短波发射系统工作效率影响研究

2022-09-01梁振兴

数字传媒研究 2022年6期

梁振兴

内蒙古自治区广播电视传输发射中心839台内蒙古呼和浩特市 010050

短波发射作为一项复杂的系统工程，主要工作原理是通过天线将发射机加工编码过的信号向电离层发射，经过一次或多次反射，被地面的目标区域接受。其系统复杂，传输距离长，整个发射系统环节众多，影响因素庞杂。首先，发射台内供配电系统、发射机、天馈线等技术环节，会影响发射效率；其次，发射机接受周边物理环境、电磁场景、建筑物等干扰因素，均能影响发射接收质量，造成发射效率降低；再次，空间环境，如太阳黑子活动、电离层夏秋变动等因素，均会影响短波发射系统工作效率。根据上述分析，可知从短波发射系统设备入手，优化可掌握和控制的变量，提升短波发射工作的效率。

1 短波发射机效率影响分析

1.1 短波发射机的原理

短波发射机可以拆分为电源系统、射频放大系统、调制器系统、平衡转换器、监控和自动调谐系统、冷却系统、远程监控系统等几大系统。发射机的电源设备提供发射机各分机的交流和直流电，并产生相关的监测信号，支撑发射机各部分运行；射频放大系统的三级放大链由频率综合器、宽放、栅地推动级协同耦合腔高末级功放构成；调制器系统两大部分则包括功率开关模块及其控制器以及数字化PSM控制器；控制系统涵盖了微机监控、自动调谐与自动匹配和音频控制系统；冷却系统采用去离子水，提升高末级电子管散热效率的同时增强其短时过负荷能力，并且辅助设备低功率有助于提升整机效率。

1.2 短波发射机自身效率的主要影响因素

短波发射机效率的高低一定程度上决定着整个发射系统的效率，提升发射机效率能够帮助发射系统实现更高效的能量转换。在工作条件稳定的情况下，用百分比来表示发射机的输出功率与输入功率之比，即为发射机的整机效率。其中输入功率是供配电系统输入发射机所有有用功功率，输出功率是作用在假负载上的功率。839台更新的发射机采取数字化技术的电源模块搭配PSM调制器，整机信噪比指标优于63dB；高末级选用双同轴腔体技术，稳定覆盖频率高低端、高频系统工作稳定、功率设计冗余充分，可完成全频带短波无断点调谐。高末级电子管使用工作于丙类的50kW功率量级4CV100000C金属陶瓷四级管，实现“大马拉小车”。前级选用4CX3000A金属陶瓷四级管，同样具备充足的功率冗余。能够做到全频段射频载波功率：（3.2～26.1MHz时）大于等于50kW；在任何设计调制下和载波的总效率大于等于67%的同时失真、载波跌落小于等于3%。

短波发射机采用大功率输出的末级电子管，选用CTPSMB-0型数字化脉冲阶梯调制控制器后，使用PSM调制，表面上电子管额定输出功率远超出实际使用功率，形成一点浪费，但实际上获得了更大的电子管放射电流、更高跨导。与此同时，各电极实际使用值远远低于额定值，如此便能够加大直流阳压配合较小的阳流导通角及很低的剩余阳极电压，从而在延长电子管寿命的同时，极大提升输出效率。以SW50-D型50kW发射机为例，末级电子管选用4CV100000C型金属陶瓷四级管，它的末级阳压为14kV，最大阳流能够达到11.6A，能够稳定输出140kW的功率，在实际工作状态，阳压为9kV，阳流为6.5A，只需要输出功率50kW，在实现设计输出功率时，它的末级屏流远低于最大值。得益于较高的屏压、屏流利用系数，获得较高的屏效率，从而可以采用较小的推动功率，有效地提高整机效率。末级输出的л型网络采用耦合腔体做电感，在最大限度地避免射频寄生模式振荡、消除射频反射、改善高周稳定的同时，通过耦合腔电感充分的提高短波高频段槽路Q值，极大提高了效率并有效提升整机效率。除去消耗在风机、冷凝器、水泵及控制器系统和电子管自身消耗的能量，目前50kW短波发射机整机效率能达到67%以上。

1.3 电路模块对于短波发射机效率的影响分析

SW50D型PSM短波广播发射机的调制级共采用50个功率开关模块。功率开关模块通过一个功率开关控制器板，来控制功率开关模块上保护管与开关管的动作（通、断）。因为功率开关模块与它的控制器板都工作于高电位，而PSM组合处于低电位，两者间的控制信号需要通过两条高绝缘的光缆传输。其中一路光缆是负责接收循环调制器发出的合或断DC管（即开关管）指令信号；另一路光缆负责传递各功率开关模块工作信息，并分析是否正常工作。

