DCM 10 kW 中波廣播發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)原理與調(diào)整

周嘉鎮(zhèn)

（廣東省汕尾中波轉(zhuǎn)播臺(tái)，廣東 汕尾 516400）

0 引 言

哈爾濱廣播器材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DCM 10 kW中波廣播發(fā)射機(jī)的輸出網(wǎng)絡(luò)在廣播發(fā)射中起著關(guān)鍵作用，能夠?qū)⒐β屎铣善鞯牡妥杩剐盘?hào)轉(zhuǎn)換為50 Ω 的阻抗輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)輸出能量的有效傳輸。它的工作狀態(tài)好壞直接影響發(fā)射機(jī)的輸出功率、功放模塊的工作穩(wěn)定性及發(fā)射機(jī)的信噪比指標(biāo)，同時(shí)影響發(fā)射機(jī)在雷雨天氣中工作的安全性。輸出網(wǎng)絡(luò)由帶通濾波器以及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。帶通濾波器用于濾除射頻放大器產(chǎn)生的三次諧波等雜波信號(hào)，并輸出基波信號(hào)；阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于將功率合成器輸出阻抗調(diào)整為與饋線阻抗相匹配[1]。本文將對(duì)中波廣播發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)的原理和調(diào)整方法進(jìn)行探討。

1 輸出網(wǎng)絡(luò)原理

中波廣播發(fā)射機(jī)的輸出網(wǎng)絡(luò)包括帶通濾波器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)兩大部分[2]。帶通濾波器負(fù)責(zé)濾除功率放大器產(chǎn)生的三次諧波等多余的雜波并輸出基波電壓，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是將饋線阻抗調(diào)整為功率合成器的輸出阻抗。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的功能是進(jìn)行阻抗變換，將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行有效傳輸，使負(fù)載獲得最大的有效功率。圖1 為DCM 10 kW中波廣播發(fā)射機(jī)的輸出網(wǎng)絡(luò)原理圖。圖1 左側(cè)為帶通濾波器，右側(cè)為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖1 DCM 10 kW 發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)原理圖

1.1 帶通濾波器原理

帶通濾波器是輸出網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分，作用是濾除射頻放大器產(chǎn)生的多余的“臺(tái)階”和不希望輸出的頻率，并輸出基波電壓[3]。帶通濾波器可以采用串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振的方式，選擇性地通過(guò)或阻斷特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。

在串聯(lián)諧振的帶通濾波器中，電感和電容組成一個(gè)諧振回路。當(dāng)信號(hào)頻率與諧振頻率匹配時(shí)，電感和電容的阻抗值相互抵消，形成一個(gè)諧振回路。在諧振頻率下，串聯(lián)諧振回路的等效阻抗達(dá)到最小值，信號(hào)能夠通過(guò)。而當(dāng)信號(hào)頻率偏離諧振頻率，串聯(lián)諧振回路的等效阻抗增加，從而阻斷信號(hào)通過(guò)。

在并聯(lián)諧振的帶通濾波器中，電感和電容組成一個(gè)并聯(lián)諧振回路[4]。當(dāng)信號(hào)頻率與并聯(lián)諧振電路的諧振頻率相匹配時(shí)，電感和電容的等效導(dǎo)納值相互抵消，形成一個(gè)諧振回路。在諧振頻率下，并聯(lián)諧振回路的等效導(dǎo)納達(dá)到最大值，信號(hào)能夠通過(guò)。當(dāng)信號(hào)頻率偏離諧振頻率，并聯(lián)諧振回路的等效導(dǎo)納減小，從而阻斷信號(hào)通過(guò)。

在帶通濾波器中，通帶是指能夠通過(guò)的頻率范圍，阻帶是指衰減或抑制其他頻率范圍的信號(hào)。帶通濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在通帶內(nèi)最大限度地傳遞有用信號(hào)，并在阻帶內(nèi)對(duì)通過(guò)的無(wú)用信號(hào)進(jìn)行阻塞和衰減。根據(jù)帶通濾波器的設(shè)計(jì)要求，可以選擇合適的電感和電容值，以達(dá)到對(duì)特定頻率的濾波效果。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整電感和電容的數(shù)值，可以調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率和帶寬，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。根據(jù)全固態(tài)中波廣播發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)頻率特性，可以選擇最大平坦度濾波器（如巴特沃斯濾波器）作為帶通濾波器。這種濾波器具有平坦的通帶特性和良好的阻帶衰減特性。

