中波广播发射天线双工匹配网络的设计与实现分析

2022-02-14魏晋

电子制作 2022年2期

魏晋

（山西省广播电视局中波台管理中心，山西长治，046400）

0 前言

在新媒体时代，传统媒体的应用虽然受到一定限制，但是新媒体并不能取代传统媒体。广播属于传统媒体，是弱势产业，在信息技术不断发展的背景下，需要将新技术应用在无线广播领域，这样才能够提高无线广播的竞争力。广播在新闻媒体中的地位是不能动摇的，是国民生产生活不能离开的重要媒体类型。为了确保无线广播信息传输质量，必须对当前的中波广播发射天线匹配情况全面掌握，要利用双工匹配网络减少发射天线的数量，增加发射频率，促进广播技术的进一步发展。

1 中波广播发射机概述

在中波广播发射机应用过程中，主要是通过卫星、微波、光纤完成音频信号接收，之后将接收到的音频信号发送到发射机，发射机可以对信号进行处理并由振动产生的射频信号完成调制工作。放大信号后，对获取的已经完成调波的信号进行滤波和阻抗变化，最后获取可以在馈线上进行传播的信号。这些信号直接利用馈线传送到发射天线上，发射天线将射频电流变为电磁波朝空间进行辐射。一般情况下，中波发广播发射机由音频系统、射频系统、控制系统和电源系统4部分组成。电源系统的电源为交流电源和直流电源，交流电源可以为动力设备、电控系统、照明系统等提供电源；直流电源可以为广播发射机、微机控制以及节目传送机房等提供电源。通过微机控制可以对发射机和相关设备进行开关机管理，同时还可以动态化监测发射机的运行参数，实现自动巡检与故障报警等功能。此外，在中波广播发射机应用过程中，其大功率放大管和元器件利用水冷能够提高其运行的稳定性[1]。

图1 天馈线系统简图

现阶段，中波广播发射机使用的馈线形式相对较多，其中非平衡式馈线的应用更加普遍。目前，在馈线形式选择中，主要包括6线制矩形馈线、18线制仿同轴馈线、同轴电缆等。一般馈线需要在室外使用，但是圆型与型馈线需要在室内应用。馈线可以进行高频能量传输，是对天线馈线与发射机进行连接的主要设备。在馈线运行过程中，必须关注其工作截止频率与特性阻抗。确保馈线在允许频率区间中的每一个点阻抗都为常数，其电压与电流比也是常数，这是馈线特性阻抗的主要特点。

图2 低特性阻抗天线

在中波广播发射机运行过程中，发射天线也是其中的重要组成。发射天线可以将高频电流能量转换为电磁波能量，并将转换的电磁波能量朝着设定的方向装置辐射。天线是广播系统不能缺少的重要组成，是确保信号能够稳定传输的关键设备。天线的输入阻抗多为复数，但这与馈线的特性阻抗存在一定差异。馈线的终端、阻值与馈线特性阻抗负载相接时，其行波效率最高。在馈线与天线间完成网络匹配有助于对天线的复数阻抗进行转换，使其成为馈线的特性阻抗。在中波天线设置过程中一般要确保其与接地天线垂直，这样可以获得垂直极化地面波。通常这种天线设计的形式为单极天线，在单极天线中对称天线的臂可以变成一个平面，而这一平面具有无限大的特点，这是理想状态。在具体分析时需要利用镜像法开展研究工作，天线与镜像可以构成垂直对称状态，如果天线的高度比0.7倍波长更小，最大辐射方向可以在水平面内与天线保持垂直。但是在实际应用中，并不能实现理想层面，因此，最大的辐射方向会在一定程度上向上翘，随着波长的延长，导电率会不断上升，使上翘幅度不断减小。多长越长，其导电率会不断提高，上翘幅度越小。为了增加天线辐射的强度，天线的高度为0.53倍波长，被称为抗衰落天线[2]。

