短波廣播發(fā)射機(jī)平衡轉(zhuǎn)換器工程實(shí)現(xiàn)原理

田曙光

【摘 要】本文簡(jiǎn)介了信號(hào)傳輸及平衡-不平衡轉(zhuǎn)換基本原理，重點(diǎn)闡述在短波發(fā)射傳輸系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)與天饋線(xiàn)系統(tǒng)之間的平衡轉(zhuǎn)換器，及其完成射頻信號(hào)不平衡到平衡轉(zhuǎn)換、阻抗變換的工作原理與工程實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】平衡信號(hào)；非平衡信號(hào)；平衡轉(zhuǎn)換器；原理

0 前言

平衡轉(zhuǎn)換器是連接平衡傳輸系統(tǒng)與非平衡傳輸系統(tǒng)的設(shè)備。在模擬電子通信系統(tǒng)中，不同的系統(tǒng)單元為了達(dá)到同其它級(jí)設(shè)備相連接，常常需要把放大器輸出的不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換成平衡信號(hào)，這樣，就要使用平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，以把不平衡的信號(hào)或電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成平衡的信號(hào)或電路系統(tǒng)；反過(guò)來(lái)也是可行的，平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器也可以把平衡狀態(tài)的信號(hào)線(xiàn)路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成不平衡系統(tǒng)。同時(shí)，在通常的工程實(shí)際應(yīng)用中，也會(huì)要求實(shí)現(xiàn)一定的阻抗變換，以達(dá)到不同系統(tǒng)間的阻抗相匹配。短波廣播發(fā)射機(jī)平衡轉(zhuǎn)換器就是實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)功率放大器系統(tǒng)與天饋線(xiàn)傳輸系統(tǒng)之間信號(hào)平衡轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)阻抗變換的設(shè)備。

1 信號(hào)的平衡傳輸及轉(zhuǎn)換

1.1 平衡傳輸

在信號(hào)的傳輸過(guò)程中，如果信號(hào)被傳輸系統(tǒng)直接傳送，那么可以稱(chēng)這樣的信號(hào)為非平衡信號(hào)，如果把原始信號(hào)反相，然后同時(shí)傳送反相的信號(hào)和原始信號(hào)，那么這組信號(hào)就可以稱(chēng)之為平衡信號(hào)。也就是說(shuō)在模擬信號(hào)線(xiàn)路中，電平信號(hào)的傳輸可以分為兩大類(lèi)，一是平衡傳輸，其在平衡單元的輸入或輸出端口有兩根并聯(lián)的導(dǎo)線(xiàn)組成輸入輸出線(xiàn)，一根傳輸0°信號(hào)，另一根傳輸?shù)氖切盘?hào)幅度與前者相等，相位相差180°的反相信號(hào)，這樣，大小相同的電流在兩根導(dǎo)線(xiàn)中方向相反地流過(guò)，即電流數(shù)值相等、但方向相反。另外，一種就是所謂的不平衡傳輸，其中一端線(xiàn)路接地，一端線(xiàn)路傳送信號(hào)。平衡線(xiàn)路描述的是兩根信號(hào)線(xiàn)，而不平衡端描述的則是導(dǎo)線(xiàn)與地線(xiàn)/地平面。或者可以這樣認(rèn)為：平衡線(xiàn)路以信號(hào)線(xiàn)作為回流路徑，而不平衡線(xiàn)路以地作為回流路徑。

不平衡傳送，一根作為參考地，一根為信號(hào)。高頻時(shí)，常采用同軸電纜，對(duì)電波干擾，有較強(qiáng)的抗干擾作用，對(duì)防止對(duì)外干擾，也有一定作用，但結(jié)構(gòu)不平衡，對(duì)抗磁場(chǎng)干擾能力差。其優(yōu)點(diǎn)是和其他設(shè)備連接簡(jiǎn)單，工程成本低。而平衡式的傳送方式，由于其在傳送過(guò)程中，兩條線(xiàn)路會(huì)同時(shí)受到相近的外部的干擾，變化相同，具有共模抑制的優(yōu)點(diǎn)，因此更加抗干擾，不易受外界因素如交流聲、其他串音、電器設(shè)備噪聲等的干擾。對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)也有較強(qiáng)的抗干擾性。

1.2 平衡轉(zhuǎn)換器

由于信號(hào)采用平衡傳輸?shù)姆绞骄哂休^強(qiáng)的抗干擾性，因此在電子通信領(lǐng)域的很多場(chǎng)合，都被廣泛采用。而實(shí)際應(yīng)用中的很多信號(hào)源或通信傳輸單元都是不平衡的信號(hào)或系統(tǒng)，這樣，就必須使用平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)單元間的連接，即所謂的平衡轉(zhuǎn)換器。

