中波發(fā)射臺多頻共塔匹配網(wǎng)絡設計

摘要：目前中波臺站建設過程中所使用的發(fā)射塔占地面積大，建設費用高。為了降低中波發(fā)射臺新建臺站的投資成本，則可考慮選用多頻共塔的發(fā)射方式。文章主要介紹了中波多頻共塔匹配網(wǎng)絡的設計原則及注意事項，包括整個中波匹配網(wǎng)絡系統(tǒng)的各構成部分介紹以及各個組成部分所對應的細節(jié)處理等方面，以盡可能地發(fā)揮中波發(fā)射天線的優(yōu)勢，提高天線的發(fā)射效率。

關鍵詞：多頻共塔；中波天線；阻塞網(wǎng)絡；匹配網(wǎng)絡

中圖分類號：TN934

文獻標志碼：A

0 引言

一直以來，中波廣播發(fā)射系統(tǒng)多以高大鐵塔為主，采用一頻一塔的垂直天線來發(fā)射信號。近年來，我國廣播事業(yè)飛速發(fā)展，國內中波臺站建立的中小功率轉播發(fā)射臺，采用一個多頻共塔的發(fā)射方式逐漸取代單頻單塔的發(fā)射方式。

中波臺站多是采用塔高70多m，有的甚至達150 m且占地30多畝的桅桿天線。新建架設一副天線包括所需地價在內，費用高達數(shù)百萬元。采用一頻一塔的方式不僅要占用大面積的土地資源，而且會消耗大量的財力和物力。為了解決上述矛盾，設計人員在設計圖初期可考慮采用多頻共塔的方案。

1 多頻共塔的必要性

目前，新建的中波廣播發(fā)射臺站多采用雙頻共塔、多頻共塔的發(fā)射方式，即發(fā)射臺多部不同頻率的發(fā)射機在同個時間段內上高壓運行時，共用同一發(fā)射塔。多頻共塔，雖節(jié)約了不少資源，但要其安全工作也是存在條件限制的。若要采用多頻共塔的發(fā)射方式，則需滿足以下兩個要求：一是多個發(fā)射頻率要間隔100 kHz以上；二是每兩個共塔頻率之比不小于1.25^［1］。只有遵循以上設計原則，建設制造、機器使用和后期維護工作才能得心應手。

近年來，新建的中波臺站多數(shù)都面臨土地資源緊缺和建設資金受限等問題，因此，多頻甚至三頻共塔的方式得到推廣和應用。若想讓多臺發(fā)射機共用一個發(fā)射塔（即共用同一個天線），同時保證信號能夠穩(wěn)定發(fā)射，就需要設計一套完整的匹配網(wǎng)絡。在饋線和發(fā)射鐵塔之間設置匹配網(wǎng)絡原因如下：在天饋線系統(tǒng)設計時，只有天線與饋線最大限度地相互匹配，才能保證發(fā)射機輸出的高頻能量在饋線上傳輸?shù)挠行裕瑥亩鴮崿F(xiàn)高頻能量以最大功率在天線上發(fā)射。但在實際應用中，天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗兩者并不相等，只有通過匹配網(wǎng)絡，讓饋線與天線阻抗相匹配，才能使傳輸效率達到最高。

2 多頻共塔匹配網(wǎng)絡設計原則

中波廣播發(fā)射機對匹配網(wǎng)絡設計要求較高。一方面是受到場地空間的限制，發(fā)射天線與天線之間的距離較近，不同發(fā)射機之間的頻率間隔比較小；另一方面是其他天線串入鄰近頻率的干擾電壓比較大^［2］，從而出現(xiàn)高頻倒送現(xiàn)象，繼而導致發(fā)射機工作狀態(tài)不穩(wěn)定，甚至燒毀高頻功放電路板。因此，天調匹配網(wǎng)絡的合理設計是安全播出的關鍵因素之一。多頻共塔匹配網(wǎng)絡的設計原則如下。