2 匹配网络的设计要点

■2.1 设计参数

在双工匹配网络设计之前，必须要对阻抗匹配进行充分考虑。阻抗匹配指的是通过网络之后任意值的负载都能够转换为电流要求的阻抗值。在天馈线系统设计过程中，必须确保阻抗匹配域传输线阻抗特性相同。因此，除了要考虑馈线的阻抗特性之外，还要确定双工匹配网络的具体频率。在单工匹配网络设计中，因为一组天线系统对应一台发射机，因此只需要设置一套匹配网络即可。但是双工匹配网络要确保一组天线系统为两台发射机提供服务，在设计时，必须设计出两套匹配网络，要重点关注匹配网络之间的隔离措施，防止在运行中受到干扰，提高发射效率。为了提高双工匹配网络的设计效率，一般情况下两个频率比要保持在1.25以上，并且需要全面研究匹配网络周围受干扰的中波频率。为了提高设计效果，可以将陷波措施加入到双工匹配网络设计工作中[3]。

■2.2 网络选型

在开展双工匹配网络设计过程中，需要完成网络选型，在此次设计过程中应用的设计频率分别为639KHz和945kHz，频率比为1.48符合设计要求。功率都为10kW。双关网络之外的两个串码频率分别为585kHz与747kHz。在具体的设计中需要对网络选型进行科学确定。

第一，预调网络。通常在天线底部的串联、并联单元件被称为预调网络。在设计时需要对串联元件和并联元件的防雷功能进行全面分析。发射塔在运行中不同工作频率的天线输入阻抗是不同的，对预调网络进行设计时，必须滴不同频率的天线输入阻抗进行转换处理，使其数值相近才能为后续设计工作奠定基础。一旦没有接入预调网络，可能会导致阻抗差异比较大，会对天线端的电压电流产生影响，甚至会导致天线端线路的电压差值增加，从而导致串音问题，还可能会对同一路阻塞网络视在功率产生影响，导致其功率上升，进而促使匹配网络视在功率上升，最终破坏发射机的稳定性。

第二，阻塞网络。在开展双工匹配网络设计工作时，必须要认识到阻塞网络的重要性。阻塞网络可以防止双工匹配网络在运行过程中信号互窜，发挥隔离功能。在阻塞网络设计中，需要确保通过本频的阻抗较小，而对他频进行阻塞时，要提高载频部位的阻抗，并且要保证上下边频部位的阻抗相对较大。通常阻塞电路的阻抗与发射机的中心频率是对应的，阻塞阻抗对载波在10kΩ以上时，对边带波会保持在5kΩ以上。这样能够对该频率进入到另一频率的匹配网络进行有效阻塞。并且可以防止电波泄漏产生的特性变化和交叉调制等问题。

第三，阻抗匹配网络设计。在这一设计过程中主要是完成天线与馈线的阻抗匹配，确保发射机的高频能量可以被传输到天线上。只有保证天线与馈线匹配，才能确保馈线信号波的传输效率。一般情况下，阻抗匹配网络形式包括Γ型、倒Γ型、T型与π型网络四种。其中Γ型网络应用在馈线特性阻抗比天线辐射电阻更大的情况下；要确保低特性阻抗值符合要求。倒Γ型网络应用在馈线特性阻抗比天线辐射电阻更小的情况中，也要确保低特性阻抗值满足相关要求。在低特性阻抗值小于2的情况下，需要根据具体情况对阻抗匹配网络进行科学处理。其中对T型匹配网络进行选择，可以选取不同的元件值，改变低特性阻抗值，确保匹配网络能够满足对低特性阻抗值的具体要求。再加上在此次设计过程中使用的馈线特性阻抗为50Ω同轴电缆，T型匹配网络更加适合特性阻抗相对比较小的情况。T型网络能够完成阻抗变化，尤其是在中心工作频率可以保证转换的精确性。因此，在设计过程中对T型匹配网络进行设计，可以选择合适的移相角度实现中心频率阻抗精确转换。与此同时，可以对边带频率阻抗进行调整[4]。

第四，开展陷波网络设计。在不同发射场地的发射台运行过程中，如果有多部发射机同步运行，会直接影响本发射场地内距离相对较近的邻频发射机运行状态。尤其是外部干扰情况比较严重。为了能够有效消除或者降低这些干扰。在双工匹配网络设计中需要设计滤除外部干扰源的措施，这是提高发射机稳定性的主要措施。目前，在对干扰源进行滤除时的方法比较多，常用的包括带通滤波器、阻塞网络、陷波网络等。而陷波网络的应用更加普遍，主要是因为利用陷波网络设计可以滤除外部干扰源，并且不会对网络阻抗产生负面影响。