中波48米小天線雙頻共塔的預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

（廣西廣播電視技術(shù)中心南寧分中心）

一、引言

隨著土地資源的日益緊張，中波天線已朝著小型化方向發(fā)展。如圖1所示，廣西101臺(tái)在639kHz和1305kHz的雙頻共塔發(fā)射中使用了48米中波小天線，該天線具有占地面積小，抗風(fēng)能力強(qiáng)，天線輻射效果好等優(yōu)點(diǎn)。但由于天線小型化，天線的電氣長(zhǎng)度和有效高度都遠(yuǎn)小于工作頻率的波長(zhǎng)λ，這就造成了天線的輸入阻抗呈現(xiàn)實(shí)部過小、虛部過大。頻率越低實(shí)部越小，如1305kHz的天線輸入阻抗實(shí)部有55.7Ω，639kHz的天線輸入阻抗實(shí)部?jī)H有13.1Ω，阻抗實(shí)部過小會(huì)在阻塞網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生較大的視在功率，影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。廣西雷電頻繁，對(duì)天線的防雷性能要求較高。因此本文介紹在使用中波小天線進(jìn)行雙頻共塔發(fā)射時(shí)，如何設(shè)計(jì)預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)解決天線防雷和低頻阻抗實(shí)部過小造成阻塞網(wǎng)絡(luò)視在功率過大的問題。

二、預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

（一） 預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的電路組成

如圖2所示，中波小天線的預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)主要由并聯(lián)的電感L1和串聯(lián)的電感L2組成，兩者連接成Γ形結(jié)構(gòu)。其中L1具有防雷作用，并與L2共同作用改變天線的輸入阻抗：L1能同時(shí)改變天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部，L2只能改變天線輸入阻抗的虛部（串聯(lián)臂選擇電感的原因下文介紹）。

（二）預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的作用

中波小天線的預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)主要三個(gè)作用：天線防雷、減小阻塞網(wǎng)絡(luò)的視在功率、優(yōu)化天線輸入阻抗的虛實(shí)比。

1.天線防雷

圖1

圖2

48米中波小天線自帶的防雷措施是天線底部的金屬放電球：天線體對(duì)地絕緣，兩個(gè)放電球間隔1cm，天線體上的金屬放電球通過尖端放電將雷電傳導(dǎo)到與地線相連的另一個(gè)金屬放電球上，雷電順著地線被泄放到大地達(dá)到防雷目的。

但廣西雷雨天氣較多，雷電頻繁，單靠金屬放電球無法將天線上的雷電泄放完全。考慮到雷電的能量主要集中在直流和低頻[1]，因此在預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)為天線并聯(lián)一個(gè)微亨級(jí)的電感L1（如圖1所示），讓雷電的直流分量和低頻分量能順著電感直接導(dǎo)入大地，達(dá)到二次防雷的目的。并聯(lián)的電感L1會(huì)對(duì)天線的輸入阻抗產(chǎn)生影響，因此取多大的電感要用史密斯圓圖進(jìn)行精確計(jì)算。

2.減小阻塞網(wǎng)絡(luò)的視在功率

如圖2所示，在雙頻共塔的支路上，并聯(lián)諧振電路用作阻塞網(wǎng)絡(luò)。ω是本頻的角頻率，P（單位kW）是本頻的發(fā)射功率；ω0是阻頻的角頻率，P0（單位kW）是阻頻的發(fā)射功率。t是中間量，α是頻率因子，L（單位uH）是阻塞網(wǎng)絡(luò)的電感值，R是本頻在分支點(diǎn)的阻抗實(shí)部，R0是阻頻在分支點(diǎn)的阻抗實(shí)部。由公式1、公式2、公式3可以計(jì)算出該支路上阻塞網(wǎng)絡(luò)的視在功率W0(單位Var)。

預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)能改變只有R和R0的值，因此對(duì)預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)來說其他量都是常量，可以看出W0與R成反比、與R0成正比。若要兩條支路上的阻塞網(wǎng)絡(luò)的視在功率不出現(xiàn)一個(gè)過大的情況，最佳方案就是通過預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)將R和R0調(diào)整到相近大小，最好都能在50Ω附近。

3.優(yōu)化輸入阻抗的虛實(shí)比

639kHz的天線輸入阻抗虛實(shí)比過大，通過并聯(lián)電感L1能有效提高它的實(shí)部，但虛部的絕對(duì)值會(huì)跟著變大，因此需要再串聯(lián)電感L2對(duì)其虛部進(jìn)行補(bǔ)償，降低阻抗的虛實(shí)比，減少對(duì)帶寬的影響。

三、中波預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)計(jì)算

（一）介紹Smith圓圖

如圖3所示，Smith圓圖能在圓圖范圍內(nèi)表示任何阻抗值，中波網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換就是通過移動(dòng)圓圖上頻點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)的。看圖時(shí)遵循“上感下容中純阻”，操作時(shí)遵循“左并右串走時(shí)針”。

上感下容中純阻。Smith圓圖整體是一個(gè)圓，分上下兩個(gè)半圓，位于上半圓內(nèi)的頻點(diǎn)呈感性；位于下半圓內(nèi)的頻點(diǎn)呈容性。如果頻點(diǎn)位于分割線上，則虛部為零，呈純阻性，圓心位置表示50Ω純電阻。從左往右看圓圖，電阻值（實(shí)部）從0增大到無窮大。

