中波广播天调网络工作原理与调试

周银海

（云南广播电视台，云南 昆明 650500）

0 引言

由于目前全固态中波发射机采用集成精密电路设计，对工作环境要求提高，发射机自我保护、监测能力增强，但相对于采用电子管时的发射机抗干扰能力差，导致天线驻波比采样指标稍有变化，发射机便会频繁降功率或是自动关机。另外，随着城市的发展，天线地网易被破坏、周边电磁环境也变得更加复杂，发射机因为天馈线故障的出现安播事故也日渐增多，发射机天馈线系统中天馈线匹配网络（简称天调网络）较以前需要调试的频次也变得越来越多。天调网络作为发射机系统最末极的网络，不仅关系到发射机能否正常开机，也关系到发射机发射信号的质量和安全，而且天调网络故障常常造成重大播出事故。因此，掌握天调网络的组成结构、基本原理和调试方法，可以进一步加深对发射机发射系统的理解，对天馈线系统出现的问题能够积极应对和及时处理，主动提高对发射机天馈线系统的日常维护水平和能力，这对我们今后及时预防和应对出现的天调网络故障、保障安全播出有积极的意义。

1 中波调幅广播概述

1.1 中波

频率范围在300 kHz～3 MHz的无线电波称为中频无线电波，简称中波，它可以利用地波和天波传播。地波传输损耗小，绕射能力强，传输距离远，一般为几百千米，为中波的主要传播方式[1]。另外，天波通过电离层反射传播，中波夜间也可以利用天波传播方式，天波传播距离更远，可达几千千米，但信号不稳定、干扰大，是发射台之间的干扰源之一，因此不被采用。

1.2 中波广播

我国规定中波调幅广播的频率范围为525～1605 kHz。离发射台较近的场强稳定的区域为广播电台的主要服务区，此区的半径由发射机功率、发射天线的的特性以及周边地质情况决定[1]。相同发射机、相同功率在相同的天线上发射广播节目，平原地区的广播覆盖范围一般要比山区、丘陵地区大得多。在城市里楼层的高度、密集程度也会对中波广播的收听信号造成不同程度的干扰和影响。

1.3 中波广播的工作原理

广播电台播出节目，首先把声音通过话筒转换成音频信号，音频信号被发射机产生的载波信号调制，载波信号幅度随音频信号进行相应的变化，使我们传送的音频信号包含在高频载波信号之内；高频载波信号再经过放大后以高频电流的形式，通过发射机与天线之间连接的馈线传送到发射天线上，形成无线电波向外发射，发射天线则起到向外辐射无线电波的作用。中波广播信号发射工作原理流程如图1所示。

图1 中波广播信号发射工作原理流程简图

2 天线匹配网络工作原理

天线匹配网络就是连接馈线和天线之间的桥梁，发射机产生的载波通过馈线传输到天线，天线把电磁波辐射出去。事实上，发射机天馈线系统中天线和馈线是两个系统，由于阻抗特性不同，一部分电磁能量被反射回来，在线路上形成驻波。驻波的电压峰值与电压波谷比称为电压驻波比，当驻波比等于1时，表示天线与馈线完全匹配，发射机的高频能量全部被天线辐射出去。天线与馈线匹配得好坏程度用天线输入端的反射系数或驻波比的大小来衡量的[2]。对于发射天线来说，如果匹配不好，则天线的辐射功率就会减小，馈线上的损耗会增大，馈线的功率容量也会下降。

天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量R和电抗分量X，即阻抗Z=R+jX。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。因此，在天线与馈线之间增加了天线匹配网络，如果馈线的阻抗特性为50 Ω，通过调试天线阻抗，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部接近50 Ω，从而使得天线的输入阻抗为Z=R=50 Ω，实现天线与馈线良好的阻抗匹配。在实际测试时，我们一般采用矢量网络分析仪来测量阻抗。

设置天线匹配网络的目的是减小驻波比，降低反射功率，提高传输效率，或者提高发射效率。调整天调网络，一方面要使天线处于谐振状态，另一方面要使天线的阻抗经过匹配网络变换后，与传输馈线相匹配。当然，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还是会存在一个小的电抗分量值。

3 天线匹配网络的组成结构

在实际应用中，因为天线还受到雷电、电磁环境的影响，为保证发射机的安全与正常工作，在匹配网络中还加入了阻塞网络和避雷系统。我台576 kHz天线调配网络结构如图2所示。

图2 天线调配网络结构

3.1 天调网络的避雷系统

因为中波天线比较高，容易受到雷电影响，在天线入口端放置石墨放电球进行放电。同时由于雷电电流脉冲能力主要是直流和低频，因此在天调网络入口端并联了电感L1入地，给天调网络提供了一个对地释放静电的通路，该电感由两个电感线圈串接而成，并且利用了电容“隔直流，通交流”的原理；在网络中串入电容C1，阻隔低频雷电，以阻挡雷电的能量进入馈线和发射机。

3.2 阻塞网络

由于天线的互逆性，即天线是发射天线的同时也是接收天线，而且一般发射台都不只有一部发射天线和频率，因此天线很容易产生高频回馈现象，接收附近的高频信号反向进入调配室，通过调配网络和馈线逆向输送到发射机，对发射机设备和安全播出造成影响。

中波广播的信号除了载频还有上下边频信号，阻塞网络的作用有：一是要通过本频信号，二是要阻塞他频信号[2]。通过本频信号时要求阻抗不要过大，阻塞他频信号时，不但要在他频处呈现很大阻抗，而且要在他频的上下边频处也要呈现较大的阻抗，阻碍不需要的频率。我台天调网络用到的是串接在网络中的并联谐振，并联谐振电路如图3所示。

