DCM 10 kW 中波广播发射机输出网络原理与调整

2023-11-05周嘉镇

电视技术 2023年9期

周嘉镇

（广东省汕尾中波转播台，广东汕尾 516400）

0 引言

哈尔滨广播器材有限责任公司生产的DCM 10 kW中波广播发射机的输出网络在广播发射中起着关键作用，能够将功率合成器的低阻抗信号转换为50 Ω 的阻抗输出，实现对发射机输出能量的有效传输。它的工作状态好坏直接影响发射机的输出功率、功放模块的工作稳定性及发射机的信噪比指标，同时影响发射机在雷雨天气中工作的安全性。输出网络由带通滤波器以及阻抗匹配网络组成。带通滤波器用于滤除射频放大器产生的三次谐波等杂波信号，并输出基波信号；阻抗匹配网络用于将功率合成器输出阻抗调整为与馈线阻抗相匹配[1]。本文将对中波广播发射机输出网络的原理和调整方法进行探讨。

1 输出网络原理

中波广播发射机的输出网络包括带通滤波器和阻抗匹配网络两大部分[2]。带通滤波器负责滤除功率放大器产生的三次谐波等多余的杂波并输出基波电压，阻抗匹配网络的作用是将馈线阻抗调整为功率合成器的输出阻抗。阻抗匹配网络的功能是进行阻抗变换，将发射机产生的信号进行有效传输，使负载获得最大的有效功率。图1 为DCM 10 kW中波广播发射机的输出网络原理图。图1 左侧为带通滤波器，右侧为阻抗匹配网络。

图1 DCM 10 kW 发射机输出网络原理图

1.1 带通滤波器原理

带通滤波器是输出网络的关键组成部分，作用是滤除射频放大器产生的多余的“台阶”和不希望输出的频率，并输出基波电压[3]。带通滤波器可以采用串联谐振或并联谐振的方式，选择性地通过或阻断特定频率范围内的信号。

在串联谐振的带通滤波器中，电感和电容组成一个谐振回路。当信号频率与谐振频率匹配时，电感和电容的阻抗值相互抵消，形成一个谐振回路。在谐振频率下，串联谐振回路的等效阻抗达到最小值，信号能够通过。而当信号频率偏离谐振频率，串联谐振回路的等效阻抗增加，从而阻断信号通过。

在并联谐振的带通滤波器中，电感和电容组成一个并联谐振回路[4]。当信号频率与并联谐振电路的谐振频率相匹配时，电感和电容的等效导纳值相互抵消，形成一个谐振回路。在谐振频率下，并联谐振回路的等效导纳达到最大值，信号能够通过。当信号频率偏离谐振频率，并联谐振回路的等效导纳减小，从而阻断信号通过。

在带通滤波器中，通带是指能够通过的频率范围，阻带是指衰减或抑制其他频率范围的信号。带通滤波器的设计目标是在通带内最大限度地传递有用信号，并在阻带内对通过的无用信号进行阻塞和衰减。根据带通滤波器的设计要求，可以选择合适的电感和电容值，以达到对特定频率的滤波效果。同时，通过调整电感和电容的数值，可以调节滤波器的中心频率和带宽，以适应不同的应用需求。根据全固态中波广播发射机输出网络频率特性，可以选择最大平坦度滤波器（如巴特沃斯滤波器）作为带通滤波器。这种滤波器具有平坦的通带特性和良好的阻带衰减特性。

哈尔滨广播器材有限责任公司的DCM 10 kW中波广播发射机带通滤波器由可调电感L101、可调电容C102 和C101，以及可调电感L102 和C103 组成，是由二阶带通原型滤波器改进而来的。通过调整带通滤波器中的电容和电感参数配置，使得串联谐振电路谐振工作频率，对基波呈现很小的阻抗，并联谐振电路谐振于三次谐波频率，对各次谐波呈现很大的阻抗，因此当电流信号通过时就可以把基波信号提取出来[5]。在实际工作中，由于中波段的标称频率是531 ～1 602 kHz，发射机应满足整个波段的要求。因此，电感线圈的电感量应适当做大些，电容的容量按照工作频率来确定。

1.2 阻抗匹配网络

1.2.1 三次谐波陷波器

全固态中波广播发射机不论是PDM 脉宽机还是DX 型数字机，被调级都工作在开关状态。通过傅里叶级数分解得到基波与奇次谐波分量，没有偶次谐波分量。奇次谐波的振幅随着谐波次数的增高而减小，其中三次谐波的幅度最大。为了防止谐波向外输出，中波发射机采用了仅让基频通过的2 阶带通滤波器。然而，为了防止调制边频对负载的影响，保持较好的稳定性，滤波器的Q值取值很低，导致对三次谐波的衰减程度不够。因此，为了达到必要的滤波度，阻抗匹配网络中加设了三次谐波陷波器，将三次谐波对地泄放，以进一步增强对三次谐波的抑制效果。

