中波廣播發射天線雙工匹配網絡的設計與實現分析

魏晉

（山西省廣播電視局中波臺管理中心，山西長治，046400）

0 前言

在新媒體時代，傳統媒體的應用雖然受到一定限制，但是新媒體并不能取代傳統媒體。廣播屬于傳統媒體，是弱勢產業，在信息技術不斷發展的背景下，需要將新技術應用在無線廣播領域，這樣才能夠提高無線廣播的競爭力。廣播在新聞媒體中的地位是不能動搖的，是國民生產生活不能離開的重要媒體類型。為了確保無線廣播信息傳輸質量，必須對當前的中波廣播發射天線匹配情況全面掌握，要利用雙工匹配網絡減少發射天線的數量，增加發射頻率，促進廣播技術的進一步發展。

1 中波廣播發射機概述

在中波廣播發射機應用過程中，主要是通過衛星、微波、光纖完成音頻信號接收，之后將接收到的音頻信號發送到發射機，發射機可以對信號進行處理并由振動產生的射頻信號完成調制工作。放大信號后，對獲取的已經完成調波的信號進行濾波和阻抗變化，最后獲取可以在饋線上進行傳播的信號。這些信號直接利用饋線傳送到發射天線上，發射天線將射頻電流變為電磁波朝空間進行輻射。一般情況下，中波發廣播發射機由音頻系統、射頻系統、控制系統和電源系統4部分組成。電源系統的電源為交流電源和直流電源，交流電源可以為動力設備、電控系統、照明系統等提供電源；直流電源可以為廣播發射機、微機控制以及節目傳送機房等提供電源。通過微機控制可以對發射機和相關設備進行開關機管理，同時還可以動態化監測發射機的運行參數，實現自動巡檢與故障報警等功能。此外，在中波廣播發射機應用過程中，其大功率放大管和元器件利用水冷能夠提高其運行的穩定性[1]。

圖1 天饋線系統簡圖

現階段，中波廣播發射機使用的饋線形式相對較多，其中非平衡式饋線的應用更加普遍。目前，在饋線形式選擇中，主要包括6線制矩形饋線、18線制仿同軸饋線、同軸電纜等。一般饋線需要在室外使用，但是圓型與型饋線需要在室內應用。饋線可以進行高頻能量傳輸，是對天線饋線與發射機進行連接的主要設備。在饋線運行過程中，必須關注其工作截止頻率與特性阻抗。確保饋線在允許頻率區間中的每一個點阻抗都為常數，其電壓與電流比也是常數，這是饋線特性阻抗的主要特點。

圖2 低特性阻抗天線

在中波廣播發射機運行過程中，發射天線也是其中的重要組成。發射天線可以將高頻電流能量轉換為電磁波能量，并將轉換的電磁波能量朝著設定的方向裝置輻射。天線是廣播系統不能缺少的重要組成，是確保信號能夠穩定傳輸的關鍵設備。天線的輸入阻抗多為復數，但這與饋線的特性阻抗存在一定差異。饋線的終端、阻值與饋線特性阻抗負載相接時，其行波效率最高。在饋線與天線間完成網絡匹配有助于對天線的復數阻抗進行轉換，使其成為饋線的特性阻抗。在中波天線設置過程中一般要確保其與接地天線垂直，這樣可以獲得垂直極化地面波。通常這種天線設計的形式為單極天線，在單極天線中對稱天線的臂可以變成一個平面，而這一平面具有無限大的特點，這是理想狀態。在具體分析時需要利用鏡像法開展研究工作，天線與鏡像可以構成垂直對稱狀態，如果天線的高度比0.7倍波長更小，最大輻射方向可以在水平面內與天線保持垂直。但是在實際應用中，并不能實現理想層面，因此，最大的輻射方向會在一定程度上向上翹，隨著波長的延長，導電率會不斷上升，使上翹幅度不斷減小。多長越長，其導電率會不斷提高，上翹幅度越小。為了增加天線輻射的強度，天線的高度為0.53倍波長，被稱為抗衰落天線[2]。

2 匹配網絡的設計要點

■2.1 設計參數

在雙工匹配網絡設計之前，必須要對阻抗匹配進行充分考慮。阻抗匹配指的是通過網絡之后任意值的負載都能夠轉換為電流要求的阻抗值。在天饋線系統設計過程中，必須確保阻抗匹配域傳輸線阻抗特性相同。因此，除了要考慮饋線的阻抗特性之外，還要確定雙工匹配網絡的具體頻率。在單工匹配網絡設計中，因為一組天線系統對應一臺發射機，因此只需要設置一套匹配網絡即可。但是雙工匹配網絡要確保一組天線系統為兩臺發射機提供服務，在設計時，必須設計出兩套匹配網絡，要重點關注匹配網絡之間的隔離措施，防止在運行中受到干擾，提高發射效率。為了提高雙工匹配網絡的設計效率，一般情況下兩個頻率比要保持在1.25以上，并且需要全面研究匹配網絡周圍受干擾的中波頻率。為了提高設計效果，可以將陷波措施加入到雙工匹配網絡設計工作中[3]。