图3 并联谐振电路

3.3 匹配网络

天馈线系统中加入匹配网络的目的是使天线的阻抗和馈线的阻抗相等或相近。匹配网络有三种形式：Γ形、T形、Π形，其中Γ形又分为正Γ形和倒Γ形两种[3]。Γ形网络比较简单，只有电感和电容两个（两组）元件，理论上讲Γ形网络可以将任意阻抗匹配到我们需要的阻抗上。Π形网络由三个元件组成，把串联臂的电感或电容看成两个电感或电容的串联，那么Π形网络就可被看成一个倒Γ和正Γ网络的串联。一般设计都要求尽量选择结构简单一点的形式以方便调试。当天线的输入阻抗R＜Z0（馈线阻抗）时，选用正Γ形；当R＞Z0（馈线阻抗）时，选用倒Γ形。

4 天调网络的调试

4.1 前期准备阶段

首先，需要用网络分析仪测量出天线的载波频率的特性阻抗和馈线的特性阻抗；其次，测量周边干扰频率，明确重点抑制频率对象；最后，综合考虑防雷、抑制对象、热损耗、成本等因素计算和设计出匹配网络。

4.2 天调网络调试过程

4.2.1 阻塞网络的调试

第一步：需要判断出实际阻塞网路的位置，断开阻塞网络的前后电路，将阻塞网络从调配网络中独立出来，阻塞网络电路测试点如图4所示，打开A点或B点，此时L2C2构成串联电路，将仪器测试夹夹在打开的L2C2两端，测其L2C2在576 kHz频率的串联谐振。调L使仪表的实部R=0，虚部X=0。在仪器的显示屏上光标在短路点位置。

图4 阻塞网络电路测试点

第二步：连接断开的点，将仪器测试夹夹在A、B两端，测其并联谐振，仪器的R和L无数字显示（超出显示范围）。此时应看Φ角，微调电感L的接入的圈数，使得Φ=0°或360°，仪器显示屏上光标在开路点位置。

4.2.2 匹配网络的调试

Γ形网络：Γ形匹配网络结构比较简单，只有两个元件，是最基础的阻抗匹配网络，Γ形网络理论上可以将任意阻抗匹配到我们需要的阻抗上。

首先断开天调网络，在馈线输入端用网络分析仪测试，记录馈线阻抗Z=R+jX的值。在满足Q值的前提下，当测得天线输入阻抗R＞Z0（即馈线阻抗）时，选用正Γ形；当R＜Z0时，选用倒Γ形。我台使用的L3C3构成正Γ形匹配网络。阻抗匹配的调试需要用到网络分析仪的阻抗圆图，即史密斯圆图（Smith），来帮助调节电容、电感的大小。若R＜R0，表明阻抗点在匹配圆内，需调整串臂上的电感，扩大阻抗圆；若R＞R0，说明阻抗点在匹配圆外，需减小阻抗圆。反复以上步骤，最终调整到R=R0，X=0，这是一个非常考验细心和耐心的过程，需要多次尝试。

测试时选择中心频率为576 kHz(±10 kHz)，校准网络分析仪之后，调试时需要先调试阻抗实部，再调试虚部。网络分析仪测试的史密斯圆图如图5所示。

图5 网络分析仪测试的史密斯圆图

在实际应用中，因为电容基本固定不易调整，我们通常采用增加或减少电感线圈接入的数量来调节阻抗，即调节时通过增加或减少电感线圈，以及调整线圈接入点的位置。

4.2.3 陷波网络的调试

通常情况还要在网络中加入陷波网络，陷波网络是一种特殊的阻塞网络，阻塞载频信号，方便滤除他频信号。将陷波吸收网络从电路中断开，将串联谐振支路独立出来，将频率设定在吸收频率上，测其串联谐振，调整串联电感，使R=0，X=0。再将支路元件接入电路，将频率设定在载频上，调整Z，使得Φ=0°或360°，此时R与X超出范围，无显示。例如，我台在安装好576 kHz的天调网络对1242 kHz的陷波网络后，通过网络分析仪将L4C4支路断开独立处理，先调节L4的阻值使L4与C4串联谐振于1242 kHz频率，再将L4C4串联谐振电路并入天调网络，谐振于576 kHz频率，实现对1242 kHz频率的滤波入地。

当然，在实际使用中，调试是一个非常复杂的过程，除了要熟练掌握仪器的使用方法，充分理解史密斯圆图的工作原理，还需要动手多次反复实践才能调配出一个相对精确、最佳的匹配网络。

5 结束语

全部调试完成后，应该复测各点的阻抗和天线阻抗，同时做好数据记录以便为日后维修、系统升级提供参考。设计科学、调试匹配合适的天调网络有利于发挥发射机的最大工作效能，提高中波广播的覆盖范围，保障发射机平稳运行，减少发射机的播出故障。同时，在日常工作中，还需要对天调网络进行维护保养，对元器件除尘，测量元件是否过热，观察有无打火点。此外，每年应该定期测试天调网络阻抗，使天调网络运行在最佳状态，减少和预防故障，保障安全播出。在我台的实际运用中，当天线网络匹配良好时，匹配网络的元器件发热会很低，发射机工作会非常稳定，尤其在雷雨天，发射机的天线驻波比故障也会明显减少。