三次谐波陷波器由L105、C104 组成，通过串联谐振原理实现对三次谐波的衰减，使谐振频率与三次谐波频率相匹配，即3 倍的工作频率。

1.2.2 阻抗匹配网络的组成

阻抗匹配网络是中波发射机输出网络的重要组成部分，用于将功率合成器的低阻抗（4 Ω）信号转换为适合传输的输出阻抗（50 Ω）。阻抗匹配网络通常由T 形网络或π 形网络构成，其中T 形网络是常用的高通匹配网络。T 形阻抗匹配网络由两个电感元件和一个电容元件组成，形状呈“T”字形排列。电感元件的作用是通过电流的滞后来改变阻抗，将输入信号的电流延迟电压90°；电容元件具有容性特性，可以存储电荷，通过电流的超前来改变阻抗，将输入信号的电流超前电压90°。通过调整电感、电容的数值，可以控制电流和电压的相位关系，实现阻抗的转换和匹配。

DCM 10 kW 中波广播发射机的T 形阻抗匹配网络由可变电感器L104、L103 与L105、C104 共同组成。其中，L104 为输入支路，L103 为输出支路，三次谐波串联谐振支路在工作频率上呈容性。输入和输出支路的可变电感器可用于调节匹配，使之与用户的50 Ω 馈线阻抗相匹配。

1.2.3 阻抗匹配网络的设计

阻抗匹配网络的设计目标是确保输出网络的阻抗与高末槽路谐振阻抗相匹配，并使其输出阻抗与馈线阻抗相匹配。只有通过阻抗匹配，发射机的能量才能有效传输到负载，使负载获得最大的有效功率，减少信号的反射损耗，降低反射系数，提高传输效率。在实际应用中，阻抗匹配网络的设计需要根据具体的工作频率和发射机的输出功率进行计算和优化。通过调节网络中电感和电容元件的数值，可以达到阻抗匹配和谐波抑制的要求。

阻抗匹配网络不但要实现阻抗匹配，减少信号的反射损失，实现最大功率传输，而且要有防雷的作用，因为发射机的功放模块是场效应管，当发射天线遭遇雷击，天线阻抗瞬间发生变化，功放电路里会产生过大的瞬时电流，容易把功放模块损坏。防雷的具体做法在调整阻抗匹配网络时，采用相移-45°的设计。在电路中，电感元件会使电流滞后电压相位90°，而电容元件会使电流超前电压相位90°。因此，当应用相移-45°的设计时，负载短路时电感元件的感性特性会抵消电容元件的容性特性，从而使等效阻抗呈感性。等效阻抗呈感性，会限制电流流过负载，减少功放模块受到的电流冲击，降低热损耗，提高系统的稳定性和耐久性，从而有效保护功放模块不受雷击等外界因素的损坏。

2 输出网络的调整方法与步骤

输出网络的调整是为了确保阻抗匹配和滤波效果的最佳化。进行调整前，必须断开发射机电源，对电容、电感等元器件进行放电，同时保证调试工作在没有相关频率干扰的情况下进行。具体步骤如下。

2.1 更换带通滤波器中的电容

根据实际工作频率，选择合适的电容值以满足滤波要求。电容值的选择应使滤波器在工作频率附近形成谐振回路，使所需频率的信号通过，而其他不需要的频率被滤除。

2.2 调整带通滤波器

测量L101 与C101 串联后的阻抗值，通过调节电感L101 的数值，使L101 与C101 达到串联谐振状态（即阻抗最小）。测量L102 与C103 并联的阻抗值（注意断开与L104 的连接），调整电感L102 的数值，使并联回路工作于并联谐振状态（即阻抗最大状态）。通过调整电感的数值，可以改变谐振频率和带宽，以满足滤波要求，使带通滤波器达到谐振状态，使所需频率的信号通过。

2.3 调整三次谐波陷波器

三次谐波陷波器在中波发射机输出网络中起到抑制三次谐波的重要作用，通过谐振原理和滤波原理实现对三次谐波的衰减。选择合适的电感、电容元件并调整其数值，可以使谐振频率与三次谐波频率相匹配。实际调整中，使网络分析仪预置到三次谐波的频率上（即3 倍工作频率），测量陷波器即L105 与C104 串联电路的阻抗，调整电感L105 的数值使其在三次谐波的频率上达到串联谐振（即阻抗最小状态）。

2.4 调整阻抗匹配网络

根据实际情况，调节阻抗匹配网络中的电感、电容的数值，使输出阻抗与馈线阻抗匹配为50 Ω，可以实现最大功率传输和最佳信号传输效果。阻抗匹配网络的调整要与三次谐波陷波器配合。调整时，将三次谐波陷波器与L103、L104 连接好，组成一个T 型阻抗匹配网络。将网络分析仪校准为发射机的工作频率，假负载与输出网络（连接L103）连接好，L102 与阻抗匹配网络的连接断开，测量阻抗匹配网络的输入端。通过不断地调整电感L103，改变阻抗的虚部，调整电感L104 改变阻抗的实部，最终使阻抗为50+j0 Ω。