中波廣播天調網絡工作原理與調試

周銀海

（云南廣播電視臺，云南 昆明 650500）

0 引言

由于目前全固態中波發射機采用集成精密電路設計，對工作環境要求提高，發射機自我保護、監測能力增強，但相對于采用電子管時的發射機抗干擾能力差，導致天線駐波比采樣指標稍有變化，發射機便會頻繁降功率或是自動關機。另外，隨著城市的發展，天線地網易被破壞、周邊電磁環境也變得更加復雜，發射機因為天饋線故障的出現安播事故也日漸增多，發射機天饋線系統中天饋線匹配網絡（簡稱天調網絡）較以前需要調試的頻次也變得越來越多。天調網絡作為發射機系統最末極的網絡，不僅關系到發射機能否正常開機，也關系到發射機發射信號的質量和安全，而且天調網絡故障常常造成重大播出事故。因此，掌握天調網絡的組成結構、基本原理和調試方法，可以進一步加深對發射機發射系統的理解，對天饋線系統出現的問題能夠積極應對和及時處理，主動提高對發射機天饋線系統的日常維護水平和能力，這對我們今后及時預防和應對出現的天調網絡故障、保障安全播出有積極的意義。

1 中波調幅廣播概述

1.1 中波

頻率范圍在300 kHz～3 MHz的無線電波稱為中頻無線電波，簡稱中波，它可以利用地波和天波傳播。地波傳輸損耗小，繞射能力強，傳輸距離遠，一般為幾百千米，為中波的主要傳播方式[1]。另外，天波通過電離層反射傳播，中波夜間也可以利用天波傳播方式，天波傳播距離更遠，可達幾千千米，但信號不穩定、干擾大，是發射臺之間的干擾源之一，因此不被采用。

1.2 中波廣播

我國規定中波調幅廣播的頻率范圍為525～1605 kHz。離發射臺較近的場強穩定的區域為廣播電臺的主要服務區，此區的半徑由發射機功率、發射天線的的特性以及周邊地質情況決定[1]。相同發射機、相同功率在相同的天線上發射廣播節目，平原地區的廣播覆蓋范圍一般要比山區、丘陵地區大得多。在城市里樓層的高度、密集程度也會對中波廣播的收聽信號造成不同程度的干擾和影響。

1.3 中波廣播的工作原理

廣播電臺播出節目，首先把聲音通過話筒轉換成音頻信號，音頻信號被發射機產生的載波信號調制，載波信號幅度隨音頻信號進行相應的變化，使我們傳送的音頻信號包含在高頻載波信號之內；高頻載波信號再經過放大后以高頻電流的形式，通過發射機與天線之間連接的饋線傳送到發射天線上，形成無線電波向外發射，發射天線則起到向外輻射無線電波的作用。中波廣播信號發射工作原理流程如圖1所示。

圖1 中波廣播信號發射工作原理流程簡圖

2 天線匹配網絡工作原理

天線匹配網絡就是連接饋線和天線之間的橋梁，發射機產生的載波通過饋線傳輸到天線，天線把電磁波輻射出去。事實上，發射機天饋線系統中天線和饋線是兩個系統，由于阻抗特性不同，一部分電磁能量被反射回來，在線路上形成駐波。駐波的電壓峰值與電壓波谷比稱為電壓駐波比，當駐波比等于1時，表示天線與饋線完全匹配，發射機的高頻能量全部被天線輻射出去。天線與饋線匹配得好壞程度用天線輸入端的反射系數或駐波比的大小來衡量的[2]。對于發射天線來說，如果匹配不好，則天線的輻射功率就會減小，饋線上的損耗會增大，饋線的功率容量也會下降。

天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量R和電抗分量X，即阻抗Z=R+jX。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。因此，在天線與饋線之間增加了天線匹配網絡，如果饋線的阻抗特性為50 Ω，通過調試天線阻抗，在要求的工作頻率范圍內，使輸入阻抗的虛部很小且實部接近50 Ω，從而使得天線的輸入阻抗為Z=R=50 Ω，實現天線與饋線良好的阻抗匹配。在實際測試時，我們一般采用矢量網絡分析儀來測量阻抗。

