中波三頻共塔帶通耦合網絡的實現

李慕青

（廣東省江門中波轉播臺，廣東 江門 529100）

1 研究背景

隨著城市規模不斷擴大，大多數中波發射臺往郊區遷移。由于新臺區的場地有限，在有限的空間高效、有質量地傳輸更多節目顯得尤為重要。江門中波臺用一座90米的自立塔實現了846 kHz、1 098 kHz和1 503 kHz三頻共塔發射。實施完成后對這三個頻率的天饋系統技術指標進行測試，均在駐波比小于等于1.2時，帶寬均大于9 kHz，達到了中波天饋系統的技術指標要求。具體設計施工過程介紹如下。

2 天調網絡設計

2.1 要點

（1）通過計算推導出三頻分饋共塔合理的天線預調網絡，有利于減小阻塞網絡的視在功率。

（2）阻塞網絡采用兩級并聯諧振電路。阻塞電路對諧振頻率呈現很高的純阻，而對非諧振頻率呈現某種電抗，這樣阻塞效果才好，即共塔的頻率間隔不宜過小。

（3）帶通網絡的設計采用低Q值，以滿足通頻帶的要求。

2.2 要求

（1）用最少的元器件完成設計，力求電路簡單，減少無功功率的損耗。

（2）三個頻率支路的Q值應設計在4以內，保持通帶平坦，有利于頻響、失真度達到設計要求。

（3）三個頻率的天線輸入阻抗經預調網絡后，在發射功率相等時，其共模阻抗的數值應相等或者接近；在發射功率不相等時，應與發射機功率成反比。在實際應用中對大功率發射機，阻抗實部與功率成正比，虛部與功率成反比。目的是各頻率在發射天線公共連接點處電壓峰值相當從而減少差拍，一方面有利于石墨放電球和天線放電球間隙的調整，有利于發射機放雷；另一方面有利于減小阻塞網絡的視在功率。

（4）如果共塔的三個頻率的功率不相等，預調網絡的設計對其中功率最大的發射機要根據天線輸入阻抗設計出合適的阻抗實部，使各支路電流適中。

（5）對于三個頻率的天線輸入阻抗的實部與虛部，無論其數值太大或太小，應設計出合適的天線預調網絡。

（6）天線的各頻率特性阻抗參數以及地網的地阻都會受天氣和季節變化的影響，那么經過天調網絡后在饋線端處的變化數值應在可控制范圍內，即天線的通頻帶內衰減要小。

（7）設計的電容值應是工程應用值，因為使用的電容值大都是固定的。真空可變電容價格很貴，應采用電感、電容串聯方式，將呈容性的支路當作可變電容來用，用調電感量的方法來調支路電容。

2.3 三頻共塔設計

在本工程中，因三部發射機的功率相等，針對匹配網絡的設計，主要考慮三個頻率的不同和本臺同時有9個頻率播出的問題。力求網絡性能穩定，技術指標優良，并合理節約網絡采購和維護成本，其設計思路是：一是采用微亨級電感線圈作為防雷之用；二是為減小阻塞網絡的視在功率而加入預調網絡，三個頻點功率相等，均采用兩級阻塞網絡；三是為減少泄漏網絡的數量，采用帶通耦合網絡；四是力求網絡穩定可靠，均選用低Q值回路。

846 kHz、1 098 kHz、1 503 kHz三頻共塔調配網絡原理圖如圖1所示。

圖1 846 kHz、1 098 kHz、1 503 kHz三頻共塔調配網絡原理圖

2.3.1 測試天線底部各頻率的輸入阻抗

在天線底部用網絡分析儀（以下均用南京普納科技設備有限公司PNA3628DP電橋）分別測得846 kHz、1 098 k H z、1 503 k H z的天線輸入阻抗如下：Z1=120+j38 Ω；Z2=178+j132 Ω；Z3=49.2-j85 Ω。

