浅析中波广播发射系统天调网络构成及应用

班永祥

内蒙古自治区广播电视传输发射中心科左中787台 内蒙古 通辽市 028000

随着广播技术的不断发展，广播频率的日益增多，越来越多的发射台站选择小型天线和多频共塔的组合形式，小型天线有占地面积小，传输效率高，建设成本低等优点，缺点就是调制困难且随着天气变化，周围环境等一系列因素的变化而产生的阻抗变化，轻则发射覆盖区域降低，收听质量下降，严重的会导致发射机驻波比超限，发射机无法开机，加之近些年来极端恶劣天气频发，雷电、暴雨天气对发射机影响很大，这就越来越考验着天调网络的有效性，一套高效、完整、稳定的天调网络系统在广播发射系统中起着最为重要的作用。

1 天调网络的基本构成及功能简介

天调网络的基本组成一般包括预调网络、匹配网络、阻塞网络、陷波网络、防雷系统等。匹配网络分为“Г”型、倒“Г”型、“Т”型、“Π”型网络，因为天线是附近最高的建筑物，经常遭受雷电袭击，所以要求天调网络要有较高的抗雷击能力。此外，天调网络具有较大的发射天线，会接收到高频电磁波，如果未经处理过滤，就会随着馈线倒送进入发射机，更严重时，将会在短时间内造成发射机的损坏，从而造成停播现象。加入阻塞网络可以让并联谐振电路在干扰频率发生谐振，产生最大阻抗过滤干扰频率，也可使用陷波网络让串联谐振电路在干扰频率发生谐振，使串入的信号直接入地。

1.1 预调网络及防雷

在天线的底部加入串联元件C0和并联元件L0，合称为预调网络，设计时还要考虑C0和L0同时起到防雷的作用。因为双频共塔天线在两个不同频率下得到的阻抗不一样，如果没有预调网络的加入，那么在天线下端会因为阻抗不同所产生的电压和电流也不同，电压和电流的差值会很大，同时天线的泄露电流差值也很大，容易造成串音，倒送进来的噪音会加大阻塞网络和匹配网络的视在功率，严重影响发射机的工作效率和稳定性，所以要在天线下端加入预调网络，使得天线在不同频率下的阻抗值变得比较接近，也便于后面的计算。

发射台一般建设在空旷的郊区，发射天线又比较高，它就像避雷针一样，如果天调网络中没有加入防雷措施，那么一旦遭受雷电袭击时，其电流脉冲峰值可达20000A，雷电会瞬间经过馈线进入发射机，对发射机造成严重的损坏，因此，为确保安全优质播出，天调网络中还要加入三种防雷措施。

一是安装石墨放电球，在天调网络里接入—只石墨放电装置，它比通常金属放电球有良好的放电效果，考虑到空气击穿电压为1000V/mm，再根据发射机的参数一般将其调整到2—3。放电球的接地线由金属杆制成，一般在金属杆上穿一些磁环，大概45—55只磁环，当放电石墨遭雷击放电时，装入磁环的放电球电感只有几十微亨，雷电会瞬间击穿放电球形成一个对地的通路，雷电以直流成分为主，交流成分很少，几十微亨的电感可以忽略不计，放电电流畅通无阻，但对于高频工作的发射机而言，几十微亨电感可以形成很高的阻抗，不影响发射机的工作状态。

第二是微亨级电感线圈接地，在天线下端接一段微亨级电感线圈到地，为雷电提供一个对地泄放的通路，线圈应选用粗的铜管或铜条制成，长度要短，圈数也要少，这样既能减少自身的电阻分量，也能减少电抗分量，当发生雷击时，能够快速释放雷电能量，对静电的泄放也较为畅通。由于L0也是预调网络的一部分，微亨级电感线圈的加入则直接影响天线的阻抗，所以L0的取值需要多方面的考虑，既要考虑天线的阻抗同时也要有防雷的作用，L0一般为十几微亨到一百微亨之间，必要时可以在L0上并联电容让并联回路谐振等于载波频率。

第三是串接耐高压电容隔离，由于雷电能量以低频和直流为主，在天调网络中串接耐高压电容C0可以有效阻止雷电经过天调网络进入发射机，C0的取值一般在1000PF到3000PF之间，C0的取值越大越好，越大对雷电越能起到有效隔离，但也不能太大，太大会影响中波频率的压降。在实际应用中，可以通过用多只电容串并联的方法来提高伏安量，根据串并联电容的特性，串联电容可以调高耐压幅值，并联电容可以调高电流幅值，使用多只电容串并联时要使用相同大小，相同规格的电容，在多只电容串联时，如果电容大小不同，那么每只电容上的电压量就不同，就会产生不同的耐压分量，同理多只电容并联时，如果电容大小不同，那么流经每只电容的电流分量也不同，这样就会产生“短板效应”。