設置天線匹配網絡的目的是減小駐波比，降低反射功率，提高傳輸效率，或者提高發射效率。調整天調網絡，一方面要使天線處于諧振狀態，另一方面要使天線的阻抗經過匹配網絡變換后，與傳輸饋線相匹配。當然，即使是設計、調試得很好的天線，其輸入阻抗中總還是會存在一個小的電抗分量值。

3 天線匹配網絡的組成結構

在實際應用中，因為天線還受到雷電、電磁環境的影響，為保證發射機的安全與正常工作，在匹配網絡中還加入了阻塞網絡和避雷系統。我臺576 kHz天線調配網絡結構如圖2所示。

圖2 天線調配網絡結構

3.1 天調網絡的避雷系統

因為中波天線比較高，容易受到雷電影響，在天線入口端放置石墨放電球進行放電。同時由于雷電電流脈沖能力主要是直流和低頻，因此在天調網絡入口端并聯了電感L1入地，給天調網絡提供了一個對地釋放靜電的通路，該電感由兩個電感線圈串接而成，并且利用了電容“隔直流，通交流”的原理；在網絡中串入電容C1，阻隔低頻雷電，以阻擋雷電的能量進入饋線和發射機。

3.2 阻塞網絡

由于天線的互逆性，即天線是發射天線的同時也是接收天線，而且一般發射臺都不只有一部發射天線和頻率，因此天線很容易產生高頻回饋現象，接收附近的高頻信號反向進入調配室，通過調配網絡和饋線逆向輸送到發射機，對發射機設備和安全播出造成影響。

中波廣播的信號除了載頻還有上下邊頻信號，阻塞網絡的作用有：一是要通過本頻信號，二是要阻塞他頻信號[2]。通過本頻信號時要求阻抗不要過大，阻塞他頻信號時，不但要在他頻處呈現很大阻抗，而且要在他頻的上下邊頻處也要呈現較大的阻抗，阻礙不需要的頻率。我臺天調網絡用到的是串接在網絡中的并聯諧振，并聯諧振電路如圖3所示。

圖3 并聯諧振電路

3.3 匹配網絡

天饋線系統中加入匹配網絡的目的是使天線的阻抗和饋線的阻抗相等或相近。匹配網絡有三種形式：Γ形、T形、Π形，其中Γ形又分為正Γ形和倒Γ形兩種[3]。Γ形網絡比較簡單，只有電感和電容兩個（兩組）元件，理論上講Γ形網絡可以將任意阻抗匹配到我們需要的阻抗上。Π形網絡由三個元件組成，把串聯臂的電感或電容看成兩個電感或電容的串聯，那么Π形網絡就可被看成一個倒Γ和正Γ網絡的串聯。一般設計都要求盡量選擇結構簡單一點的形式以方便調試。當天線的輸入阻抗R＜Z0（饋線阻抗）時，選用正Γ形；當R＞Z0（饋線阻抗）時，選用倒Γ形。

4 天調網絡的調試

4.1 前期準備階段

首先，需要用網絡分析儀測量出天線的載波頻率的特性阻抗和饋線的特性阻抗；其次，測量周邊干擾頻率，明確重點抑制頻率對象；最后，綜合考慮防雷、抑制對象、熱損耗、成本等因素計算和設計出匹配網絡。

4.2 天調網絡調試過程

4.2.1 阻塞網絡的調試

第一步：需要判斷出實際阻塞網路的位置，斷開阻塞網絡的前后電路，將阻塞網絡從調配網絡中獨立出來，阻塞網絡電路測試點如圖4所示，打開A點或B點，此時L2C2構成串聯電路，將儀器測試夾夾在打開的L2C2兩端，測其L2C2在576 kHz頻率的串聯諧振。調L使儀表的實部R=0，虛部X=0。在儀器的顯示屏上光標在短路點位置。