哈爾濱廣播器材有限責(zé)任公司的DCM 10 kW中波廣播發(fā)射機(jī)帶通濾波器由可調(diào)電感L101、可調(diào)電容C102 和C101，以及可調(diào)電感L102 和C103 組成，是由二階帶通原型濾波器改進(jìn)而來(lái)的。通過(guò)調(diào)整帶通濾波器中的電容和電感參數(shù)配置，使得串聯(lián)諧振電路諧振工作頻率，對(duì)基波呈現(xiàn)很小的阻抗，并聯(lián)諧振電路諧振于三次諧波頻率，對(duì)各次諧波呈現(xiàn)很大的阻抗，因此當(dāng)電流信號(hào)通過(guò)時(shí)就可以把基波信號(hào)提取出來(lái)[5]。在實(shí)際工作中，由于中波段的標(biāo)稱(chēng)頻率是531 ～1 602 kHz，發(fā)射機(jī)應(yīng)滿足整個(gè)波段的要求。因此，電感線圈的電感量應(yīng)適當(dāng)做大些，電容的容量按照工作頻率來(lái)確定。

1.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

1.2.1 三次諧波陷波器

全固態(tài)中波廣播發(fā)射機(jī)不論是PDM 脈寬機(jī)還是DX 型數(shù)字機(jī)，被調(diào)級(jí)都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)分解得到基波與奇次諧波分量，沒(méi)有偶次諧波分量。奇次諧波的振幅隨著諧波次數(shù)的增高而減小，其中三次諧波的幅度最大。為了防止諧波向外輸出，中波發(fā)射機(jī)采用了僅讓基頻通過(guò)的2 階帶通濾波器。然而，為了防止調(diào)制邊頻對(duì)負(fù)載的影響，保持較好的穩(wěn)定性，濾波器的Q值取值很低，導(dǎo)致對(duì)三次諧波的衰減程度不夠。因此，為了達(dá)到必要的濾波度，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中加設(shè)了三次諧波陷波器，將三次諧波對(duì)地泄放，以進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)三次諧波的抑制效果。

三次諧波陷波器由L105、C104 組成，通過(guò)串聯(lián)諧振原理實(shí)現(xiàn)對(duì)三次諧波的衰減，使諧振頻率與三次諧波頻率相匹配，即3 倍的工作頻率。

1.2.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的組成

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是中波發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，用于將功率合成器的低阻抗（4 Ω）信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)妮敵鲎杩梗?0 Ω）。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)通常由T 形網(wǎng)絡(luò)或π 形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中T 形網(wǎng)絡(luò)是常用的高通匹配網(wǎng)絡(luò)。T 形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)電感元件和一個(gè)電容元件組成，形狀呈“T”字形排列。電感元件的作用是通過(guò)電流的滯后來(lái)改變阻抗，將輸入信號(hào)的電流延遲電壓90°；電容元件具有容性特性，可以存儲(chǔ)電荷，通過(guò)電流的超前來(lái)改變阻抗，將輸入信號(hào)的電流超前電壓90°。通過(guò)調(diào)整電感、電容的數(shù)值，可以控制電流和電壓的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)阻抗的轉(zhuǎn)換和匹配。

DCM 10 kW 中波廣播發(fā)射機(jī)的T 形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由可變電感器L104、L103 與L105、C104 共同組成。其中，L104 為輸入支路，L103 為輸出支路，三次諧波串聯(lián)諧振支路在工作頻率上呈容性。輸入和輸出支路的可變電感器可用于調(diào)節(jié)匹配，使之與用戶的50 Ω 饋線阻抗相匹配。

1.2.3 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保輸出網(wǎng)絡(luò)的阻抗與高末槽路諧振阻抗相匹配，并使其輸出阻抗與饋線阻抗相匹配。只有通過(guò)阻抗匹配，發(fā)射機(jī)的能量才能有效傳輸?shù)截?fù)載，使負(fù)載獲得最大的有效功率，減少信號(hào)的反射損耗，降低反射系數(shù)，提高傳輸效率。在實(shí)際應(yīng)用中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體的工作頻率和發(fā)射機(jī)的輸出功率進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中電感和電容元件的數(shù)值，可以達(dá)到阻抗匹配和諧波抑制的要求。