2.1 阻抗相匹配

多頻共塔匹配網(wǎng)絡和饋線天線要相互匹配，確保具有良好的通帶特性，同時要確保本塔發(fā)射的頻率盡量降低或讓其不受其他頻率的影響。

2.2 器件簡化設計

以確保匹配網(wǎng)絡長期穩(wěn)定工作為前提，盡可能減少器件數(shù)量，減少損耗，方便安裝和后期調試。

2.3 多頻共塔時各頻點保持一定比例距離

多頻共塔的多個頻率之間相互的比值要高于1.25。在設計方案時，雖然理論上不低于1.1則可以實現(xiàn)匹配，但在實際調試過程中受到多個方面因素的影響，幾乎是無法實現(xiàn)的，特別是阻塞網(wǎng)絡的設計，兩個頻率在相互阻塞的過程中會增加視在功率，插入損耗增大，網(wǎng)絡性能變差，以上多個方面會導致發(fā)射機工作狀態(tài)不穩(wěn)定。

2.4 綜合評估所使用器件電氣參數(shù)的冗余量

在設計匹配網(wǎng)絡時，在條件允許的情況下選用電氣特性好、耐壓高的器件^［3］，原因是天線匹配網(wǎng)絡工作頻率高，通帶功率大，防雷電能量性能差。另外，為了提高電容的耐壓和功率要求，在設計的時候可以采用多只電容串聯(lián)后再并聯(lián)的方式，減少電容發(fā)熱量，延長電容的使用壽命。

2.5 復合諧振阻塞網(wǎng)絡

在設計阻塞網(wǎng)絡時，理論上應該讓阻塞頻率的阻抗趨向于無窮大，但在實踐過程中是無法做到的，出現(xiàn)主頻損耗在所難免。當出現(xiàn)阻塞頻率和主頻率很接近的情況時，則需要采用復合諧振阻塞網(wǎng)絡^［4］。

2.6 增加吸收網(wǎng)絡

在理論設計階段，若出現(xiàn)本臺其他頻率與主頻率接近，或者兩者之間的頻差小于300 kHz時，則需要增加吸收網(wǎng)絡。吸收回路的串接方案：一是并聯(lián)諧振串電感，其使用條件是主頻率小于干擾頻率；二是并聯(lián)諧振串電容，其使用條件是主頻率大于干擾頻率。

3 多頻共塔匹配網(wǎng)絡各單元的組成設計

饋線與天線之間的阻抗匹配，需要通過多頻共塔匹配網(wǎng)絡來實現(xiàn)。當兩者最大限度地匹配以后，發(fā)射塔天線便具有最大的不失真高頻功率，該功率會最大限度地把發(fā)射機的能量輻射到整個覆蓋范圍。同時，饋線與天線之間的阻抗匹配還具備3個作用，分別是抑制射頻倒送、吸收外來頻率干擾、防止雷電竄擾。多頻共塔基本型匹配網(wǎng)絡主要由以下各網(wǎng)絡組成：預調網(wǎng)絡、阻抗匹配網(wǎng)絡、移相網(wǎng)絡、阻塞網(wǎng)絡、吸收網(wǎng)絡和防雷裝置。

3.1 預調網(wǎng)絡

在同一個發(fā)射天線中發(fā)射多個頻率信號，參數(shù)值差別較大，時常會出現(xiàn)某個頻率輸入阻抗偏低的情況，即該頻率在與其他頻率饋點匹配時容易出現(xiàn)不匹配的情況。因此，為了解決不匹配的情況，則需要在鐵塔發(fā)射天線底部加上預調網(wǎng)絡。

多頻共塔時，預調網(wǎng)絡能夠使同塔的多個頻率在饋點上的阻抗匹配得到平衡，同時能夠降低共塔的多個頻率之間的設計難度，減少視在功率，在防雷方面也起到一定的作用。如圖1所示，L0和C0構成預調網(wǎng)絡，若要讓鐵塔天線的阻抗與單個頻率的阻抗或者與多個頻率的阻抗相近，則需要通過調整L0和C0來提高或減少天線阻抗，實現(xiàn)平衡阻抗。