该控制器的主要作用是将来自PSM控制盒光发射器A12板的合/断指令光信号转换为电信号，并合上或断开与之对应的PSM功率开关模块，与此同时还对各PSM功率开关模块做自检，并采取故障保护。最后将每个PSM功率开关模块的工况通过光缆反馈至PSM控制盒中的开关状态板，以作前面板指示和对应控制之用。通过研究功率模块的运行及开关状态下电路检测数据，能够发现功率模块整流输出的基准电压会随着外电电压的浮动而变化，其浮动的大小与外电压相对额定电压值的差值正相关，其浮动的幅度、升降方向与外电压相同。电路中脉冲频率会随着输出电压变化而产生波动，致使脉冲平均值产生偏移，载波控制部分的直流信号来自稳定电源，载波信号一般不会随外电电压浮动而变化，而发射机的高末屏压在外压变化时会自动进行调节，直至接近或达到额定数值。根据上述检测分析可知，输出电压的稳定受限于外部额定电压变化，会随之波动。在实际运行中，少合PSM功率模块会导致外部电压较高；多合PSM功率模块则会导致外部电压较低，两者均会导致输出电压上下浮动，从而影响电路的脉冲功率，使得脉冲电压平均值不能稳定在标准范围。从而严重降低整机发射效率。实际工作中，我们注意到更换控制板、功率模块后短波发射机的高末直流屏压，出现电压降低。可以肯定的是，功率模块的输出电压会影响发射机输出电压，在输入功率不变的情况下，也会影响发射机的输出功率，并降低整个发射系统工作效率，要给予更多关注，及时调整。

2 天馈线系统效率影响分析

2.1 天馈线系统影响分析

驻波比又称驻波系数，它主要是指驻波的波腹电压波谷的电压幅度之比。当馈线与天线阻抗匹配时，驻波比为1，此时天线系统没有反射能量损耗，发射机产生的能量能够完全经天线全部辐射出去；当驻波比无穷大时，天线会呈全反射状态，发射机能量不能经天线辐射出去。

从整体上看，发射系统由信源、传输线连接负载组成，若信号源与传输线、天线匹配不佳，不但造成信号源频率、输出功率的不稳定，而且限制信号源输出最大功率，导致负载得不到全部入射功率，严重损失发射效率；与此同时在与负载不匹配的传输线上会生成驻波，寄生的驻波增加传输线衰减的同时，会降低传输线的有效功率；且会导致天线实际驻波比增大，发射机及天线的实际效率不断降低，短波辐射范围逐渐缩小。在这种的情况下，天线的实际阻抗中包含较大电抗分量，因反射功率较大产生的回灌性冲击会导致发射机高末级的电子管阳极损耗增大，可能在发射机的谐波滤波器、平衡转换器、高末级槽路等点位以及天馈线系统中形成高电压，并导致打火，造成器件损坏。

2.2 天线反射功率与传输效率

天线效率是辐射到空间的功率Prad和入射天线的功率PIN的比值。即：

天线损耗由两部分组成，即欧姆损耗与馈电点反射。其中欧姆损耗即天线等效阻抗中的损耗电阻Rloss，是由于介质损耗与导体损耗造成的，以热能形式消耗。而等效辐射电阻Rr上的功率才可以被转化为电磁波辐射到空间中。天线的辐射效率为辐射功率与接收功率Paccept的比值。即：

天线的作用是向外辐射电磁波，其本质为一个持续变化开放式电容，在谐振频率电抗为零，馈电点表现为纯电阻，其不能在整个工作频段内保持理想状态，故天线会在部分频点生成容抗、感抗分量，统称为电抗分量。短波发射过程中，传输线上的电抗分量重复在每个波长内变化，是感抗（或容抗）到纯阻到容抗（或感抗）再到纯阻最后回到感抗（或容抗）的循环。在台站改造天线交换开关后，谐波滤波器与平衡转换器及天线间的相对距离均有变动，天线本身电抗分量不变的情况下，发射机输出端、平衡转换器、谐波滤波器中的电抗分量均随之变化，此时，应当积极调整发射机的谐波滤波器与平衡转换器相应参数，匹配传输系统，减少天线在该频点的驻波比和反射功率，提升发射效率。

2.3 传输线系统效率

发射机输出端的馈线会在天线阻抗特性的影响下表现为偏感性或偏容性，传输馈线与交换开关间的线路运行中会产生额外的感抗或容抗，天线的阻抗与这部分阻抗分量叠加在发射机输出端，也会造成输出系统不匹配。在台站改造中，将天线交换开关及其附属部件加入传输系统，使系统特性阻抗发生变化与发射机匹配不佳，造成反射功率与驻波比变大，此时需要对谐波滤波器与平衡转换器的参数进行相应调整，重新匹配传输系统与发射机输出端阻抗，以降低驻波比与反射功率，提升发射效率。

馈线的损耗是由导线损耗、绝缘子、地面损耗、馈线附属物和周围物体引起的杂损耗及辐射损耗等多种因素构成。其中，导线损耗大小由导线材料导电率决定，考虑成本与性能问题，台站普遍选取铜包钢线材，降低导线损耗同时有效控制成本；地面损耗原因在于大地导电率是有限的，因此馈线地面损耗会随着距地面增高降低。实际中受到场地条件、成本、维护便利性等制约，馈线无法架设太高，台站普遍的馈线距基础标高高度3.5~4m，能获得较小的地面损耗；其外，地表不平、障碍物等也会造成特殊损耗。

理论上馈线效率公式较为复杂，通常在规划设计时考虑多种因素进行计算，实际维护中，可以直接通过热欧表在发射机及天线端进行测量，通过得到的电压最大值UmaxT、最小值UminT（发射机端）与最大值UmaxA、最小值UminA（天线端）在进行计算，计算公式如下：