关于DAM中波发射机输出网络的研究

2018-07-10程国嵩

通信电源技术 2018年4期

关键词：发射机谐振电感

程国嵩

（松原中波发射台，吉林松原 138000）

0 引言

DAM中波发射机的输出网络包括T型阻抗匹配网络和二阶带通滤波网络两部分。发射机功率合成器输出低阻抗4 Ω，天线馈线的特性阻抗为50 Ω（或75 Ω）。输出网络的主要作用是将合成器输出的低阻抗变换为50 Ω，以便于功率传输。

1 输出网络的工作原理

输出网络完成阻抗变换需要两个过程：带通滤波器级和输出网络级。功放级放大器模块输出的功率电压经合成器叠加后具有台阶毛刺，而带通滤波器将功率合成器输出的波形变得光滑，滤除多余的“台阶”电压，同时防止带外频率数/模转换干扰音频系统，并将合成器4 Ω的低阻抗输出匹配为50 Ω（75 Ω）。T型网络实现天线系统和发射机的阻抗匹配，通过“调谐”和“负载”两个调整线圈完成。此外，T型网络还具有衰减谐波的功能。输出网络的结构如图1所示。

图1 输出网络结构

电容C、电容C102、电感L101和电感L102构成了带通网络。带通网络是一个2阶巴特沃斯滤波器，同时也是一个非典型的倒г网络阻抗变换器，具有较好的平坦度，实现带通网络的滤波和阻抗匹配两个功能。滤波功能是滤除音频通带外的不必要频谱成分，这些频谱成份主要是模/数转换的采样频率和各种组合差频。功率合成器输出的已调制调幅波信号具有一定的量化台阶，经过带通滤波器后，台阶被滤除，RF功率调幅信号变成光滑的典型调幅波信号，实现了RF功率最后的数/模转换，同时实现了合成器4 Ω低阻抗输出变换为输出测试点的50 Ω纯阻。带通滤波器的幅频特性较好，以载波f0点为0 dB，相对于±10 kHz范围内衰减量在±0.1 dB，在±50 kHz范围内衰减量大于-3 dB，在±100 kHz范围内衰减量大于-12 dB。

电容C104、电感L103、电感L104和电感L105构成了T型高通匹配网络[1]。网络的输入和输出支路有可调电感器，串联谐振于三次谐波的接地支路相对于载波频率呈现容抗。T型网络匹配阻抗适用于不规则的50 Ω馈线阻抗，一般馈线的驻波比低于1.25都能与其正常匹配。

发射机输出网络的电感电容有载波频率决定，电抗值的大小取决于发射机的载波频率。输出网络上还接有RF取样电路，用于输出监测电路的功率监测和驻波比（VSWR）过载保护等功能。

2 输出网络的调整

2.1 输出网络的静态调整

2.1.1 调整T型网络匹配

采用矢量分析仪将输出网络接上假负载进行静态调试。先调整3次谐波串联陷波器，按图1将三次陷波器从A点断开，用矢量分析仪测量L105和C104的串联谐振，将网络分析仪设置为史密斯阻抗原图，测试频率范围是5 MHz。调整可变电感L105，使网络谐振于载波频率的三倍频上，恢复A点连接。调整T型网络阻抗匹配，把可调电感器L103从B点处断开（连接线要带入，它是阻抗的一部分），将网络分析仪频率范围设置在3 MHz，然后连接网络分析仪，调整可调电感线圈L103（调谐）和L104（负载）来改变负载阻抗。其中，L103影响虚部，L104影响实部，调整负载阻抗至50±j0 Ω。

2.1.2 调整带通滤波器

先调整L102和电容C组成的并联谐振，断开L102的C点连接线（不要恢复B点连接）。网络分析仪的测试状态不变，接入网络分析仪改变可调电感L102的电感值，达到阻抗无穷大即并联谐振状态。调整电感线圈L101和电容C101组成的串联谐振，从D点断开串联谐振与发射机合成变压器输出铜棒的连接（不要恢复C点连接），调整可调电感器L101，使阻抗调整至趋近于0，即串联谐振。

2.1.3 调整输出网络的输入阻抗

将A点、B点和C点恢复连接，将矢量分析仪设置在阻抗圆图状态，接入D点测试（保持与合成变压器铜棒的断开），改变B点和C点位置，使测试输入阻抗达到4 Ω左右。微调可调电感线圈L101，使输入阻抗接近于纯阻状态。

2.1.4 测量输出网络的特性阻抗

将假负载断开，发射机输出端开路。将矢量分析仪设置为3 MHz带宽，短路校准，按图2连接测量传输特性。

图2 输出网络测试系统

将C点接地后串接阻抗变换器，将阻抗变换器的4 Ω抽头连接到电感线圈L101的初始端。①端为50 Ω抽头端，②端为接地端，③④端是矢量分析仪输入端口。将①②端接入矢量分析仪的输出端口，将③④端接入矢量分析仪的输入端口。适当改变C点和B点位置，网络分析仪将呈现如图3所示的幅频特性。调整L101，使特性曲线顶部平滑。如果顶部过宽，B向远地端移动；如果顶部过窄，B向近地端移动。继续改变C点位置，直到满足f0±10 kHz，带内平坦度＜±0.5 dB；f0±50 kHz，频点相对衰减为-3 dB（3 dB带宽为100 kHz）；f0±100 kHz，频点相对衰减为-15±2 dB。完成后，恢复发射机输出网络的全部连接线。