在發(fā)射臺(tái)的傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)信號(hào)源單元輸出的信號(hào)一般為單邊的不平衡信號(hào)，而信號(hào)傳輸發(fā)射的天饋線(xiàn)系統(tǒng)需要的是平衡信號(hào)，因此需要使用射頻信號(hào)平衡轉(zhuǎn)換器，將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庑盘?hào)。另外，還需實(shí)現(xiàn)發(fā)射單元的輸出阻抗與天線(xiàn)輸入端的阻抗匹配，因?yàn)檫@兩者如果不匹配，則將產(chǎn)生駐波（輸出信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去而返回到了發(fā)射單元），影響發(fā)射機(jī)輸出功率，嚴(yán)重失配時(shí)甚至可能損壞發(fā)射單元設(shè)備。因此，平衡轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)作用，阻抗變換和非平衡-平衡轉(zhuǎn)換。

平衡轉(zhuǎn)換器的作用除了平衡-不平衡變換之外，同時(shí)還視其形式、結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行1：1、4：1、6：1、9：1、25：1等比值的阻抗轉(zhuǎn)換。按天線(xiàn)理論，偶極天線(xiàn)屬平衡型天線(xiàn)，而發(fā)射機(jī)輸出的同軸饋管屬不平衡傳輸，若將其直接連接，則同軸饋管的外層就有高頻電流流過(guò)（按同軸電纜傳輸原理，高頻電流應(yīng)在電纜內(nèi)部流動(dòng)，外皮是屏蔽層，是沒(méi)有電流的），這樣一來(lái)，就會(huì)影響到天線(xiàn)的輻射 （可以想象成電纜的屏蔽層也參與了電波的輻射）。因此，就要在天線(xiàn)和同軸饋管之間加入平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，把流入電纜屏蔽層外部的電流扼制掉，也就是說(shuō)把從振子流過(guò)電纜屏蔽層外皮的高頻電流截?cái)唷?/p>

要達(dá)到這樣的目的，有多種辦法：一種是高頻開(kāi)路法，即在電纜屏蔽層外皮1/4波長(zhǎng)處外接一根1/4波長(zhǎng)的套筒（等效于1/4波長(zhǎng)的開(kāi)路線(xiàn)），因1/4波長(zhǎng)開(kāi)路線(xiàn)對(duì)于該頻率視為開(kāi)路，就達(dá)到截?cái)喔哳l電流的作用。這種辦法對(duì)工作帶寬窄、頻率低時(shí)，1/4波長(zhǎng)套筒就顯得很長(zhǎng)，較適合大功率高頻率使用。

另一種是抵消法，想辦法使流入的電流大小相等方向相反而互相抵消，應(yīng)用較多的用磁環(huán)三線(xiàn)繞的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器就屬這種，這種頻帶較寬，但使用在大功率時(shí)受磁環(huán)磁飽和的限制，適合低頻率小功率使用。

再一種是變壓器法，通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換，原理就像推挽輸出變壓器一樣，把雙向平衡電流變換成單向不平衡電流。變壓器可采用磁芯或空芯繞成，適用大功率使用。

還有一種是抑制法，振子經(jīng)過(guò)一高頻扼流圈接電纜屏蔽層外皮，以阻止高頻電流流向電纜屏蔽層外皮，此法比較簡(jiǎn)單，就是把電纜繞十圈左右，繞在磁環(huán)上更好，空心也沒(méi)關(guān)系，一般是頻率低多繞幾圈，頻率高少繞幾圈。

2 大功率短波發(fā)射機(jī)平衡轉(zhuǎn)換器

大功率短波廣播發(fā)射機(jī)，其核心的功率放大器件為四極真空電子管，功率放大器輸出的射頻信號(hào)是單邊的不平衡信號(hào)，而發(fā)射臺(tái)的饋線(xiàn)傳輸系統(tǒng)為平衡系統(tǒng)，因此需實(shí)現(xiàn)信號(hào)的平衡轉(zhuǎn)換以及兩個(gè)單元的阻抗匹配。這里涉及到兩個(gè)部分的轉(zhuǎn)換，一是平衡與不平衡之間的轉(zhuǎn)換，二是阻抗的變換，故此，將這類(lèi)變換器稱(chēng)之為阻抗-平衡轉(zhuǎn)換器更確切一些。

