中波天线调配网络的计算机设计

骆昌赓

（广东省广播电视技术中心八〇八台，广州 510220）

中波天线调配网络的计算机设计

骆昌赓

（广东省广播电视技术中心八〇八台，广州 510220）

计算机技术的经过几十年的不断发展，已经深入到各行各业中，本文介绍了如何通过计算机技术在广播电视领域里的应用，利用Matlab来设计中波调配网络，并利用Multisim软件来对设计好的网络进行仿真验证，计算机技术的应用使中波调配网络的设计和调试更加简单、高效。

中波天线调配网络；Matlab；Multisim；设计；仿真

1 引言

中波调配网络是连接中波天线和传输线的中间纽带，它肩负着非常重大的责任，具有防雷、阻塞网络、阻抗匹配、射频倒送的抑制四个功能。本文介绍了如何利用计算机软件（如Matlab，Multisim等）来进行中波天线调配网络的设计和验证，利用Matlab强大的计算能力来进行设计，然后用Multisim来对设计好的网络进行仿真，能及时发现问题并进行修改。目前，广播电视技术人员大部分还是停留在依靠人工计算的阶段，计算机技术的加入将会大大提高工作效率，而且使设计方案的数据更加精准，这类计算机技术很值得在广大技术人员中推广。

2 调配网络的设计

2.1 天线情况及需求分析

这次要设计的双频共塔天线塔高90m，工作频率f1=999kHz，对应的天线阻抗Z1=140+j190.5，工作频率f2=612kHz，对应的天线阻抗Z2=19.2-j65.8，发射功率均为10kW，馈线特征阻抗Z0=50Ω。因为天线是复阻抗，为了便于分析，我们把天线复阻抗等效转换成电阻和电容、电感的组合。999kHz的天线阻抗可以等效为一个140Ω电阻和一个30.349μH电感串联的组合；612kH z的天线阻抗可以等效为一个19.2Ω电阻和一个3.9522nF电容串联的组合。

本次调配网络的总体设计图1所示。因为999kHz和612kHz的设计方法是一样，只是参数的改变，因此本文重点放在介绍999kHz的匹配网络设计方法上，612kHz匹配网络以此类推。

图1 双频共塔天线调配网络示意图

2.2 天线及调配网络的防雷措施

因为雷电的主要能量集中在低频和直流部分，因此在天线下并联一只微亨级电感L0，它主要为天调网络提供一个对地静电放电同路，它除了具有防雷作用外，还参与阻抗变化，它们组成一个Г型网络，称为预调网络。之所以要加预调网络，原因是一塔双频时，两频的频率间隔要求较远，对于同一发射塔，不同的工作频率显现不同的天线特性阻抗。如999kHz的天线阻抗Z1=140+j190.5，612kHz的天线阻抗Z2=19.2-j65.8，相差很大，如果没有经过预调网络直接并入，会因阻抗的差异而造成天线端的电压、电流的差异很大；还会造成一路的阻塞网络的视在功率大，匹配网络的视在功率也大，不但加大了损耗，也增加了不稳定因素，最终影响发射机的效率和工作稳定性，因此要加入预调网络。预调网络可以使各发射频率等效阻抗的实部调到一个接近的值。根据防雷和预调的需要，我们取L0=45μH。

2.3 阻塞网络的设计

图2 阻塞网络原件图

2.4 匹配网络的设计

匹配网络有三种形式，即Г型、T型、∏型。Г型比较简单，非常满足匹配的要求，但是不能控制品质因数。T型和∏型匹配网络增加了一个节点，可适当选择该节点的阻抗来控制匹配网络的有载品质因数Q，得到符合要求的匹配网络带宽。为了保证调配网络具有合适的滤波度，工作品质因数Q通常要求在2～6之间。本次设计采用T型匹配网络设计。

设计匹配网络有两种方法：解析法、Smith圆图的图解法。Smith圆图可快速并相对精确的设计匹配网络，它的好处是复杂程度几乎可以与匹配网络的元件的数目无关，只须读取和跟踪数据。Smith圆图的理论这里就不介绍了，直接介绍用Matlab软件通过Smith圆图来设计匹配网络的方法。

天线阻抗在经过微亨级电感后在999kH z所呈现的电感是45.921+j127.346，我们的目的是用匹配网络把45.921+j127.346匹配成跟传输馈线特性阻抗一样的50Ω纯阻。T型网络的拓扑结构如图3所示，对于T型匹配网络，待匹配点ZL与第一个元件的连接是串联，再与第二个元件并接，最后与第三个元件串接到另一个待匹配点。