從測到的三頻共塔時的天線輸入阻抗來看，Z1、Z2、Z3阻抗的實部相差較大，將會造成各阻塞網絡元器件的功率容量增大，對元器件的要求也要很高；另外出于固態機防雷考慮，決定在設計時，先加入一微亨級的電感，作為預調網絡和防雷之用。

2.3.2 選定防雷線圈和預調器件

固態機對防雷有很高的要求，防雷線圈一般采用微亨級的，它的加入會改變天線的輸入阻抗。在多頻共塔時加入預調網絡，主要解決多頻阻塞網絡視在功率不平衡問題，降低阻塞網絡的視在功率。

以上三頻的天線阻抗相差很大，必須用預調網絡將三頻的天線阻抗進行預調，使三頻到天線入口處的阻抗幾乎相等或接近。

在設計預調網絡時，除了盡量使阻塞網絡的視在功率之和為最小，還應考慮阻塞網絡的通過電抗，當頻率高時呈容性，反之呈感性。如天線阻抗經預調網絡變化后，高頻率時的輸入阻抗呈感性，低頻率時呈容性，與通過阻塞網絡的電抗的性質恰好相反，電抗減小，將給匹配網絡的設置帶來方便[1]。預調網絡使用的器件不是電感就是電容，它由三頻的天線輸入阻抗決定。本次加入的是電感，它具有雙重作用：一是防雷，二是兼作為預調元件之用。

用天調網絡設計軟件設計，調整L0，當將電感量調整為45 μH時，Z1、Z2、Z3的實部基本相同。

此時，Z1A=75.2+j65.3 Ω，Z2A=75.3+j122.9 Ω，Z3A=75.3-j93.5 Ω。

2.3.3 各支路分別加入兩級阻塞網絡

2.3.3.1 選定阻塞網絡的形式

阻塞網絡的任務一是要通過本頻信號，二是要阻塞他頻信號。我們知道中波廣播的信號除載波之外還有上下邊頻信號，通過本頻信號時阻抗要小，阻塞他頻信號時，不但要在載頻處呈現很大的阻抗，而且在上下邊頻處也要呈現較大的阻抗。

圖2是阻塞網絡的等效電路。其阻抗：由并聯諧振網絡的阻抗頻率特性可知，當頻率比t=f/f0大于1.01或小于0.99時，阻塞網絡的阻抗幾乎與Q值無關，所以在以f0為中心的頻帶內，為使阻抗達到某一值以上，必須加大ω0L=1/ω0C的值，也就是加大L，減小C值。

為了計算、調試簡單，我們選用圖2（a）簡單的阻塞網絡。

2.3.3.2 阻塞網絡元件的計算

①設定Z0（一般Z0≥5000 Ω）。

②計算Qmax。

式中，f0為中心頻率；△f為中波廣播頻道帶寬。

③求XL、XC。

④求L、C。

要注意，計算出的C值往往不是整數值，取值時要取小于計算值且易于實現的整數值。然后，再通過容抗計算實用的電感量，該電感量則比計算值大。在實際計算中，也可以按照阻塞網絡電容各頻段的取值范圍先取電容C值后，求出容抗XC，再求電感L。但是，要驗算一下是否滿足帶寬要求。

天線等效阻抗在Z1A、Z2A、Z3A的基礎上分別設計、制作了各支路的阻塞網絡。經網絡分析儀測試，各支路經過兩級阻塞網絡后到達B點的阻抗如下。

⊙ 在846 kHz支路的B1點測得ZB1=75.2+j372.6 Ω，

在串臂上加入一個600 pF的電容后，其阻抗為75.3+j58.7 Ω；

⊙ 在1 098 kHz支路的B2點測得ZB2=75.3+j28.7 Ω；

⊙ 在1 503 kHz支路的B3點測得ZB3=75.3-j380.5 Ω。

2.3.4 設計制作帶通耦合匹配網絡

帶通耦合網絡采用八卦直立式耦合線圈，其耦合度高，它能改善信號輸出的線性度，從而提高網絡的匹配帶寬。因為在網絡的前后端均加入了線圈直接接地，這樣會使整個網絡的防雷效果更好。帶通耦合網絡的另一個特點是整個系統的濾波性能良好，它可以有效地抑制邊頻干擾，不需要增加泄漏網絡來消除各頻率之間的干擾。這樣使匹配網絡的結構簡單，調整和維護方便。