工程實(shí)際應(yīng)用的平衡-阻抗轉(zhuǎn)換器可以有多種結(jié)構(gòu)形式，在中小功率時(shí)，常用寬帶變壓器，它可以將75Ω或50Ω的單端阻抗通過(guò)寬帶變壓器，一次轉(zhuǎn)換成300Ω或600Ω的平衡阻抗，其功率等級(jí)一般在30kW以下，由于是寬帶的，就沒(méi)有調(diào)配元件，其尺寸比較緊湊，但是耐受由天饋線(xiàn)系統(tǒng)在特殊情況下引入的高電壓、大電流的能力較差。同時(shí)，由于器材原因，限制了其使用的功率。目前，常用的大功率的平衡-阻抗變換器通常采用傳輸線(xiàn)變換的方式，由于工作頻率在短波段，因此尺寸比較龐大。這類(lèi)阻抗變換器又分為兩種：一種是室內(nèi)型，全部在方形同軸饋筒中進(jìn)行變換，通過(guò)適當(dāng)互聯(lián)和調(diào)配，入口處的50Ω或75Ω的單端阻抗在出口處就變成了雙端平衡的300Ω或200Ω的阻抗，這類(lèi)阻抗變換器尺寸長(zhǎng)度通常在6～7m左右，其尺寸主要取決于低端的工作頻率；傳輸線(xiàn)式阻抗變換器的另一種形式稱(chēng)之為場(chǎng)地型，它可以代替一段幾十米的饋線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗和平衡的轉(zhuǎn)換。場(chǎng)地型指數(shù)線(xiàn)由于占用了饋線(xiàn)的長(zhǎng)度，因此適于在平地使用，由于沒(méi)有可變的調(diào)配元件，使用要方便一些，但是由于它工作在戶(hù)外，所以要注意經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行必要的維護(hù)，以提高其工作的可靠性。

2.1 功能

本文以50kW短波廣播發(fā)射機(jī)的室內(nèi)方形同軸饋筒型平衡-阻抗轉(zhuǎn)換器為例，其平衡轉(zhuǎn)換器的功能是將發(fā)射機(jī)75Ω同軸饋管輸出轉(zhuǎn)換成300Ω平行對(duì)稱(chēng)雙線(xiàn)輸出。它一是完成75Ω到300Ω阻抗變換，另一方面起到不平衡到平衡的變換作用。

2.2 技術(shù)參數(shù)

工作頻帶： 3.9MHz-22MHz

阻抗變換： 75Ω不平衡變?yōu)?00Ω平衡

輸入： 75Ω同軸線(xiàn)，外導(dǎo)體內(nèi)徑Φ150

輸出： 300Ω平行雙線(xiàn)

駐波比：小于1.2（負(fù)載300Ω時(shí)）

2.3 工作原理

大功率短波廣播發(fā)射機(jī)平衡轉(zhuǎn)換器有幾種形式，這里我們采用的是75Ω轉(zhuǎn)為300Ω、變比為4：1，工作原理如圖1所示。

從圖1可見(jiàn)，由75Ω同軸線(xiàn)一分為二，兩個(gè)并聯(lián)分支的阻抗各為150Ω，然后將其中一條分支線(xiàn)的內(nèi)外導(dǎo)體反接，這樣兩個(gè)分支線(xiàn)的輸出端內(nèi)導(dǎo)體的極性是相反的，從一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體到外導(dǎo)體再到另一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體形成串聯(lián)，因此這兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)體引出來(lái)就形成300Ω的對(duì)稱(chēng)平衡雙線(xiàn)。由于其中一條支路的內(nèi)外導(dǎo)體反接引起不平衡饋電，其外導(dǎo)體的外界會(huì)引起功率傳輸和輻射，為了避免這一現(xiàn)象，將這個(gè)支路用鋁板包起來(lái)形成一段短路饋線(xiàn)，其橫截面為外矩內(nèi)園的同軸線(xiàn)。如圖2所示。

這條短路線(xiàn)的長(zhǎng)度小于傳輸信號(hào)的1/4波長(zhǎng)，因此呈感性，為了消除其影響并按適當(dāng)?shù)碾娙菪纬刹⒙?lián)諧振，從而實(shí)現(xiàn)不平衡到平衡的阻抗變換。

2.4 設(shè)計(jì)計(jì)算

平衡轉(zhuǎn)換器的等效原理圖如圖3所示。

根據(jù)微波傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)手冊(cè)，若特征阻抗約為100Ω，查得：

經(jīng)計(jì)算，頻率與射頻諧振回路中電容量、電感量的關(guān)系如表1所示：

選用兩個(gè)20-1500pf/7.5kw陶瓷可變真空電容器，要使輸出的平行對(duì)稱(chēng)線(xiàn)的出口處相位相反，則要求兩根饋管的有效長(zhǎng)度相等，但由于結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上有差異，需要通過(guò)可變補(bǔ)償電容器來(lái)補(bǔ)償。補(bǔ)償電容的電容量控制，在發(fā)射機(jī)調(diào)試和天線(xiàn)調(diào)配時(shí)，將對(duì)應(yīng)各個(gè)頻段的補(bǔ)償電容量調(diào)試到最佳量，在實(shí)際使用時(shí)通過(guò)發(fā)射機(jī)的自動(dòng)調(diào)諧裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)整。

3 結(jié)束語(yǔ)

大功率短波發(fā)射機(jī)使用平衡轉(zhuǎn)換器，既完成了發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換，同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)與天饋線(xiàn)的阻抗匹配。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)也有較強(qiáng)的抗干擾性，而且在實(shí)際的工程實(shí)踐中易于維護(hù)，因此在短波發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的使用。

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[責(zé)任編輯：湯靜]