短波天調匹配網絡發熱問題的分析

祝彪　李超超　鄭丙寅

摘 要：由于短波通信系統的功率不斷增大，使得短波天調工作時，其匹配網絡發熱較大，為了解決這個問題，文章深入分析了匹配網絡發熱問題的原因，并提出了解決方法，為設計人員處理此類問題提供了重要依據。

關鍵詞：真空陶瓷繼電器；短波天調；陶瓷電容；空心線圈

1 概述

短波天調[1]作為短波通信天饋系統的重要組成部分，廣泛應用于各型短波通信系統，其阻抗匹配網絡在天線與發射機的匹配中發揮了關鍵性的作用。

近年來，隨著短波通信系統的功率不斷增大，使得匹配網絡也要承受較大的功率，從而導致網絡器件發熱，引起駐波比增大，發射機與天線失諧，最終造成短波通信系統不能正常工作。

文章針對短波天調匹配網絡的發熱問題進行了詳細的論述，并對解決該問題的方法進行了深入的探討。

2 短波天調的匹配網絡

匹配網絡是短波天調的“心臟”，由空心電感線圈、陶瓷電容，以及控制這些網絡元件的繼電器組成。其主要作用一是進行阻抗變換，將與頻率、天氣、天線形式等因素有關的天線輸入阻抗變換為短波電臺發射機末級所要求的最佳負載，確保其功率放大器安全可靠地工作；二是對短波電臺發射機輸出射頻信號進行濾波，保證其低諧波輸出。

常用網絡形式[2]有“倒L”網絡、“T形”網絡以及“Π形”網絡。其中“倒L”型網絡只用兩個調諧元件，其優點是調整和結構都比較簡單，容易實現，缺點是匹配范圍有限，濾波性能較差；“T形”網絡和“Π形”網絡都是由三個調諧元件組成的調諧網絡，它們實際是兩個“倒L”形網絡的組合，具有寬的匹配范圍和較好的濾波性能。在短波天調中多用“Π形”網絡，采用自動調諧、記憶的方式實現工作頻點的阻抗匹配。

在實際應用中，三種網絡形式的匹配網絡都存在不同程度的發熱問題，這可能導致網絡的性能下降，進而影響短波通信系統的正常工作。因此，研究天調匹配網絡的發熱問題顯得尤為重要。

3 短波天調匹配網絡發熱的原因

短波電臺發射機工作時，其天調的匹配網絡可能存在大量發熱的問題，主要原因有以下幾點。

（1）陶瓷電容的發熱問題

引起陶瓷電容發熱的主要原因是等效串聯電阻（ESR）和最大工作電流（Imax）。計算線路中電流的平方（Ic2）和ESR的乘積就能方便地得到陶瓷電容在射頻設備中的實際耗散功率（PCD）

PCD=Ic2×ESR

ESR綜合了介質材料，電極，終端，以及終端與電級界面的所有損耗。當實際工作電流大于最大工作電流或者ESR較大時，陶瓷電容就會大量發熱。

（2）繼電器的發熱問題

導致繼電器發熱的主要原因是最大接觸電阻和最大連續工作電路電流。計算線路中電流的平方和最大接觸電阻的乘積就能得到繼電器在匹配網絡中的實際耗散功率。當實際工作電流大于最大連續工作電流或者接觸電阻較大時，繼電器就會大量發熱。

（3）空心線圈的發熱問題

額定電流和品質因數（Q值）是造成空心線圈發熱的主要原因。當空心線圈上的實際工作電流大于額定電流時，空心線圈將發熱，嚴重時會燒壞；品質因數（Q值）是指空心線圈在某一頻率的交流電壓下工作時，所呈現的感抗與其等效損耗電阻之比。它的高低與線圈導線的直流電阻、線圈骨架的介質損耗及鐵心、屏蔽罩等引起的損耗等有關。空心線圈的品質因數（Q值）越高，其損耗越小，效率越高，發熱越少。反之，品質因數（Q值）越低，損耗越大，效率越低，發熱越大。空心線圈的品質因數計算公式如下：

Q=ωL/R

式中：

ω-工作角頻；

L-空心線圈的電感量；

R-空心線圈的總損耗電阻線圈的總損耗電阻，它是由直流電阻、高頻電阻（由集膚效應和鄰近效應引起）介質損耗等所組成。

4 發熱問題的解決方法

解決短波天調匹配網絡發熱問題，首先要確定發熱源，即那些網絡元件溫度最高，然后針對不同的發熱元件，采取相應措施，進行適當的處理，最終將網絡元件的溫度控制在合理的范圍內。下面將結合前面提到的三種發熱原因，進行深入討論并提出解決方法。

（1）陶瓷電容發熱問題的解決方法

陶瓷電容發熱，首先，應該選用超低ESR和較大承載電流的電容產品，對于高射頻功率的發熱控制尤其如此。其次，可以把單個電容通過串聯，或者并聯的方式組合成電容組，電容組大大擴展了容值和對電流，電壓的耐受能力。最后，將電容安裝在散熱器上，以便對其進行散熱。因為熱主要由電容終端傳導到散熱器，所以使用帶銀質微帶線的電容，能有效地使熱從電容表面流走，同時，有關材料的導熱率也是十分重要的。

（2）繼電器發熱問題的解決方法

對于繼電器發熱問題，由于其高度的集成性，一般只能在同類型器件中選擇性能指標更高的來替代。主要是選擇耐壓值高，承載電流大，接觸電阻小的同類器件替代。

（3）空心線圈發熱問題的解決方法

為了解決空心線圈發熱問題，首先，應該選用多股的絕緣銅線代替具有同樣橫截面的單股銅線，以減少集膚效應。其次，可以采用鍍銀銅線，以減小高頻電阻，提高線圈的品質因數。最后，如果重量要求不嚴，可以采用介質損耗小的高頻陶瓷為骨架，由于高頻陶瓷具有較好的導熱性，可將部分熱量通過陶瓷骨架傳導到殼體上，有利于空心線圈的散熱。

通過試驗，證明了上述方法在解決天調匹配網絡發熱問題時具有可行性。

5 結束語

文章介紹了短波天調匹配網絡的作用和常用的一些網絡型式，詳細論述了匹配網絡主要的發熱問題，并給出了解決不同發熱問題相應的方法，為短波天調設計者提供了很大的幫助。

參考文獻

[1]胡中豫.現代短波通信[M].北京：國防工業出版社，2003.

[2]秦旭.嵌入式智能矢量天線調諧系統[EB/0L].[2005-10-19].http：//www.freescale.com.cn/mcu2004/chi/pdf/10080.