圖4 阻塞網絡電路測試點

第二步：連接斷開的點，將儀器測試夾夾在A、B兩端，測其并聯諧振，儀器的R和L無數字顯示（超出顯示范圍）。此時應看Φ角，微調電感L的接入的圈數，使得Φ=0°或360°，儀器顯示屏上光標在開路點位置。

4.2.2 匹配網絡的調試

Γ形網絡：Γ形匹配網絡結構比較簡單，只有兩個元件，是最基礎的阻抗匹配網絡，Γ形網絡理論上可以將任意阻抗匹配到我們需要的阻抗上。

首先斷開天調網絡，在饋線輸入端用網絡分析儀測試，記錄饋線阻抗Z=R+jX的值。在滿足Q值的前提下，當測得天線輸入阻抗R＞Z0（即饋線阻抗）時，選用正Γ形；當R＜Z0時，選用倒Γ形。我臺使用的L3C3構成正Γ形匹配網絡。阻抗匹配的調試需要用到網絡分析儀的阻抗圓圖，即史密斯圓圖（Smith），來幫助調節電容、電感的大小。若R＜R0，表明阻抗點在匹配圓內，需調整串臂上的電感，擴大阻抗圓；若R＞R0，說明阻抗點在匹配圓外，需減小阻抗圓。反復以上步驟，最終調整到R=R0，X=0，這是一個非常考驗細心和耐心的過程，需要多次嘗試。

測試時選擇中心頻率為576 kHz(±10 kHz)，校準網絡分析儀之后，調試時需要先調試阻抗實部，再調試虛部。網絡分析儀測試的史密斯圓圖如圖5所示。

圖5 網絡分析儀測試的史密斯圓圖

在實際應用中，因為電容基本固定不易調整，我們通常采用增加或減少電感線圈接入的數量來調節阻抗，即調節時通過增加或減少電感線圈，以及調整線圈接入點的位置。

4.2.3 陷波網絡的調試

通常情況還要在網絡中加入陷波網絡，陷波網絡是一種特殊的阻塞網絡，阻塞載頻信號，方便濾除他頻信號。將陷波吸收網絡從電路中斷開，將串聯諧振支路獨立出來，將頻率設定在吸收頻率上，測其串聯諧振，調整串聯電感，使R=0，X=0。再將支路元件接入電路，將頻率設定在載頻上，調整Z，使得Φ=0°或360°，此時R與X超出范圍，無顯示。例如，我臺在安裝好576 kHz的天調網絡對1242 kHz的陷波網絡后，通過網絡分析儀將L4C4支路斷開獨立處理，先調節L4的阻值使L4與C4串聯諧振于1242 kHz頻率，再將L4C4串聯諧振電路并入天調網絡，諧振于576 kHz頻率，實現對1242 kHz頻率的濾波入地。

當然，在實際使用中，調試是一個非常復雜的過程，除了要熟練掌握儀器的使用方法，充分理解史密斯圓圖的工作原理，還需要動手多次反復實踐才能調配出一個相對精確、最佳的匹配網絡。

5 結束語

全部調試完成后，應該復測各點的阻抗和天線阻抗，同時做好數據記錄以便為日后維修、系統升級提供參考。設計科學、調試匹配合適的天調網絡有利于發揮發射機的最大工作效能，提高中波廣播的覆蓋范圍，保障發射機平穩運行，減少發射機的播出故障。同時，在日常工作中，還需要對天調網絡進行維護保養，對元器件除塵，測量元件是否過熱，觀察有無打火點。此外，每年應該定期測試天調網絡阻抗，使天調網絡運行在最佳狀態，減少和預防故障，保障安全播出。在我臺的實際運用中，當天線網絡匹配良好時，匹配網絡的元器件發熱會很低，發射機工作會非常穩定，尤其在雷雨天，發射機的天線駐波比故障也會明顯減少。