图3 T型网络拓扑结构

我们知道，在Smith圆图上，电抗元件与复数阻抗串联将导致Smith圆图上的相应阻抗点沿着等电阻圆移动，电抗元件与复数阻抗并联将导致Smith圆图上的相应阻抗点沿着等电导圆移动。根据这个规律，在设计T型匹配网络，首先待匹配点沿着等电阻圆移动（与元件串联），然后再沿着等电导圆移动（与元件并联），最后沿着等电阻圆移动（与元件串联）到另一个待匹配点。用Matlab编程建模，因为斯密斯圆图里的阻抗、导纳都是归一化的值，我们先要将实际阻抗值都归一化，一般采用归一化标准值Z0=50Ω的参考阻抗，归一化的负载阻抗z=Z/Z0。与两个匹配点连接的元件Z1和Z3是串联连接，可以现在Smith圆图上确定两个匹配点，然后再画过两个匹配点的等电阻圆；元件Z2与电路并联连接，因此只能通过等电导圆来将两个等电阻圆连接，如何确定等电导圆是要面对的问题，这时我们可以根据品质因素来确定等电导圆，因为一般要求Q在2～6之间，我们可以取Q等于5，然后用Matlab画出等Q值线，它跟等电阻圆的交点的电导就是等电导圆的取值，用Matlab编程，然后，用Matlab画出两个待匹配点的等阻抗圆，然后找到等Q线Q=5和输入阻抗Zin=50的等电阻圆的交点，确定电导g=0.039，然后画g=0.039的等电导圆，由此，得出图4所示的Matlab画的Smith圆图。

图4 Qn=5的999kHz的T型匹配网络Smith圆图

图5 T型网络电路原理图

2.5 双频共塔调配网络总体设计

612kHz的设计方法与999kHz的类似，这里就不重复介绍了。自此，999kHz和612kHz双频共塔调配网络设计已基本完成，调配网络电路设计原理图如图6所示。

图6 双频共塔调配网络电路设计原理图

3 调配网络的仿真验证

虽然调配网络的设计已经完成，但是如果按照这个设计图搭建实物网络，如果出现问题，就得重新返工再设计，非常麻烦。如果有软件能够对网络进行仿真验证，这将大大提高工作效率，减轻设计人员负担。Mutltisim 12就是这么一款软件，它拥有丰富的虚拟测试工具，能完美的仿真出各种电路，测出的结果跟真实情况非常相近。

3.1 999kHz的阻塞网络的测试

按照图7的设计参数连接网络，一端接调幅元，一端接50Ω纯阻负载，测试结果是阻塞网络对999kHz工作频率没有衰减，而612kHz阻塞频率几乎为零，阻塞效果相当好。

图7 999kHz阻塞网络的测试连接图

3.2 999kHz的调配网络的阻抗校验

按照设计原理图，在Mu ltisim 12仿真软件中，按图8连接各元器件。

图8 999kHz匹配网络的阻抗测试连接图

图8中XNA 1是网络分析仪，P1可以接在调配网络的任意支路，可以测试各点的阻抗。使用起来非常方便，如果需要修改元件参数，可以随时查看修改参数后的结果，对需要反复调整的调配网络非常有帮助。设置测试模式为“RF表征器”，曲线图参数为“阻抗”，函数标记为“Re/Im”，起始频率设置为400kHz，终止频率设置为1100kHz，扫描类型为“线性”，点数为“701”，特性阻抗为50Ω。设置好网络分析仪后，运行仿真，双击网络分析仪，可以得到图9上图的结果，移动频率光标到999kHz，可以看到输入阻抗为50.179+j0.068，与要求得到的50Ω纯阻相当近似，满足设计要求。将测试模式选到“测量”一档，可以得到图9下图的测试结果。Z11和Z22分别表示P1，P2端的测试结果，从图9下图可以移动红色光标，看到各个频率的Z11值，移动到999kHz时，Z11的阻抗值是（1，0），这点是阻抗匹配点，证明匹配网络设计满足要求。

图9 999kHz匹配网络的阻抗测试结果

3.3 999kHz的调配网络的带宽校验

中波的带宽要求是±4.5kHz，即要求在±4.5kHz的天线驻波比要小于1.2，如果用功率增益来表示的话，即是要求|TPG|＜0.036dB。Multisim 12可以用网络分析仪来测试设计好的中波匹配网络的带宽，按照图10的设计图连接电路。双击网络分析仪，设置设置测试模式为“R F表征器”，曲线图参数选择为“功率增益”，光迹选择“TPG”，函数标记选择为“dB Mag”，射频参数设置源阻抗ZS=50+j0(Ohm)，负载阻抗ZL=140（R0）+j0(Ohm)。运行仿真电路，双击网络分析仪，得到如图11图形：从图中我们可以读出999kHz的TPG= -1.588e-5dB，说明匹配网络对999kHz的信号几乎没有衰减；612kHz的TPG=-87.062dB，说明612kHz的信号通过匹配网络后几乎衰减为0，达到很好的阻塞效果。读取|TPG|＜0.036dB的频点，可以读出999kHz匹配网络的带宽为±7kHz，符合设计要求。

