中波天馈线双调谐网络和主备切换系统应用实践

2023-09-19余剑

电视技术 2023年8期

余剑

（浙江省中波发射管理中心开化广播转播台，浙江衢州 324300）

0 引言

随着广播电视事业的发展，中波广播的天调网络技术也有不同程度的发展和改进。就中波转播台而言，目前普遍面临的现状是土地资源紧张、天线种类多、发射频率高、发射功率大，因而大多数发射天线在双频或三频共塔状态下工作。由于发射频率高、邻频干扰大，无疑增加了天调网络的设计难度。传统调配网络计算复杂，元器件数量多，调试精确度和元件等级标准要求高，局部改进空间小，网络工作的稳定性和传输效率不是很理想。基于上述情况，同时遵照《广播电视安全播出管理规定》无线发射台实施细则第十一条规定，《中、短波广播天馈线系统安装工程施工及验收标准》（GY/T 5057—2020）的规定，中、短波宜采用双调配网络结构，并配备相应的倒换装置。笔者所在单位开化广播转播台技术人员经过市场考察、技术研判，参考已有发射台成功的经验，采用双调谐方式，对原有两个双频共塔系统进行了升级改造，在原有调配网络的基础上增加了两套双调谐共塔调配网络，并增加了一套主、备切换系统，正常情况下使用主用网络，当主用网络出现故障，通过切换系统切换为双调谐网络[1]。

1 新型双调谐网络

1.1 双调谐网络技术的特点

双调谐网络为新型调谐网络，可以说是今后中波天馈线调配网络发展的方向。双调谐网络采用卧式耦合线圈，耦合度高，改善了信号输出的线性度，提高了网络的匹配带宽。网络的前端和末端均由线圈直接接地，使整个系统的防雷效果更好。由于整个系统的滤波效果好，不需要增加吸收网络和阻塞来消除各频率之间的干扰。由于网络简单、使用元件少，双调谐网络的价格较便宜[2]。

1.2 传统调谐网络与新型双调谐网络的对比

传统调配网络的优点是方案成熟、设计简单、调试简单，缺点是防雷性能差、带宽窄、工作不稳定、发热量大、驻波较大、使用元件多，价格较贵。图1（a）、图1（b）分别是传统单频调谐网络原理和实物装配图。

图1 传统调配网络

新型双调谐网络的优点是防雷性能好、频带宽、网络简单、使用元件少，价格较便宜。馈管芯线与地线隔离，完全避免了直击雷入侵后放电球短路造成发射机损坏的事故；利用高频变压器阻抗变换原理实现天线与馈管阻抗匹配，省略了传统调配网络的匹配单元；利用双调谐回路选频功能滤除其他发射频率的干扰，省略了传统网络的吸收（陷波）网络和阻塞网络。缺点是调试比较麻烦。图2（a）、图2（b）分别为新型单频双调谐网络的原理图和实物装配图[3]。

图2 新型双调谐网络

1.3 新型双调谐网络的工作原理

图2（a）中，C1、L1组成信号源（发射机）端并联谐振电路，谐振频率为发射机工作频率；箭头为可调线圈连接点，目的是通过调整实现谐振网络与发射机馈管阻抗的匹配。C2、L2组成负载（天线）端并联谐振电路，谐振频率为发射频率。通过调整线圈位置，可以实现匹配网络与天线输入阻抗的匹配。为了保证两个谐振网络相位一致，图2（a）中1、3为同相位，2、4为同相位。M为两个调谐线圈的间距。间距不同，技术参数有所不同。

新型双调谐网络利用的是频率共振原理，类似于现在的无线充电原理，与变压器耦合原理稍有不同。共振耦合效应的原理可以用简谐振动的概念来解释。简谐振动是指物体在一个固定位置附近做周期性的振动时，它们会相互影响并改变彼此的振动状态。如果它们的振动频率相同或接近，它们就会发生共振，振幅增大，能量传递效率提高。谐振电路可以通过共振耦合效应来实现高品质因数和高频率的振荡。谐振可以通过改变电容和电感的参数来实现[4]。

1.4 新型双调谐网络设计

笔者所在的中波转播台原有两台PDM 1 kW发射机，发射频率分别为531 kHz和756 kHz，采用双频共塔方式工作，发射天线为76 m桅杆式拉线天线。根据发射机功率、频率间隔、馈管阻抗和天线输入阻抗等因素，本文分别设计了两套双调谐网络[5]。

1.5 元器件的选择

电容一般选耐压20 kV以上、功率90 kVA以上的高频瓷质电容或桶型电容。由于发射机功率大，考虑到功率冗余量问题，电容最好由多个电容按照串、并联的方式组合而成。电容选用1 000 pF、1 500 pF和3 000 pF这3种规格。电感电流通常以线的横截面周长决定，周长30 mm相当于电流30 A。一般10 kW发射功率全部用50 A的电流就足够，也就是说采用粗铜管绕制的线圈。如果发射功率为1 kW以下，可采用小型扁铜绕制的线圈。为了方便调整，全部电感选用50 A、35 μH的大型线圈。