图3 输出网络的幅频特性曲线

2.2 输出网络的动态调整

动态调整是使发射机的输出功率达到最大功率点。调整时要检查推动信号，并调整输出阻抗。注意观察有无异常现象，出现异常时需立即关闭发射机，切断电源直到排除故障，才可以重新调整。

2.2.1 检查RF驱动信号

把循环调制编码板设置为循环“OFF”，功放控制为“ON”，将发射机熔断器组件板的熔断器全部取下，然后开机上高压、升功率，直到D1～D18全部开启。用示波器测量功放模块D1～D18的栅极驱动电压，正常情况下为22VP-P。若有较大的偏差，需要重新调整推动稳压电源的驱动电压，使其栅极幅度达到需要的要求。降功率，直到D1～D18全部关闭，然后关掉高压，将熔断器组件板恢复。

2.2.2 调整最大功率点

开机上高压、升功率，将D1～D5功放模块开启，观察显示屏上的功放电流指示，检查发射机的匹配网络和相关器件是否正常工作。如果工作正常，继续升功率至功放模块D1～D13开启，显示屏的功放电流此时应为30 A，输出功率将在5 kW左右。然后，关闭发射机，调整输出网络电感线圈L101的抽头，开机观察功放电流是否增大或减小。之后，关机继续调整，反复几次，直到寻找到功放电流最大点和输出功率最大点。

2.2.3 功率合成器输出阻抗的调试

将循环调制编码板的小台阶全部设置为开启状态，给小台阶功放模块加上功放电压，使其具备工作条件。升功率至大台阶D1～D18全部开启，然后观察显示屏功放电流，关机重新调整电感线圈L101的抽头，直到找到电流最大点，此时约50 A。若偏差较大，可相应适当改变输出网络的并联谐振网络L102抽头的位置，使输入阻抗4 Ω发生轻微改变，使功放电流达到50 A，即此时发射机输出功率达到10 kW。然后，发射机工作5 min，观察机器的各部分工作状态，之后关闭发射机，打开机箱门，检查输出网络的电感电容是否存在拉弧、打火和发热现象。如果存在拉弧打火等异常现象，需马上处理；若发射机功放模块的散热器存在不均匀发热现象，说明输出网络匹配没有调整到位，需要反复微调输出网络，直到功放模块的散热器均匀散热。

2.2.4 调试循环调制

降功率，使发射机输出功率降至零。按升功率键，准备小功率下调试循环，使“大台阶”功放模块D1～D3开启，设置循环调试编码板处于“循环控制状态”，D1～D3的指示灯依次循环移动，观察发射机电流指示是否与停止循环工作时基本相同。两个循环周期结束后，继续升功率至大台阶模块D1～D10开启，置于循环工作状态。观察电流指示是否与停止循环时工作基本相同。两个循环周期结束后，继续升功率至“大台阶”模块D1～D18开启。此时，输出功率最大达到10 kW，电流为50 A。观察D1～D18循环两个周期后，发现电流无明显变化。发射机连续工作2小时，关机检查输出网络各部分有无明显发热、打火或拉胡现象。如果无异常情况，说明发射机输出网络已经调试到最佳状态。

3 输出网络的故障报警

输出网络加装有发射机驻波比（VSWR）保护电路，用于保护发射机和天馈线设备。发射机处于高功率时，发生较大的驻波比将导致大电流或高压，引起输出网络打火、元件发热等现象。输出网络的驻波比VSWR过载门限值不能设置太高，而较低的灵敏度将导致元器件损坏或失效。带通滤波器VSWR电路可以检测发射机内功率合成器至输出网络之间任意处发生的高驻波，当出现元器件故障时，控制系统会及时执行保护动作。

带通滤波器VSWR电路同时可检测任何天线负载的变化[2]，但是它的灵敏度设置较低。天线VSWR首先由天线VSWR电路检测出来，然后由带通滤波器VSWR电路检测出来。VSWR保护的第一步是试图消除故障。通常，可通过将发射机输出功率在一段时间内降到零实现消除。这个零输出功率是通过调制编码板的作用将所有的功放单元关闭而实现的，整个过程在20 ms内实现。如果VSWR故障多次都不能通过关掉功放单元来消除，发射机将会降低功率。元器件故障引起输出网络出现问题时，VSWR检测电路会保护发射机直至损坏元器件被替换。需要注意，不要试图进一步提高输出功率，更不要改变“调谐”或“负载”旋钮。

正常工作时，如果一个短暂VSWR发生，如由雷电或天线系统内静态放电引起的VSWR，天线与带通滤波器指示都会闪烁，天线VSWR电路需设置在带通滤波器电路前；如果只是带通滤波器指示灯闪烁，则表明输出网络有问题。