图10 999kHz匹配网络的带宽测试连接图

图11 999kHz匹配网络的带宽测试结果

设计步骤可参考上述方法，主要是T型网络参数发生变化，电路原理图如图12所示。

图12 999kHz的Q=3的匹配网络电路原理图

运行仿真，从图13上图可以读出999kHz的阻抗为50.215+j0.161，符合设计要求；从图13下图可以读出999kHz的TPG=-3.122e-5dB，612kH z的TPG=-89.769dB，带宽为±12kHz。比Q=5的设计方案的带宽增加了10kHz，可以满足更高带宽需要的设计要求。

3.4 612kHz的调配网络的阻抗、带宽校验

对于612kHz匹配网络的仿真，612kHz处的阻抗为49.809+j0.002，带宽为±5kH z，如想提高带宽，可适当提高匹配网络的Q值，设计出满意的方案。至此，999kHz和612kHz的双频共塔调配网络经软件验证可以达到较为理想的设计效果，达到预期目的。

图13 Q=3的999kHz匹配网络的带宽测试结果

4 结束语

中波天线的调配网络对于中波发射是非常重要的一环，天线调配网络的各项技术性能的好坏，关系到发射机能否长时间稳定工作，能否满足“高质量、不间断”的要求，网络设计不仅要考虑阻抗匹配和频率响应带宽，还要考虑如何排除邻频的干扰。因此，天调网络的设计是一个复杂又重要的课题。它的设计方法众多，要根据自己台站的实际来选择设计方法。随着计算机技术的发展，给天调网络的设计带来了新的方法，使设计周期更短，准确性更高。Matlab对于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算特别在行，能快速设计出多种匹配网络方案可供选择。Multisim则作为仿真软件，能够对现实中的各种电路进行完美的仿真，在不接触硬件的情况下也能对方案作出很好的分析判断，然后作出修改完善。Matlab和Multisim的完美结合使中波天线调配网络的设计变得更加容易，高效。随着计算机技术的不断发展，必然给广播电视发展提高更多技术支持，广大广播电视技术人员有必要不断学习计算机技术，大力推动广播电视事业的快速发展。

东进技术闪耀2014亚洲通信展

近日，2014亚洲通信展在新加坡举行，全球领先的多媒体信息交换设备厂商东进技术携keygoe多媒体交换机和新一代电子支付网控器eNAC-8000盛装亮相，全面展现东进的品牌影响力和技术研发实力。

在本届展会上，东进keygoe多媒体交换机依然是呼叫中心领域当仁不让的“明星”。据介绍，东进Keygoe多媒体交换机是面向电信增值、呼叫中心和企业通信等应用的开放式、可编程、高可靠和系列化的融合多媒体信息通信平台，以其强大多媒体处理和承载支撑，成为通信行业客户的首选。在呼叫中心领域，keygoe产品多年来拥有着长期稳固的市场占有率，几乎所有行业的呼叫中心都能看到它的身影。

值得一提的是，eNAC-8000电子支付网控器首次亮相亚洲通信展，受到现场嘉宾的高度关注和积极好评。eNAC-8000电子支付网控器是全新一代应用于金融POS支付的专用网络接入设备，可灵活广泛地应用于金融POS以及电话POS，部署于银行、收单机构端，用于与POS机互联或者与其他NAC级联，实现POS机、各网络节点的交易数据的安全以及稳定。

在呼叫中心领域，东南亚一直是全球的热点市场之一，东进已经连续多年参加亚洲通信展，不仅帮助东进在东南亚拓展市场和提升知名度，还为东进提供了深入了解海外客户需求的平台，从而使东进更有针对性地推出相关产品和解决方案。

The Computer Design of AM Antenna Matching Network

Luo Changgeng
(Radio and TV Technology Center of Guangdong Province, Guangzhou, 510220)

After decades of computer technology's development, has been deep into all walks of life, this article describes how computer technology in the field of radio and television applications, using Matlab to design the matching network deployment and use Multisimsoftware to design network simulation, application of com puter technology to make the matching network design easier and more efficient.

AM Antenna matching network; Matlab; Multisim; design; simulation

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.07.006

TN 82，TP3文献标示码：A

1672-7274（2014）07-0019-06