1.6 新型双调谐网络安装

为了节省开支，双调谐网络和网络架全部由开化广播转播台本单位技术人员自己安装，图3所示为网络架及制作网络架所需材料。焊锡用于焊接接地铜皮，铝合金堵头用于铝合金线管末端装饰保护，环氧树脂板用于安装电感、电容、绝缘子和铜皮，标准铝合金型材用于制作网络骨架，双孔拐角用于连接标准铝合金型材。另外，用于电感调整的短路夹子和各种螺丝、螺母、垫片，需要单独购买。

图3 新型双调谐网络安装装配图和安装配件

1.7 新型双调谐网络调试

新型双调谐网络最大的工程量就是网络的调整。网络调整需要使用中波专用电桥、网络分析仪和假负载等设备。另外，网络调整需要技术人员具备一定的网络调整经验，并且会使用仪器对调配网络进行测量分析[6]。

网络调整的第一步是实现双调谐网络谐振频率的同步，按照并联谐振计算公式，计算出所需电感电容的大小。单从谐振公式来看，只要能够谐振，电感、电容的取值范围可以很大，这对于纯电阻性负载来说没问题，但考虑到发射天线输入阻抗是一个复数，既有实部也有虚部，虚部又分感性阻抗和容性阻抗，因此，在调整双调谐网络时，既不能呈现较大感性，也不能呈现较大的容性。考虑到这一点，技术人员请相关方面的专家，通过综合考虑和计算，得出531 kHz和756 kHz两个频率双调谐网络L、C元件的数值如下：531 kHz双调谐网络中，电感L1为44.9 μH，电容C1为2 000 pF；756 kHz双调谐网络中，电感L1为29.57 μH，电容C1为1 500 pF。

确定元件数值后，进行安装调整。首先进行谐振同步调整。一般电容值是固定的，无法调整，对此，可以通过多种规格的电容串、并联得到尽可能接近设计值的电容，然后只对电感进行调整。调整电感时，一个电感可能需要两个管夹，一个用于调整网络的谐振频率，另一个调整负载阻抗的匹配。

根据并联谐振时谐振电路对谐振频率呈开路的原理，使用网络分析仪，寻找两个谐振网络中电感的最佳谐振点。

根据串联谐振时，谐振电路对谐振频率呈短路的原理，使用网络分析仪调整初级谐振网络与馈管的阻抗匹配，次级谐振网络与天线的阻抗匹配。

关于两个电感间距问题，通过试验发现，当两个线圈紧挨着（铜管间距3 cm）时，谐振效果最佳；当两个线圈离开一定距离（铜管间距5 cm）时，谐振效果变差（主要是带宽变差）。可见，在条件允许的情况下，谐振线圈间距越小越好。图4（a）为双调谐网络两个线圈在3 mm间距下的测试结果，图4（b）为双调谐网络两个线圈在5 mm间距下的测试结果[7]。

图4 不同间距时双调谐网络谐振效果

2 主备切换网络

传统的中波共塔系统一般采用一个调配网络，由于设计问题或者调整问题，调配网络容易出现故障。如果故障比较严重，有时候还要请厂家技术人员来解决，这样可能要影响正常的播出。目前，开化广播转播台的天线调配间还有一定空间，可以容纳两套新制作的双调谐网络，作为原有调谐网络的备用网络。双频共塔发射系统发射机主、备切换和调配网络主、备切换系统如图5所示，主、备切换器可以在需要的时候切换主用发射机和备用发射机，双馈线切换器在需要的时候切换主用馈线和备用馈线，切换开关可以切换主用调配网络和备用调配网络，详细工作原理这里不再赘述[8]。

图5 主、备发射机及主、备网络切换系统原理图

对于切换器的选择，如果要求转换速度快、接触牢靠，不考虑成本的话，应购买厂家生产的射频同轴切换开关或者中波专业切换器；如果考虑成本，可考虑使用铜片切换闸刀或采用更简单的铜片倒换方法[9]。几种切换开关的实物如图6所示。

3 安装调试注意事项

安装调试时，电感应尽量相互离得远，且相邻两个电感的电方向应相互垂直；安装元件尽量不要安装在电感开口两端，以免影响调试；给电容拧螺丝时，需要用21#开口扳手固定电容接头，避免电容接头受力脱落；元件在绝缘板的固定螺丝要避开网络架的横梁；连接电容的铜皮长度要合适，长度太长，铜皮容易与电容边缘接触，导致打火[10]。