中波天馈线系统原理及补偿网络应用

【摘要】中波天馈线系统是中波广播发射系统中至关重要的一个环节，在天馈线系统中，发射天线的高度、匹配网络的匹配情况等因素将直接影响到节目的播出和覆盖效果。本文分析了解天馈线系统原理，掌握不同条件下的网络匹配形式，调试并使网络达到良好匹配，这对于发射台的技术维护人员来说尤为重要。

【关键词】中波天馈线系统；匹配网络；带宽；双频共塔；补偿网络

中图分类号：TN92 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.15.010

中波天馈线系统的作用，就是将发射机给馈线的高频电能最大程度地转换为向空间辐射的电磁能。为实现这一目的，就需要用到天线匹配网络对发射机输出阻抗和天线阻抗之间进行调配，以实现最大功率传输。在实现网络调配的过程中，天线自阻抗的影响非常大，良好的天线能够使网络结构简单、调试方便，并且运行稳定。但是往往由于多种原因，天线自阻抗会不够理想，那么就需要采用一些特定结构的网络对上述问题进行解决，从而拓展网络带宽，提升技术指标。本文对中波天馈线系统的原理，常见的匹配网络形式及天线高度对匹配网络的影响等方面进行了简要介绍。同时，通过实际案例对补偿网络的应用进行了深入分析，为改善天馈线系统的运行状况提供了一种有效的解决方法。

1. 常用的匹配网络形式

中波天馈线系统常用的匹配网络有Г型匹配网络、T型匹配网络和π型匹配网络这三种，它们的特点及适用情况如下：

（1）Г型匹配网络。分为正Г型匹配网络和倒Г型匹配网络，是最基本的匹配网络之一，具有结构简单、成本低、容易实现调配等优点。但因Г型匹配网络不能同时满足对Q值的要求，所以适合用于单频单塔的匹配网络。在具体使用中，若Ra＜ZC（馈线特性阻抗）时，采用正Г型；当Ra＞ZC时，采用倒Г型。

（2）T、π型匹配网络。当多频共塔时，需要增加阻塞网络和泄露网络，此时这些网络对载频和上下边频呈现出的阻抗不同，多个阻塞网络串接时，上、下边带频率和载频的电抗差会累计叠加，产生边带反射。在载频和较低边带频率时指标正常，在较高边带频率时指标变差，严重时还会使边带频率反射过大，使天线驻波比变大，进而发射机进行保护关功放、降功率。那么，这种情况就需要用到T型或π型匹配网络，选定合适的Q值（2～6之间），完成调配。在具体使用中，当Ra·（1+Q2）≥5时，选择T型网络；当天线虚部电抗Xa≥2Ra时，选择π型网络[1]。

2. 天线高度对匹配网络的影响

当天线有效高度与工作波长相比拟时，才能有效辐射电磁波。此外，当天线有效高度较低，在中波段较低频率工作时低于0.2λ，那么天线的实部电阻会较小，虚部电抗±jXa会较大，天线的Q值较高。此时当天线的频率变化时，引起虚部电抗±jΔXa变化大，而实部电阻Ra变化小，使得增加，造成边带频率特性不良。

在已知工作频率的情况下，我们可以根据以下方法计算得到对应的波长：

波长λ、波速v、频率f之间满足以下关系：

则，

然后根据波长，我们就可求得天线适宜的高度。对于直立式中波天线，天线高度首选0.53λ，此外可根据服务范围、投资规模、场地大小等因素在0.3～0.53λ之间进行选择，最低不应低于0.2λ。此外，还应避开0.4λ附近的阻抗谐振区，否则会产生天线输入阻抗变动剧烈，导致匹配网络调配困难等问题。

我们以756 kHz与1008 kHz双频共塔为例。根据工作频率，我们可以计算得到其天线高度以100 m为宜。使用软件仿真测试，当天线高度为100 m，塔体等效直径为2 m时，756 kHz与1008 kHz的底部阻抗参数如表1所示。