1.2 阻塞网络和陷波网络

在中波广播发射中，广播信号通过天线发射出去，由于天线存在互异性，天线是信号的发送者，同时庞大的天线能感应到较强的射频信号也是信号的接收者，天线会将同临频的高频干扰信号接收，通过馈线进入发射机，产生倒送现象，如果不将干扰信号滤除而进入发射机，发射机将会出现激励信号波形畸变，产生干扰或串音，如果不断的增加电压，会使倒送电压与激励电压相互交迭，严重时会导致发射机场效应管爆裂。所以在设计天调网络时解决同临频电台干扰，防止发生信号倒送现象尤为重要。目前比较常用的防止干扰信号倒送的方法是在天调网络中加入阻塞网络和陷波网络。

阻塞网络实际为并联谐振电路，根据并联谐振电路特点，发生谐振时，整个电路呈最大阻值，所以，我们通常把并联谐振电路串接到天调网络上，让谐振频率等于需要抑制的干扰信号频率，这样干扰频率就被阻塞网络的高阻抗堵住，不易通过馈线进入发射机，以影响发射机的工作状态，同时阻塞网络对工作频率而言则呈现为某一电抗，例如：L和C并联谐振在干扰频率ω0上，对工作频率ω来说：当ω0＜ω时，该阻塞网络呈容性电抗，当ω0＞ω时，该阻塞网络呈感性电抗。

陷波网络实际为串联谐振电路，根据串联谐振电路的特点，当电路发生串联谐振时电路中总阻抗最小，电流将达到最大值，所以我们长把串联谐振电路并接到天调网络中，串联谐振电路的另一端接地，让串联谐振电路谐振于需要滤除的干扰信号频率，对干扰信号呈较小的阻抗，提供通地的旁路以滤除干扰信号，同时串联谐振电路又是工作频率的并联谐振电路，对工作频率要呈最大阻抗，对整个网络的阻抗不产生影响，一般都安装在天调网络的末端，馈线的入口处。

那么究竟什么时候用阻塞网络什么时候用陷波网络呢？经验表明，在实际应用中，陷波网络由于没有本频信号的通过，对本频信号不产生影响，结构简单，元器件少，选择容易，同时对整个天调网络的功率损耗较小，且不影响网络阻抗匹配等优点，所以优先选择陷波网络，但陷波网络的实际使用效果远不如阻塞网络好。阻塞网络实际使用效果较陷波网络更有优势，但使得整个天调网络的功率损耗略大，且参与网络的阻抗匹配，匹配难度加大，会使网络结构变得复杂，元器件的伏安量也较大。所以，当干扰频率影响较大时，一般通常采用阻塞网络，影响较小时，可采用陷波网络。

1.3 匹配网络

匹配网络主要用于天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配，由于中波发射机与天线之间是通过馈线进行连接，机房与天线距离较远，使用的馈线距离较长，馈线的特性阻抗很难与天线输入阻抗达到匹配，所以要通过匹配网络完成匹配将高频能量高效的传送出去，如果天线的输入阻抗与馈线特性阻抗失配，不仅影响传输效率，还能在馈线上产生反射波从而形成驻波，严重时影响发射机的效率，甚至可能损坏发射机。匹配网络主要分为“Г”型、倒“Г”型、“Т”型、“Π”型，在实际应用中，除了要完成天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配，降低驻波比，提高发射效率的同时，还要兼顾匹配网络应具有良好的通带特性，实际应用时要根据发射台的实际情况进行选择。

“Г”型网络结构最简单，元器件最少，理论来讲，“Г”型网络可以将任意阻抗匹配到我们需要的阻抗上，为了保证调配网络有合适的滤波度，当馈线特性阻抗远大于天线输入阻抗，且品质因数Q值满足2—6之间时，一般选用“Г”型网络，当馈线特性阻抗远小于天线输入阻抗，且品质因数Q值满足2—6之间时，选用倒“Г”型网络，当品质因数Q值大于6时，如果选用“Г”型网络就要对天线阻抗进行调整。

“Т”型网络由三部分组成，如果把并联臂上的电感或者电容看成是两个电容或者电感的并联，那么“Т”型网络就可以看成是一个正“Г”型网络和一个倒“Г”型网络的串联，当品质因数Q值小于2，馈线特性阻抗与天线输入阻抗的比值小于5时，并且天线输入阻抗与馈线特性阻抗都较小约100Ω以下时，一般可以采用“Т”型网络。

