中波48米小天线双频共塔的预调网络设计

2020-06-11

视听 2020年3期

（广西广播电视技术中心南宁分中心）

一、引言

随着土地资源的日益紧张，中波天线已朝着小型化方向发展。如图1所示，广西101台在639kHz和1305kHz的双频共塔发射中使用了48米中波小天线，该天线具有占地面积小，抗风能力强，天线辐射效果好等优点。但由于天线小型化，天线的电气长度和有效高度都远小于工作频率的波长λ，这就造成了天线的输入阻抗呈现实部过小、虚部过大。频率越低实部越小，如1305kHz的天线输入阻抗实部有55.7Ω，639kHz的天线输入阻抗实部仅有13.1Ω，阻抗实部过小会在阻塞网络上产生较大的视在功率，影响网络的稳定性。广西雷电频繁，对天线的防雷性能要求较高。因此本文介绍在使用中波小天线进行双频共塔发射时，如何设计预调网络解决天线防雷和低频阻抗实部过小造成阻塞网络视在功率过大的问题。

二、预调网络的设计

（一）预调网络的电路组成

如图2所示，中波小天线的预调网络主要由并联的电感L1和串联的电感L2组成，两者连接成Γ形结构。其中L1具有防雷作用，并与L2共同作用改变天线的输入阻抗：L1能同时改变天线输入阻抗的实部和虚部，L2只能改变天线输入阻抗的虚部（串联臂选择电感的原因下文介绍）。

（二）预调网络的作用

中波小天线的预调网络主要三个作用：天线防雷、减小阻塞网络的视在功率、优化天线输入阻抗的虚实比。

1.天线防雷

图1

图2

48米中波小天线自带的防雷措施是天线底部的金属放电球：天线体对地绝缘，两个放电球间隔1cm，天线体上的金属放电球通过尖端放电将雷电传导到与地线相连的另一个金属放电球上，雷电顺着地线被泄放到大地达到防雷目的。

但广西雷雨天气较多，雷电频繁，单靠金属放电球无法将天线上的雷电泄放完全。考虑到雷电的能量主要集中在直流和低频[1]，因此在预调网络环节为天线并联一个微亨级的电感L1（如图1所示），让雷电的直流分量和低频分量能顺着电感直接导入大地，达到二次防雷的目的。并联的电感L1会对天线的输入阻抗产生影响，因此取多大的电感要用史密斯圆图进行精确计算。

2.减小阻塞网络的视在功率

如图2所示，在双频共塔的支路上，并联谐振电路用作阻塞网络。ω是本频的角频率，P（单位kW）是本频的发射功率；ω0是阻频的角频率，P0（单位kW）是阻频的发射功率。t是中间量，α是频率因子，L（单位uH）是阻塞网络的电感值，R是本频在分支点的阻抗实部，R0是阻频在分支点的阻抗实部。由公式1、公式2、公式3可以计算出该支路上阻塞网络的视在功率W0(单位Var)。

预调网络能改变只有R和R0的值，因此对预调网络来说其他量都是常量，可以看出W0与R成反比、与R0成正比。若要两条支路上的阻塞网络的视在功率不出现一个过大的情况，最佳方案就是通过预调网络将R和R0调整到相近大小，最好都能在50Ω附近。

3.优化输入阻抗的虚实比

639kHz的天线输入阻抗虚实比过大，通过并联电感L1能有效提高它的实部，但虚部的绝对值会跟着变大，因此需要再串联电感L2对其虚部进行补偿，降低阻抗的虚实比，减少对带宽的影响。

三、中波预调网络的参数计算

（一）介绍Smith圆图

如图3所示，Smith圆图能在圆图范围内表示任何阻抗值，中波网络的阻抗变换就是通过移动圆图上频点的位置实现的。看图时遵循“上感下容中纯阻”，操作时遵循“左并右串走时针”。