756 kHz的底部阻抗为38.9+j25.3；1008 kHz的底部阻抗为142.6+j159.2。在此高度上，756 kHz的阻抗在突变点附近，但基本可控。

当铁塔高度降至90m时，756 kHz的实部数值减小，距离突变点也更近，可能造成天线网络带宽不足及网络的不稳定。

当铁塔高度继续降至70 m时，756 kHz的实部数值只有十几欧姆，但虚部却很大，同时1008 kHz处在了阻抗值的突变处。此时的天线一是调节难度大，二是由于天线的辐射电阻很小，天线的效率较100 m高度时降低得非常多。在此情况下若天线地网不足，天线效率将持续衰减，覆盖范围和覆盖效果难以保证（影响天线效率的两个关键因素是辐射电阻和地网地电流的损耗）。

3. 多频共塔匹配网络的设计原则

（1）匹配网络的设计必须与馈线的特性阻抗相匹配，并且具有良好的通带特性，确保其他频率对本塔发射的频率影响降至最低。

（2）在保证匹配网络能够实现长期稳定运行的情况下，应当尽量简化设计，减少元器件使用，这样不仅减小了成本，也降低了损耗，同时还便于安装调试。

（3）多频共塔时，各频点不宜太近，两个频率的比值不应低于1.25，否则在设计阻塞网络时，两个频率会产生相互阻塞，增加了视在功率，加大了损耗，使网络的性能变差，发射机工作不稳定[2]。

（4）在设计匹配网络时，应充分考虑到各器件电气参数的冗余量。由于匹配网络的工作频率一般较高，通带功率较大，且易遭受到雷击，因此在安装条件允许的情况下，应尽可能使用一些电气特性好，而且耐压较高的器件。此外，还可以通过采用不同的元器件接入方式来增加耐压、减少发热。例如在使用电容时，若单个电容无法满足耐压及功率要求，则可采用将多个电容先串联再并联的接入方式，如图1所示。这样做既可以提高电容的耐压和功率要求，减少发热量，还延长了其使用寿命。

图1（a）中，两个1000 P的电容串联使用，总容量变为500 P，但耐压增加1倍。图1（b）中，4个1000 P的电容先并联再串联，容量保持不变，但耐压和功率增加了一倍。

（5）匹配网络的设计还应充分考虑到散热问题，众所周知，由于不可避免的功率损耗，在相对有限的调配室内，温升问题特别突出，在炎热的夏季，有些调配室的室温可达75℃以上。室温这么高，网络器件的温度就可想而知了，部分温度特性不好的器件电气参数会发生变化，造成整个网络匹配不好，发射机驻波增大，反射功率增大，工作不稳定。因此，应采取有效的通风、降温措施，以保证网络的稳定性[3]。

4. 采用补偿网络拓展带宽的应用分析

我们以某发射台756 kHz频率为例，其与1008 kHz双频共塔。根据之前分析，其适宜的天线高度为100 m，而发射台实际使用的天线为64 m直立式拉线塔，高度远远不足。对于756 kHz，天线自阻抗实测为14.6-j103.8Ω。实部电阻Ra小，天线辐射效率也因实部电阻变小而降低，而且虚部阻抗大，天线的Q值高，造成天线工作时边带频率的阻抗与载频的阻抗相差较大，发射机在载波工作时正常，调幅工作时高音频技术指标差，严重时还经常会出现高音频调制时驻波比大降功率和关功放现象。

建台初期，采用的是正Г型匹配网络，网络匹配效果较差，带宽过窄，发射机只能以较低功率运行，技术指标差。后改为T型匹配网络，网络匹配效果得到了改善，但带宽仍不足，边带反射依然存在。

为解决上述问题，在原有T型匹配网络的基础上，引入了补偿网络（如图2所示），有效拓宽了带宽，保证了满功率、满负荷运行，极大提升了技术指标。下面我们进行分析：

4.1 网络运行情况

采用T型匹配网络，在将网络良好调配的情况下，天线带宽±6 kHz内均在1.3以下。接入补偿网络后，天线带宽在±9 kHz内均在1.3以下，保证了足够的带宽，播出技术指标优良。