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)不但要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減少信號(hào)的反射損失，實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，而且要有防雷的作用，因?yàn)榘l(fā)射機(jī)的功放模塊是場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)發(fā)射天線遭遇雷擊，天線阻抗瞬間發(fā)生變化，功放電路里會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的瞬時(shí)電流，容易把功放模塊損壞。防雷的具體做法在調(diào)整阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用相移-45°的設(shè)計(jì)。在電路中，電感元件會(huì)使電流滯后電壓相位90°，而電容元件會(huì)使電流超前電壓相位90°。因此，當(dāng)應(yīng)用相移-45°的設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)載短路時(shí)電感元件的感性特性會(huì)抵消電容元件的容性特性，從而使等效阻抗呈感性。等效阻抗呈感性，會(huì)限制電流流過(guò)負(fù)載，減少功放模塊受到的電流沖擊，降低熱損耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性，從而有效保護(hù)功放模塊不受雷擊等外界因素的損壞。

2 輸出網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整方法與步驟

輸出網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整是為了確保阻抗匹配和濾波效果的最佳化。進(jìn)行調(diào)整前，必須斷開(kāi)發(fā)射機(jī)電源，對(duì)電容、電感等元器件進(jìn)行放電，同時(shí)保證調(diào)試工作在沒(méi)有相關(guān)頻率干擾的情況下進(jìn)行。具體步驟如下。

2.1 更換帶通濾波器中的電容

根據(jù)實(shí)際工作頻率，選擇合適的電容值以滿足濾波要求。電容值的選擇應(yīng)使濾波器在工作頻率附近形成諧振回路，使所需頻率的信號(hào)通過(guò)，而其他不需要的頻率被濾除。

2.2 調(diào)整帶通濾波器

測(cè)量L101 與C101 串聯(lián)后的阻抗值，通過(guò)調(diào)節(jié)電感L101 的數(shù)值，使L101 與C101 達(dá)到串聯(lián)諧振狀態(tài)（即阻抗最小）。測(cè)量L102 與C103 并聯(lián)的阻抗值（注意斷開(kāi)與L104 的連接），調(diào)整電感L102 的數(shù)值，使并聯(lián)回路工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)（即阻抗最大狀態(tài)）。通過(guò)調(diào)整電感的數(shù)值，可以改變諧振頻率和帶寬，以滿足濾波要求，使帶通濾波器達(dá)到諧振狀態(tài)，使所需頻率的信號(hào)通過(guò)。

2.3 調(diào)整三次諧波陷波器

三次諧波陷波器在中波發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)中起到抑制三次諧波的重要作用，通過(guò)諧振原理和濾波原理實(shí)現(xiàn)對(duì)三次諧波的衰減。選擇合適的電感、電容元件并調(diào)整其數(shù)值，可以使諧振頻率與三次諧波頻率相匹配。實(shí)際調(diào)整中，使網(wǎng)絡(luò)分析儀預(yù)置到三次諧波的頻率上（即3 倍工作頻率），測(cè)量陷波器即L105 與C104 串聯(lián)電路的阻抗，調(diào)整電感L105 的數(shù)值使其在三次諧波的頻率上達(dá)到串聯(lián)諧振（即阻抗最小狀態(tài)）。

2.4 調(diào)整阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的電感、電容的數(shù)值，使輸出阻抗與饋線阻抗匹配為50 Ω，可以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸和最佳信號(hào)傳輸效果。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整要與三次諧波陷波器配合。調(diào)整時(shí)，將三次諧波陷波器與L103、L104 連接好，組成一個(gè)T 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。將網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)為發(fā)射機(jī)的工作頻率，假負(fù)載與輸出網(wǎng)絡(luò)（連接L103）連接好，L102 與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的連接斷開(kāi)，測(cè)量阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端。通過(guò)不斷地調(diào)整電感L103，改變阻抗的虛部，調(diào)整電感L104 改變阻抗的實(shí)部，最終使阻抗為50+j0 Ω。

2.5 檢驗(yàn)和細(xì)調(diào)

完成以上調(diào)整后，需要進(jìn)行檢驗(yàn)和細(xì)調(diào)，以確保輸出網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配和濾波效果達(dá)到要求。可以使用專(zhuān)業(yè)的測(cè)試設(shè)備和儀器，如阻抗分析儀、頻譜分析儀等，對(duì)輸出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)和分析，以確定其性能是否符合要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)中波廣播發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)的原理和調(diào)整方法的研究，可以確保發(fā)射機(jī)輸出能量在饋線中得到最佳傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)廣播信號(hào)的高效發(fā)射。輸出網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整是保證阻抗匹配和濾波效果的關(guān)鍵步驟。只有在輸出網(wǎng)絡(luò)調(diào)整到位的情況下，發(fā)射機(jī)才能提供安全、優(yōu)質(zhì)的廣播服務(wù)。