“Π”型网络也由三部分组成，如果把串联臂的电感和电容看成是两个电感和电容的串联，那么“Π”网络就可以看成是一个正“Г”型网络和一个倒“Г”型网络的串联，当品质因数值小于2，且天线输入阻抗与馈线特性阻抗都较大约150Ω以上时，一般采用“Π”型网络进行匹配。

目前来讲，中波广播发射台常用的网络一般为“Т”型网络的主要原因有：

“Т”型网络可以选取不同的电感和电容通过串并联组合形式来改变品质因数Q值，满足“Т”型网络对Q值的要求。

现在中波广播发射台一般使用的是特性阻抗为50Ω或者75Ω同轴电缆作为馈线，满足“Т”型网络对馈线特性阻抗较小且小于100Ω以下的要求。

“Т”型网络在中心工作频率下能够实现精准的网络变换。

2 天调网络在实际中的应用

通过以上的介绍我们可以知道，设计双频共塔网络前要根据两个共塔的发射频率、周围环境及外接串扰情况，用最小的投资成本，最省的元器件完成阻抗匹配，并做一系列防雷措施，同时双频共塔网络两个发射频率要有足够的频率间隔，它们的比值要≥1.25，下面以787台双频共塔天线网络为例，详细了解双频共塔网络的组成。

图1所示为787台1kW双频共塔网络原理图

图1

工作频率为：549kHz和1305kHz。

串扰频率为：675kHz、1458kHz、1044kHz。

左侧为549kHz网络部分，右侧为1305kHz网络部分。

馈线特性阻抗都为50Ω。

图中a1节点阻抗为36-j288（Ω），b1节点阻抗为16-j42（Ω）（a1、b1节点为天线阻抗，由网络分析仪测量得出）。

图中1部分为预调网络部分，兼顾防雷作用，通过串联电感L0，使天线在两个不同频率（549kHz和1305kHz）下的阻抗变成比较接近的数值，便于后面设计，得到A1节点阻抗为36-j219（Ω），A2节点阻抗为16+j122（Ω）。

图中2部分为阻塞网络部分，由于是双频共塔网络，两个本频之间会产生较大串扰，所以设置两个阻塞网络防止相互串扰，549kHz网络部分阻1305kHz，使得L1、C1并联谐振于1305kHz，1305kHz网络部分阻549kHz，得L2、C2并联谐振于549kHz。由于串扰频率1044kHz与1305kHz频率接近，干扰严重，故1305kHz网络部分加入L4、C4并联谐振于1044kHz的阻塞网络。

得到节点阻抗：

图中3部分为匹配网络部分，由于787台馈线特性阻抗都为50Ω比较小，品质因数Q值满足“Т”型网络要求，所以此双频共塔网络全部选用“Т”型网络。经过匹配网络的阻抗变换得到节点阻抗：

经过前面的设计，使得天线的阻抗经过阻抗匹配得到50Ω与馈线特性阻抗50Ω相等，完成阻抗变换。天气或季节的变换对天调网络影响较大，在播出一段时间后可能因天气的变化天线的阻抗与馈线特性阻抗不相等，我们需要通过网络分析仪测量并调整L3、L5、L4、L8，使得天线阻抗等于50Ω。

串扰频率675kHz与549kHz频率接近，1458kHz与1305kHz频率接近，都有较小串扰，675kHz与1305kHz频道间隔较远，1458kHz与549kHz频道间隔也较远，干扰可忽落不计，所以在天调网络的最后加入陷波网络，提供一个对地的通路来滤除串扰频率。

图中4部分为陷波网络，L7、C7串联谐振于675kHz，将675kHz形成对地通路，同时与L9并联谐振于本频549kHz，对549kHz形成一个最大阻抗，对整个网络不产生影响，同理L10、C10串联谐振于频率1458kHz，同时与L12并联谐振于1305kHz。得到节点阻抗：

经过仔细的研究大家可能发现，图中没有上面提到的隔直流耐高压电容C0，因为在左右网络中的“Т”型匹配网络中，C5和C8即起到匹配网络的作用，也能防止雷电通过馈管进入发射机，所以不再单独设置耐高压隔直流电容C0。

3 结束语

对于目前阶段的发射台来说，天调网络部分都是由厂家根据台站实际情况设计并安装，随着科技的发展，设计一套完整的天调网络系统已经越来越简单，只需在电脑模型里输入基本参数，就会自动生成一套完整、高效的天调网络设计方案，但是，对于日常的维护检修和遇到天调网络系统突发故障时的抢修，还需要守在一线的值机员来完成，所以了解并掌握天调网络结构对今后的日常维护调试工作有着重要的意义。