4.2 网络安装及调试方法（馈线特性阻抗ZC=50 Ω）

在安装及调试网络时，先备齐所需元件，然后根据结构步骤依次进行组装，具体步骤如下。

（1）阻塞网络（单独调试）

该阻塞网络采用四元件复合型阻塞网络，四元件复合阻塞网络具有取值灵活的优点，调试时首先将该部分全部独立出来，调整L1使C1、L1串联谐振于756 kHz。然后接入C2、L2，调整L2使复合阻塞网络整体并联谐振于阻塞频率1008 kHz。最后连接天线，在A2点测量756 kHz的阻抗，理论上应无变化或变化很小，此时即完成了阻塞网络的调试。

（2）T型匹配网络（接入天线及阻塞网络后调试）

①接入L3，使用仪器在B1点处测量，调整L3使该点阻抗达到或接近实部13，虚部24.5，从而确保天线Q值合适。

②接入C3、L4，使用仪器在B2点处测量，调整L4使该点阻抗达到或接近实部50。

③接入L5，使用仪器在C1点处测量，调整L5使该点阻抗达到或接近实部50，虚部0。

（3）补偿网络（单独调试）

①选定补偿频率f0=639 kHz，将C4和L6并联，调整L6使C4、L6并联谐振于639 kHz。

②接入L7，调整L7使C4、L6、L7整体串联谐振于756 kHz，从而确保756 kHz能够无损耗通过。

③将补偿网络接入主网络中，之后通过微调L4、L5使整个网络匹配。若阻抗点相位不正，可通过微调L3，之后重新调整L4、L5达到匹配[4]。

4.3 补偿网络说明

（1）补偿网络的原理

补偿网络的接入，对于T网络末端的阻抗上下边频呈现出不同的阻抗特性，从而实现对上下边频的抑制，降低了边带驻波，进而拓展了网络带宽。

（2）补偿频率f0的选择

补偿频率f0一般在工作频率f±150 kHz的范围内选择，补偿频率的大小选择不同，补偿程度相应不同，可根据实际需要进行调整。此外补偿频率f0在f～f+150 kHz和f～f-150 kHz两个不同区域选择时，补偿网络需要用到的元器件也不同。这是因为当补偿频率f0在f～f+150 kHz范围选择时，对于工作频率来说其呈现感性，则补偿网络需串联电容达到谐振。反之在f～f-150 kHz范围选择时，则补偿网络需串联电感达到谐振。这里推荐在f～f-150 kHz的范围内选择，然后串联电感的形式进行谐振，便于连续调试。同时在实现功能的情况下，有效降低了成本。本例中，工作频率f为756 kHz，补偿频率f0选择了639 kHz[5]。

5. 结束语

通过分析得到影响天馈线系统运行情况的各类因素后，在新建发射台站时，应严格按照标准修建天线等硬件设施，保障配套设施满足播出要求，便于长期使用。在日常运行维护中，应建立完善的机制，并深入掌握天馈线系统原理与调试相关专业知识，定期组织测试天馈线系统各节点参数，确保天馈线系统指标优良，以保障节目播出、覆盖达到理想效果。

参考文献：

[1]解苏汉.DX中波发射机与天馈网络[M].西安：陕西科学技术出版社，2013：268-312.

[2]罗春美.中波广播双频共塔天线匹配网络的设计与实现[J].电子世界，2021（24）：65-66.

[3]李劲松.中波广播双频共塔技术的发展与应用[J].西部广播电视，2020（02）：230-231.

[4]何伟.中波调幅广播发射机天线匹配网络的调试方法初探[J].甘肃科技，2020，36（01）：22-24.

[5]肖涛，宋庆欣，王威.利用并联加载与补偿网络技术提高中波天调网络带宽及稳定性的应用探讨[J].广播与电视技术，2021，48（01）：110-114.

作者简介：刘磊（1990—），男，陕西安塞人，工程师，研究方向：中波广播安全播出及设备运行维护管理。