上感下容中纯阻。Smith圆图整体是一个圆，分上下两个半圆，位于上半圆内的频点呈感性；位于下半圆内的频点呈容性。如果频点位于分割线上，则虚部为零，呈纯阻性，圆心位置表示50Ω纯电阻。从左往右看圆图，电阻值（实部）从0增大到无穷大。

左并右串走时针。Smith圆图主要由在右侧相切的等电阻圆族和在左侧相切的等电导圆族组成。两个圆族的轨迹都是完整的圆，同个等电阻圆上频点的电阻值（实部）相等，同个等电导圆上频点的电导值相等。通过串联、并联电感或电容，能够将圆图上的频点移动到圆图的任何位置：当串联并不断增大电感时，频点沿着同个等电阻圆顺时针移动；当串联并不断增大电容时，频点沿着同个等电阻圆逆时针移动。当并联并不断增大电感时，频点沿着同个等电导圆逆时针移动；当并联并不断增大电容时，频点沿着同个等电导圆顺时针移动。

相切于右侧的不完整圆族是等电抗圆族，同个圆上频点的电抗值（虚部）相等。等电抗圆族主要用于查看虚部。

图3

（二）利用Smith圆图软件进行预调设计

本文使用Smith圆图软件V4.1版本进行预调网络参数计算，包括定频点、调整L1值、调整L2值三个步骤。

1.定频点

经实际测量，天线对频点639kHz和频点1305kHz的输入阻抗分别是Z639=13.1-j120.5；Z1305=55.7+j24。

如图4所示，点击软件的Keyboard按钮，在弹出的对话框中输入频率、实部和虚部三个信息，点击确认，将两个频点录入软件。图中的DP1是频点639kHz的初始位置， DP2是频点1305kHz的初始位置。

图4

本次预调的目的是为了提高频点639kHz阻抗的实部，而预调会同时改变两个频点的阻抗，因此在做下步操作前勾选好DP1，以频点639kHz作为主调。

2.调整并联电感L1的值

如图5所示，点击工具栏右上方的“并联电感”图标，右上方的Schematic窗口会显示电路中并联了一个电感（方向是从天线端看向发射端）。并联电感L1后，随着电感量的增大，频点639kHz可以从初位DP1沿着所在的等电导圆逆时针方向移动，实部和虚部不断增大，从Schematic窗口中可以实时查看并联电感的电感值。对频点1305kHz来说，它也会从初位DP2沿着所在的等电导圆逆时针方向移动，因为频点1305kHz移动时会越来越靠近圆图的左侧，所以实部会不断减小。

当频点639kHz移动到合适位置的时候，点击鼠标左键完成定点，频点639kHz移动到了SP1位置，右侧Datapoints窗口中显示的SP1的阻抗就是频点639kHz的当前阻抗。然后点击工具栏上的Sweep按钮，在弹出的对话框中直接点“OK”按钮，就可以在圆图上看到频点1305kHz移动到了SP2位置，Datapoints窗口中显示SP2的阻抗就是频点1305kHz的当前的阻抗。如果需要重新调整L1值，只需要点鼠标右键取消，再次操作即可。

经过反复测试，当L1取105.1uH的时候，Z639=25.6-j167.5；Z1305=52.5+j26.6。频点 639kHz阻抗的实部从13.1增大到了25.6，虚部的绝对值从120.5增大到了167.5。频点1305kHz的阻抗变化不大。

3.调整串联电感L2的值

如图6所示，增大频点639kHz的实部后，其虚部的绝对值也被放大了很多，要减小虚部的绝对值，就得让频点639kHz沿着等阻抗圆顺时针移动。点击工具栏上的“串联电感”图标，右上方的Schematic窗口会显示电路中又串联了一个电感并显示当前的电感值，移动频点639kHz到合适位置，点击鼠标左键完成定点，在Datapoints窗口查看频点639kHz的阻抗。之后利用Sweep功能查看1305kHz的阻抗。