預調網(wǎng)絡的另外一個作用是防雷，云層與大地之間的電壓最高可達千萬伏。能量主要集中在低頻范圍和直流部分，電感L0對低頻呈現(xiàn)低阻抗。因此在發(fā)射塔天線下方并聯(lián)一個微亨級的電感L0，不僅達到泄放雷電的目的，而且電感L0對射頻呈現(xiàn)高阻抗，能夠讓射頻分量得到補償。電容C0與電感L0則是相反，電容C0對低頻和直流成分呈高阻抗性，對于整個匹配網(wǎng)絡而言，串聯(lián)電容C0最大的作用在于阻止雷電能量進入匹配網(wǎng)絡進而損壞機房內部的發(fā)射機。電容C0作為第一道防雷門限起到了至關重要的作用。因此，在器件選擇上，對電容C0的伏安特性要求比較高，其耐壓性能越大越好，C0的容量一般在1 000～3 000 pF。

3.2 阻抗匹配網(wǎng)絡

整個天饋線匹配網(wǎng)絡最基礎的構成單元是阻抗匹配網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡在整個鏈路當中起到了橋梁作用，輸入端與饋線相接，輸出端則是與鐵塔天線相連。阻抗匹配網(wǎng)絡在確保具有良好通帶特性的前提下，能夠發(fā)揮以下兩方面的作用：（1）平衡鐵塔天線輸入阻抗與發(fā)射機端連接的饋線或者饋管的阻抗，讓兩者達到特性阻抗相匹配的效果；（2）讓整個匹配網(wǎng)絡減少駐波、削弱反射等。在實際應用中，最常見的有以下幾種匹配網(wǎng)絡，分別是T型、π型、Г型或倒Г型。在設計方案選擇的時候，要從各地方播出頻率、投資建設成本、整個網(wǎng)絡后期的調試與維護以及模擬仿真軟件的結果等多方面綜合考慮做出方案。

3.3 移相網(wǎng)絡

移相網(wǎng)絡即對發(fā)射信號進行相位移動。該網(wǎng)絡是對由發(fā)射機經(jīng)過處理后輸送到饋線的射頻信號進行移相，經(jīng)過移動相位的處理以后，即可讓電流和電壓產(chǎn)生相位差。移相網(wǎng)絡最大的作用就是當雷電入侵天線時，可以最大限度地保護發(fā)射機的功放管。原理是當雷電瞬時入侵天線時，電流和電壓之間有了相位差，兩者不會在同一時間到達發(fā)射機端，從而削弱了雷電瞬時產(chǎn)生的巨大能量對發(fā)射機功放管的沖擊。

3.4 阻塞網(wǎng)絡

阻塞網(wǎng)絡的主要作用是阻止共塔頻率的非本機信號串進發(fā)射機，保障發(fā)射機穩(wěn)定工作的同時，也使得本機輸送的節(jié)目不會有干擾串音。在阻塞網(wǎng)絡的設計初期，首先要考慮視在功率的影響。當需要阻塞的頻率與發(fā)射機本頻頻率比較接近時，就會出現(xiàn)視在功率。此時文章設計的阻塞網(wǎng)絡在阻塞其他非本頻功率的同時，也會相應地損耗部分本頻功率。若設計初期視在功率數(shù)值較大，可能會造成發(fā)射機的網(wǎng)絡器件發(fā)熱，阻抗特性偏移，無法讓整個網(wǎng)絡工作正常穩(wěn)定運行。因此，在設計阻塞網(wǎng)絡時，應盡可能降低視在功率，減少其對整個網(wǎng)絡的影響。阻塞網(wǎng)絡可由多種形式組合，對于阻塞網(wǎng)絡的應用，要考慮以下兩點：一是讓干擾頻率得到最大限度的阻塞；二是減小對自身頻率的損耗。

