中波广播天调网络设计与实践

2023-03-20申连雄

无线互联科技 2023年1期

申连雄，张斐

(榆林广播转播台，陕西榆林 719000)

0 引言

随着数字信息化技术的进步，中波广播发射机正朝着高效率、高质量、高稳定、数字化、固态化、自动化的方向发展。天线匹配网络是连接发射机与天线的桥梁，它不仅具有连通作用，还具有滤波、阻抗匹配、防雷等功能。

当发射机输出阻抗与天线阻抗不匹配时，发射机的输出功率不能全部输送到天线上，如果输出功率减少、反射功率增大，就会产生驻波，导致信号失真，电声指标下降，不能满足发射机发射要求，严重时还可能出现线圈打火烧坏设备等问题。基于这种情况，通常给发射机设计一个严密的保护机制，当反射功率大于1.35时，发射机停止输出功率进行自动关机保护。发射机能否稳定、可靠地工作，同时能实现传输功率最大化，在很大程度上受到天调匹配网络的影响。因此，天调网络是否工作在最佳匹配状态就显得尤为重要[1]。

1 中波广播天调网络结构组成

1.1 预调网络

预调阻抗网络的主要原理是在整个天线底部增加由多个串联或并联的集中电阻阻抗加载元件所连接组成的预调网络，其实质上就是在整个天线底部进行天线电抗加载，以便于减小天线因工作频率降低导致天线底部阻抗变化造成的影响。采用新型预调天线网络后，天调天线网络的可用带宽范围能够得到极大的扩展，使相匹配预调网络的系统设计和网络调试更加容易[2]。

1.2 匹配网络

中波发射机输出阻抗一般为50 Ω、75 Ω或230 Ω的纯电阻阻抗，再通过相应阻抗的馈线连接到天调室。天线则是随高度和边框、频率等参数变化的复数阻抗。它们之间需要设计一个匹配网络，使天线实部电阻和馈线阻抗相等，并抵消天线复数阻抗中的虚部电抗，完成天线阻抗和馈线特性阻抗的匹配[3]。

匹配网络天线需要同时解决两个基本问题：一是如何使匹配天线的实部特性电阻值等于匹配馈线的特性阻抗值，二是馈线如何抵消匹配天线的虚部特性电抗。要想解决以上两个问题，必须通过电抗元件L和C组成各种形式的匹配网络连接到天线，使天线阻抗和发射机馈线阻抗匹配。4种匹配网络原理如图1所示。正Γ形与倒Γ形网络比较简单，只有两个元件。从理论上讲，Γ形网络可以将任意阻抗匹配到所需阻抗上。为了保证调配网络具有合适的滤波度，回路品质因数Q通常要求在2～6。T形匹配网络由3个元件组成，把并联臂的电感或电容看成两个电感或电容的并联，那么T形网络就可看成一个正Γ形和倒Γ形网络的串联。Π形网络由3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形网络就可看成一个倒Γ和正Γ网络的串联。

图1 4种匹配网络原理

1.3 阻塞网络

新建中波台土地利用资源有限，为了充分利用有限的土地资源，往往一副共塔天线需要同时发射多个不同频率的中波信号，大大减少了土地成本。为了干扰匹配抑制网络达到理想的运行状态，只能考虑采取双频共塔或多频共塔的匹配方式。但是，不同频率之间的干扰特别严重，特别是共塔频率会存在严重的高频倒送干扰，为了消除共塔频率的干扰影响，就需要增加一个或者多个干扰抑制匹配网络——阻塞网络，最大限度地减小共塔频率对本频的影响[4]。

1.4 吸收网络

吸收网络虽然可以有效阻止其他共塔网络频率对本平台频率的干扰，但是无法对本台其他频率网络进行更好的干扰。如果直接增加阻塞网络，就会使整个网络结构非常臃肿，大大增加了整个网络结构设计的难度和成本。由于其他中波天线单塔发射干扰频率和共塔发射频率相对干扰不是很大，可以采取被动吸收网络的方法对其进行消除，依据不同干扰的强度，选择采取不同的吸收方式对其进行干扰吸收[5]。

1.5 避雷系统

中波发射台的发射天线高度基本在70 m以上，在当地城市中也算是较高的建筑，天线作为中波广播发射体很容易受到雷电干扰，遭受雷击的概率相当高，特别是建在雷电频发区和高发区的中波天线，经常出现雷电损坏发射机元部件和匹配网络的情况。为了保证中波发射系统能够安全运行，可以在天调匹配网络中加装防雷配置。3种防雷网络原理如图2所示。

图2 3种防雷网络原理

1.6 补偿网络

根据调查，有些中波台天线过低，天线的实部较小、虚部较大，因此，回路品质因数Q值也较大，用常规的T形、Π形、正Г形和倒Г形网络调试出来的匹配网络带宽过窄，无法实现中波广播需要的正负9 kHz的频率间隔。在这种情况下，中波发射台可以使用补偿网络适当增加带宽，一般情况下是在主频率上下100 kHz范围内加1个补偿网络，通过增加补偿网络减小虚部，使Q值减小，从而增加带宽。

