性阻抗失配，不僅影響傳輸效率，還能在饋線上產生反射波從而形成駐波，嚴重時影響發射機的效率，甚至可能損壞發射機。匹配網絡主要分為“Г”型、倒“Г”型、“Т”型、“Π”型，在實際應用中，除了要完成天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配，降低駐波比，提高發射效率的同時，還要兼顧匹配網絡應具有良好的通帶特性，實際應用時要根據發射臺的實際情況進行選擇。

“Г”型網絡結構最簡單，元器件最少，理論來講，“Г”型網絡可以將任意阻抗匹配到我們需要的阻抗上，為了保證調配網絡有合適的濾波度，當饋線特性阻抗遠大于天線輸入阻抗，且品質因數Q值滿足2—6之間時，一般選用“Г”型網絡，當饋線特性阻抗遠小于天線輸入阻抗，且品質因數Q值滿足2—6之間時，選用倒“Г”型網絡，當品質因數Q值大于6時，如果選用“Г”型網絡就要對天線阻抗進行調整。

“Т”型網絡由三部分組成，如果把并聯臂上的電感或者電容看成是兩個電容或者電感的并聯，那么“Т”型網絡就可以看成是一個正“Г”型網絡和一個倒“Г”型網絡的串聯，當品質因數Q值小于2，饋線特性阻抗與天線輸入阻抗的比值小于5時，并且天線輸入阻抗與饋線特性阻抗都較小約100Ω以下時，一般可以采用“Т”型網絡。

“Π”型網絡也由三部分組成，如果把串聯臂的電感和電容看成是兩個電感和電容的串聯，那么“Π”網絡就可以看成是一個正“Г”型網絡和一個倒“Г”型網絡的串聯，當品質因數值小于2，且天線輸入阻抗與饋線特性阻抗都較大約150Ω以上時，一般采用“Π”型網絡進行匹配。

目前來講，中波廣播發射臺常用的網絡一般為“Т”型網絡的主要原因有：

“Т”型網絡可以選取不同的電感和電容通過串并聯組合形式來改變品質因數Q值，滿足“Т”型網絡對Q值的要求。

現在中波廣播發射臺一般使用的是特性阻抗為50Ω或者75Ω同軸電纜作為饋線，滿足“Т”型網絡對饋線特性阻抗較小且小于100Ω以下的要求。

“Т”型網絡在中心工作頻率下能夠實現精準的網絡變換。

2 天調網絡在實際中的應用

通過以上的介紹我們可以知道，設計雙頻共塔網絡前要根據兩個共塔的發射頻率、周圍環境及外接串擾情況，用最小的投資成本，最省的元器件完成阻抗匹配，并做一系列防雷措施，同時雙頻共塔網絡兩個發射頻率要有足夠的頻率間隔，它們的比值要≥1.25，下面以787臺雙頻共塔天線網絡為例，詳細了解雙頻共塔網絡的組成。

圖1所示為787臺1kW雙頻共塔網絡原理圖

圖1

工作頻率為：549kHz和1305kHz。

串擾頻率為：675kHz、1458kHz、1044kHz。

左側為549kHz網絡部分，右側為1305kHz網絡部分。

饋線特性阻抗都為50Ω。

圖中a1節點阻抗為36-j288（Ω），b1節點阻抗為16-j42（Ω）（a1、b1節點為天線阻抗，由網絡分析儀測量得出）。

圖中1部分為預調網絡部分，兼顧防雷作用，通過串聯電感L0，使天線在兩個不同頻率（549kHz和1305kHz）下的阻抗變成比較接近的數值，便于后面設計，得到A1節點阻抗為36-j219（Ω），A2節點阻抗為16+j122（Ω）。

圖中2部分為阻塞網絡部分，由于是雙頻共塔網絡，兩個本頻之間會產生較大串擾，所以設置兩個阻塞網絡防止相互串擾，549kHz網絡部分阻1305kHz，使得L1、C1并聯諧振于1305kHz，1305kHz網絡部分阻549kHz，得L2、C2并聯諧振于549kHz。由于串擾頻率1044kHz與1305kHz頻率接近，干擾嚴重，故1305kHz網絡部分加入L4、C4并聯諧振于1044kHz的阻塞網絡。

得到節點阻抗：

圖中3部分為匹配網絡部分，由于787臺饋線特性阻抗都為50Ω比較小，品質因數Q值滿足“Т”型網絡要求，所以此雙頻共塔網絡全部選用“Т”型網絡。經過匹配網絡的阻抗變換得到節點阻抗：

經過前面的設計，使得天線的阻抗經過阻抗匹配得到50Ω與饋線特性阻抗50Ω相等，完成阻抗變換。天氣或季節的變換對天調網絡影響較大，在播出一段時間后可能因天氣的變化天線的阻抗與饋線特性阻抗不相等，我們需要通過網絡分析儀測量并調整L3、L5、L4、L8，使得天線阻抗等于50Ω。

串擾頻率675kHz與549kHz頻率接近，1458kHz與1305kHz頻率接近，都有較小串擾，675kHz與1305kHz頻道間隔較遠，1458kHz與549kHz頻道間隔也較遠，干擾可忽落不計，所以在天調網絡的最后加入陷波網絡，提供一個對地的通路來濾除串擾頻率。

圖中4部分為陷波網絡，L7、C7串聯諧振于675kHz，將675kHz形成對地通路，同時與L9并聯諧振于本頻549kHz，對549kHz形成一個最大阻抗，對整個網絡不產生影響，同理L10、C10串聯諧振于頻率1458kHz，同時與L12并聯諧振于1305kHz。得到節點阻抗：

經過仔細的研究大家可能發現，圖中沒有上面提到的隔直流耐高壓電容C0，因為在左右網絡中的“Т”型匹配網絡中，C5和C8即起到匹配網絡的作用，也能防止雷電通過饋管進入發射機，所以不再單獨設置耐高壓隔直流電容C0。

3 結束語

對于目前階段的發射臺來說，天調網絡部分都是由廠家根據臺站實際情況設計并安裝，隨著科技的發展，設計一套完整的天調網絡系統已經越來越簡單，只需在電腦模型里輸入基本參數，就會自動生成一套完整、高效的天調網絡設計方案，但是，對于日常的維護檢修和遇到天調網絡系統突發故障時的搶修，還需要守在一線的值機員來完成，所以了解并掌握天調網絡結構對今后的日常維護調試工作有著重要的意義。