3.5 吸收網(wǎng)絡

在匹配網(wǎng)絡中，增加吸收網(wǎng)絡可有效地吸收外部頻率對本頻率的干擾，圖1中，L₂，C₁，C₃組成吸收網(wǎng)絡，L₂，C₁串聯(lián)諧振于需要吸收的頻率，串聯(lián)諧振后對諧振頻率呈低阻抗，讓干擾頻率由此入地（也稱為“陷波”），同時L₂，C₁串聯(lián)諧振后再與C₃并聯(lián)，諧振頻率為主頻率，并聯(lián)諧振對本頻率呈高阻抗，防止本頻率損耗^［4］。目前我國主要有以下兩種吸收網(wǎng)絡的設計形式。

3.5.1 并串式吸收網(wǎng)絡

當前，我國大多數(shù)中波臺站主要采用并串式吸收網(wǎng)絡。該吸收網(wǎng)絡的工作原理主要是由L₁，C₁并聯(lián)諧振于本頻信號，將吸收網(wǎng)絡掛在本頻 50 Ω點上時，對自身阻抗的影響幾乎為零。另外，L₁，C₁，L₂構成的整個吸收網(wǎng)絡串聯(lián)諧振于干擾頻率。這個設計方式既可以對本頻不產(chǎn)生影響，又能達到吸收干擾頻率的效果。并串式吸收網(wǎng)絡如圖2（a）所示。

3.5.2 串并式吸收網(wǎng)絡

國內一些中波發(fā)射機廠家也有采用串并式吸收網(wǎng)絡的設計方式。該種設計方式首先是L₁，C₁串聯(lián)諧振于干擾頻率F₂，其次是L₁，C₁，L₂整個網(wǎng)絡并聯(lián)諧振于本頻信號F₁。此時將串并式吸收網(wǎng)絡掛在本頻50 Ω點上，也同樣可以達到對自身阻抗不產(chǎn)生影響的效果。串并式吸收網(wǎng)絡如圖2（b）所示。

4 結語

在這個發(fā)射系統(tǒng)中，天饋線匹配網(wǎng)絡是確保發(fā)射系統(tǒng)正常平穩(wěn)運行不可或缺的組成部分。天饋線網(wǎng)絡的設計不僅包括對元器件的選件和組合、設計優(yōu)化高效率運行參數(shù)，還要保證發(fā)射信號的安全傳輸、發(fā)射機的穩(wěn)定運行，確保發(fā)射機傳輸?shù)男盘栐趥鬏斶^程中損耗最小化、傳輸距離和覆蓋范圍最大化。同時，它既能降低后期整個天調網(wǎng)絡系統(tǒng)的維護成本，還能減少工作人員的維修難度。多頻共塔天線網(wǎng)絡的設計是目前新建中波臺站的優(yōu)先選擇，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是多頻共用發(fā)射塔能夠節(jié)省投資；二是符合我國國情，近年來，我國人口與耕地的比值逐漸增大，廣播系統(tǒng)能夠實現(xiàn)同樣播出效果的情況下，減少占用土地資源。結合多方面因素進行綜合分析，多頻共塔的設計是中波臺站的優(yōu)選方案，既能整合多方面資源，也為安全播出提供重要保障。

參考文獻

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［4］張?zhí)鞓I(yè).中波天饋線匹配網(wǎng)絡的設計［J］.科技傳播，2017（12）：101-103.

（編輯 王雪芬）

Design of multi frequency tower matching network for MW launch pad

Huang Chunwei

（Jieyang Medium Wave Rebroadcasting Station of Guangdong Province， Jieyang 522000， China）

Abstract： At present， the transmission tower used in the construction process of the Zhongbo Station covers a large area and incurs high construction costs. In order to reduce the investment cost of the new medium wave launch pad， the multi frequency common tower transmission mode can be considered. The article mainly introduces the design principles and precautions of the medium wave multi frequency common tower matching network， including the introduction of various components of the entire medium wave matching network system and the corresponding details processing of each component， in order to maximize the advantages of the medium wave transmitting antenna and improve the transmission efficiency of the antenna.

Key words： multi-frequency common tower; medium wave antennas; blocking the network; match the network