2 天线匹配网络的设计

设计馈线与天线之间的天调网络是一项复杂的工作，所以将它调试在合适的工作状态更需要细致与耐心[6]，这样才能使发射机最大限度地将高频功率通过天线输送出去。

2.1 单频单天线天调网络

单频单天线的天调网络通常采用正Г形和倒Г形两种基本形式的L、C电路。本研究将天线阻抗和天调网络一起看作1个无源二端网络，当其等效阻抗等于馈线特性阻抗时，天线和馈线就匹配了。

Г形匹配网络是最简单和最常用的匹配网络之一，具有结构简单、成本低、容易达到天线实部电阻Ra调配和抵消虚部电抗等优点，但不能同时满足对Q值的要求，适合用于单频单塔匹配网络。当天线实部阻抗RaZ0时选用倒Г形匹配网络。

通常调配网络的串联臂为正值(感性)，并联臂取负值(容性)，这样做是为了增强谐波滤波作用。天线的阻抗值与天调网络中的电抗原件都是一个随频率变化的函数。调配网络对载频无反射，但在边带频率上存在一定的损耗和反射，它们直接影响着发射机的指标。当反射过大时，发射机甚至会自动保护无法工作。

因为所有的天调网络元器件都是电抗元件，电抗元件值和天线阻抗值都是频率的函数，对载频而言又无反射匹配，在边带频率上存在一定的损耗和反射，所以直接影响发射机的电声指标，影响特别严重时，导致中波发射机有时不能正常工作。故近年来对全固态机的天调网络设计、调整，必须考虑在整个工作宽带内天馈线系统都能有符合要求的匹配。

2.2 多频共用天线网络

在实际工作中，大多数发射台不只是单机单塔工作，有许多是在二机共塔或多频率干扰环境下工作，故在天调网络设计中还必须考虑合理的抗干扰措施。

共用天线装置就是在天线与广播发射机的匹配网络之间加入一个能阻止另一套节目串入的阻塞网络，通常是由一对电感、电容组成的并联谐振电路。

只要两台发射机的工作频率不是靠得太近，通过选择合适的并联谐振电路元件值，即可使串入本发射机的功率保持在足够的电平上。并联谐振电路需要多少功率才能阻止另一频率的电波渗入，这由广播发射机的种类、频率差等条件决定。若阻塞阻抗对载波在10 kΩ以上，对边带波在5 kΩ以上，从经验看，不会出现另一电波泄露引起的特性变坏和交叉调制等问题。

在中波发射台中，建台较早的天线高度都比较低，在中波段较低频率工作时，天线低于0.2λ，这时天线的实部电阻Ra很小，虚部电抗±jXa较大，天线的回路品质因数Q值较高。当天线的频率发生变化时，引起虚部电抗±jΔXa变化大，而实部电阻Ra变化小，使Q值增加，更容易造成边带频率特性不好。所以，当多频共塔或天线高度过低、实部阻抗Ra较小，正Г形或倒Г形网络不能满足发射机的技术指标时，就要用T形或Π形网络，并选择匹配网络的Q值，以保证调配网络有良好的边带特性。T形和Π形网络的回路品质因数Q值一般选在2～6。当天线虚部电抗Xa≥2Ra时，选用Π型网络；当Ra·(1+Q)≥5时，选用T形网络。

在实际网络设计中，人们大多采用T形阻抗匹配网络，因为它有3个优点：一是阻抗匹配范围宽；二是调整简单，只需要调整负载端及输入端串联的电感值；三是并联臂使用固定电容，耐压高、成本低[7]。

2.3 双频共塔网络设计实例应用

某台现有工作频率693 kHz、855 kHz、1 143 kHz和1 359 kHz都是10 kW，2014年新建台时为了降低工程造价和节约土地资源，建有两副高76 m自立式天线，只有693 kHz和1 359 kHz、855 kHz和1 143 kHz分别共塔。利用双频共塔网络设计最新理念，实现4个频率在两副天线上安全播出。以载波频率为693 kHz与1 359 kHz共塔网络设计为例，两频率输出馈线的特性阻抗均为50 Ω，用网络分析仪测出天线对于693 kHz、1 359 kHz及其±10 kHz的天线阻抗。

(1)

(1)693 kHz频率，假设S1=2,根据T形网络中的计算公式

(2)

(3)

(4)

(2)1 359 kHz频率，假设S1=2，根据T形网络中的计算公式同理所得：

S2=1.14,X1=S1W=100,X2=S2Ra=122，XP=79.6

C=1472Pf，L1=12uH,L2=14uH

(4)

为了能实现以上功能，设计的理念是：采用双频共塔网络，在有限的天线场区范围内，通过设计相对简洁的天调网络，在满足设计规范和要求的前提下，反复优化系统配置与天线的布置，力求解决中波发射天线间、共塔频率间的相互干扰与调配网络带宽化的问题，实现它们之间的相互干扰最小化[8]，确保信号安全高效传输。

结合上述计算结果及某台现有工作频率对双频共塔的影响，设计的主要思路是：采用补偿网络来提高工作频率抗干扰能力；在串联阻塞网络采用符合阻塞网络，使其串臂谐振在工作频率上，然后再和电感(或电容)并联谐振需要阻塞的干扰频率上；并联吸收网络吸收频率可以设置在干扰频率的边频上，以减少对工作频率的衰减，吸收网络再和电感(或电容)并联谐振在工作频率上，再次对工作频率进行补偿，从而解决邻频干扰，再通过加上阻塞网络和泄漏网络，设计网络如图3所示。