我們以ZB1、ZB2、ZB3等效的天線輸入阻抗分別設計、制作了帶通耦合匹配網絡T846、T1098、T1503。

2.3.5 調試和檢測

電纜采用SDY50-23-3饋管，長度為110米，分別從天調室通過地溝連接到機房，機房內采用硬管與發射機連接。匹配網絡調整完成后，與三根饋管相連。在發射機的輸出端分別對各支路網絡進行測試，其結果如下。

⊙ 846 kHz支路在機房饋管口測得SWR≤1.2時，帶寬B≥9.2 kHz。

⊙ 1 098 kHz支路在機房饋管口測得SWR≤1.2時，帶寬B≥10.6 kHz。

⊙ 1 503 kHz支路在機房饋管口測得SWR≤1.2時，帶寬B≥15 kHz。

調試和檢測完成后，逐一對各頻率的發射機開機運行，測試機器的運行指標，確定每臺機器運行穩定后，就將三部發射機同時運行，三部發射機都工作穩定，監聽也沒有發現串音現象，并進行技術指標測試，均能達到技術要求。

2.3.6 整體完善

我臺共有9個頻率播出，當所有發射機調試完成后，我們進行了綜合測試。開啟所有發射機工作，監聽發射效果。發現當頻率為900 kHz，50 kW發射機在滿功率、滿調制時，846 kHz發射機有時出現駐波比故障。

關閉所有發射機，只開900 kHz發射機，在846 kHz發射機的輸出端口上用示波器觀看，進入此端最高電壓有時高達60 VP-P。分析原因是900 kHz與846 kHz這兩個頻率相距太近，帶通耦合網絡不可能完全隔離。解決方法是在846 kHz匹配網絡的輸入端加一泄漏網絡，其電路形式如圖3所示。

3 總結

通過對三頻共塔帶通耦合匹配網絡的設計、制作、調試，使我們得到了以下體會。

（1）這種新型帶通耦合匹配網絡具有平坦的通帶和很好的阻帶衰減特性，又能起到阻抗變換作用。帶通濾波器的一階支路串聯諧振在工作頻率上具有一定的選頻作用，而后與二階并聯諧振共同作用，大大提高了工作頻率的帶外衰減。合理選擇串、并聯支路的電容、電感參數，設置適當的Q值，就可以滿足工作頻率的帶寬，既增加了帶外抗干擾抑制能力，又利于天饋系統傳輸效率的提高，確保整個發射系統的安全可靠性。

（2）采用帶通耦合設計匹配網絡可以有效地減少抑制高頻回饋的泄漏網絡，節約成本和時間，使天調網絡的調整簡單化，同時當本臺增加頻點時，也不必再考慮高頻回饋干擾問題。

圖3 工作頻率低于泄漏網絡的復合型泄漏網絡

（3）因天氣、氣候的變化，干旱季節或雨季的影響，必將造成天線阻抗發生變化，尤其是當天線阻抗的虛部發生較大變化時，若采用傳統的匹配網絡，就會造成天饋調配網絡失配，整個天饋系統駐波比增大，致使射機不能正常工作。我們選用的這種新型調配網絡解決了這一難題。

4 結束語

總之，我們采用帶通耦合網絡設計三頻共塔匹配網絡的探索和實踐，提高了天饋系統的傳輸效率，增強了工作頻率的帶外抗干擾抑制能力，一年多來，我臺發射系統工作穩定，實現了安全、優質播出。