■2.2 網絡選型

在開展雙工匹配網絡設計過程中，需要完成網絡選型，在此次設計過程中應用的設計頻率分別為639KHz和945kHz，頻率比為1.48符合設計要求。功率都為10kW。雙關網絡之外的兩個串碼頻率分別為585kHz與747kHz。在具體的設計中需要對網絡選型進行科學確定。

第一，預調網絡。通常在天線底部的串聯、并聯單元件被稱為預調網絡。在設計時需要對串聯元件和并聯元件的防雷功能進行全面分析。發射塔在運行中不同工作頻率的天線輸入阻抗是不同的，對預調網絡進行設計時，必須滴不同頻率的天線輸入阻抗進行轉換處理，使其數值相近才能為后續設計工作奠定基礎。一旦沒有接入預調網絡，可能會導致阻抗差異比較大，會對天線端的電壓電流產生影響，甚至會導致天線端線路的電壓差值增加，從而導致串音問題，還可能會對同一路阻塞網絡視在功率產生影響，導致其功率上升，進而促使匹配網絡視在功率上升，最終破壞發射機的穩定性。

第二，阻塞網絡。在開展雙工匹配網絡設計工作時，必須要認識到阻塞網絡的重要性。阻塞網絡可以防止雙工匹配網絡在運行過程中信號互竄，發揮隔離功能。在阻塞網絡設計中，需要確保通過本頻的阻抗較小，而對他頻進行阻塞時，要提高載頻部位的阻抗，并且要保證上下邊頻部位的阻抗相對較大。通常阻塞電路的阻抗與發射機的中心頻率是對應的，阻塞阻抗對載波在10kΩ以上時，對邊帶波會保持在5kΩ以上。這樣能夠對該頻率進入到另一頻率的匹配網絡進行有效阻塞。并且可以防止電波泄漏產生的特性變化和交叉調制等問題。

第三，阻抗匹配網絡設計。在這一設計過程中主要是完成天線與饋線的阻抗匹配，確保發射機的高頻能量可以被傳輸到天線上。只有保證天線與饋線匹配，才能確保饋線信號波的傳輸效率。一般情況下，阻抗匹配網絡形式包括Γ型、倒Γ型、T型與π型網絡四種。其中Γ型網絡應用在饋線特性阻抗比天線輻射電阻更大的情況下；要確保低特性阻抗值符合要求。倒Γ型網絡應用在饋線特性阻抗比天線輻射電阻更小的情況中，也要確保低特性阻抗值滿足相關要求。在低特性阻抗值小于2的情況下，需要根據具體情況對阻抗匹配網絡進行科學處理。其中對T型匹配網絡進行選擇，可以選取不同的元件值，改變低特性阻抗值，確保匹配網絡能夠滿足對低特性阻抗值的具體要求。再加上在此次設計過程中使用的饋線特性阻抗為50Ω同軸電纜，T型匹配網絡更加適合特性阻抗相對比較小的情況。T型網絡能夠完成阻抗變化，尤其是在中心工作頻率可以保證轉換的精確性。因此，在設計過程中對T型匹配網絡進行設計，可以選擇合適的移相角度實現中心頻率阻抗精確轉換。與此同時，可以對邊帶頻率阻抗進行調整[4]。

第四，開展陷波網絡設計。在不同發射場地的發射臺運行過程中，如果有多部發射機同步運行，會直接影響本發射場地內距離相對較近的鄰頻發射機運行狀態。尤其是外部干擾情況比較嚴重。為了能夠有效消除或者降低這些干擾。在雙工匹配網絡設計中需要設計濾除外部干擾源的措施，這是提高發射機穩定性的主要措施。目前，在對干擾源進行濾除時的方法比較多，常用的包括帶通濾波器、阻塞網絡、陷波網絡等。而陷波網絡的應用更加普遍，主要是因為利用陷波網絡設計可以濾除外部干擾源，并且不會對網絡阻抗產生負面影響。

3 結語

綜上所述，為了能夠節約發射場地，加強中波數字化建設工作，需要重視網絡簡化設計。要利用濾波器完成濾波以及阻抗匹配功能。同時要利用雙工匹配網絡設計，減少發射塔數量，增加發射頻率。但是為了解決雙方匹配網絡結構復雜以及發熱等問題，需要進行深入研究，促使匹配網絡朝著可靠性更強的方向發展。