左并右串走時(shí)針。Smith圓圖主要由在右側(cè)相切的等電阻圓族和在左側(cè)相切的等電導(dǎo)圓族組成。兩個(gè)圓族的軌跡都是完整的圓，同個(gè)等電阻圓上頻點(diǎn)的電阻值（實(shí)部）相等，同個(gè)等電導(dǎo)圓上頻點(diǎn)的電導(dǎo)值相等。通過串聯(lián)、并聯(lián)電感或電容，能夠?qū)A圖上的頻點(diǎn)移動(dòng)到圓圖的任何位置：當(dāng)串聯(lián)并不斷增大電感時(shí)，頻點(diǎn)沿著同個(gè)等電阻圓順時(shí)針移動(dòng)；當(dāng)串聯(lián)并不斷增大電容時(shí)，頻點(diǎn)沿著同個(gè)等電阻圓逆時(shí)針移動(dòng)。當(dāng)并聯(lián)并不斷增大電感時(shí)，頻點(diǎn)沿著同個(gè)等電導(dǎo)圓逆時(shí)針移動(dòng)；當(dāng)并聯(lián)并不斷增大電容時(shí)，頻點(diǎn)沿著同個(gè)等電導(dǎo)圓順時(shí)針移動(dòng)。

相切于右側(cè)的不完整圓族是等電抗圓族，同個(gè)圓上頻點(diǎn)的電抗值（虛部）相等。等電抗圓族主要用于查看虛部。

圖3

（二）利用Smith圓圖軟件進(jìn)行預(yù)調(diào)設(shè)計(jì)

本文使用Smith圓圖軟件V4.1版本進(jìn)行預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算，包括定頻點(diǎn)、調(diào)整L1值、調(diào)整L2值三個(gè)步驟。

1.定頻點(diǎn)

經(jīng)實(shí)際測(cè)量，天線對(duì)頻點(diǎn)639kHz和頻點(diǎn)1305kHz的輸入阻抗分別是Z639=13.1-j120.5；Z1305=55.7+j24。

如圖4所示，點(diǎn)擊軟件的Keyboard按鈕，在彈出的對(duì)話框中輸入頻率、實(shí)部和虛部三個(gè)信息，點(diǎn)擊確認(rèn)，將兩個(gè)頻點(diǎn)錄入軟件。圖中的DP1是頻點(diǎn)639kHz的初始位置， DP2是頻點(diǎn)1305kHz的初始位置。

圖4

本次預(yù)調(diào)的目的是為了提高頻點(diǎn)639kHz阻抗的實(shí)部，而預(yù)調(diào)會(huì)同時(shí)改變兩個(gè)頻點(diǎn)的阻抗，因此在做下步操作前勾選好DP1，以頻點(diǎn)639kHz作為主調(diào)。

2.調(diào)整并聯(lián)電感L1的值

如圖5所示，點(diǎn)擊工具欄右上方的“并聯(lián)電感”圖標(biāo)，右上方的Schematic窗口會(huì)顯示電路中并聯(lián)了一個(gè)電感（方向是從天線端看向發(fā)射端）。并聯(lián)電感L1后，隨著電感量的增大，頻點(diǎn)639kHz可以從初位DP1沿著所在的等電導(dǎo)圓逆時(shí)針方向移動(dòng)，實(shí)部和虛部不斷增大，從Schematic窗口中可以實(shí)時(shí)查看并聯(lián)電感的電感值。對(duì)頻點(diǎn)1305kHz來說，它也會(huì)從初位DP2沿著所在的等電導(dǎo)圓逆時(shí)針方向移動(dòng)，因?yàn)轭l點(diǎn)1305kHz移動(dòng)時(shí)會(huì)越來越靠近圓圖的左側(cè)，所以實(shí)部會(huì)不斷減小。

當(dāng)頻點(diǎn)639kHz移動(dòng)到合適位置的時(shí)候，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵完成定點(diǎn)，頻點(diǎn)639kHz移動(dòng)到了SP1位置，右側(cè)Datapoints窗口中顯示的SP1的阻抗就是頻點(diǎn)639kHz的當(dāng)前阻抗。然后點(diǎn)擊工具欄上的Sweep按鈕，在彈出的對(duì)話框中直接點(diǎn)“OK”按鈕，就可以在圓圖上看到頻點(diǎn)1305kHz移動(dòng)到了SP2位置，Datapoints窗口中顯示SP2的阻抗就是頻點(diǎn)1305kHz的當(dāng)前的阻抗。如果需要重新調(diào)整L1值，只需要點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵取消，再次操作即可。

經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，當(dāng)L1取105.1uH的時(shí)候，Z639=25.6-j167.5；Z1305=52.5+j26.6。 頻 點(diǎn) 639kHz阻抗的實(shí)部從13.1增大到了25.6，虛部的絕對(duì)值從120.5增大到了167.5。頻點(diǎn)1305kHz的阻抗變化不大。

3.調(diào)整串聯(lián)電感L2的值

如圖6所示，增大頻點(diǎn)639kHz的實(shí)部后，其虛部的絕對(duì)值也被放大了很多，要減小虛部的絕對(duì)值，就得讓頻點(diǎn)639kHz沿著等阻抗圓順時(shí)針移動(dòng)。點(diǎn)擊工具欄上的“串聯(lián)電感”圖標(biāo)，右上方的Schematic窗口會(huì)顯示電路中又串聯(lián)了一個(gè)電感并顯示當(dāng)前的電感值，移動(dòng)頻點(diǎn)639kHz到合適位置，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵完成定點(diǎn)，在Datapoints窗口查看頻點(diǎn)639kHz的阻抗。之后利用Sweep功能查看1305kHz的阻抗。

圖5

圖6

經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，當(dāng)L2取值為4.6uH時(shí)，Z639=25.6-j149，Z1305=52.5+j64.5。此時(shí) 639kHz的阻抗虛部有效減小，頻點(diǎn)1305kHz的阻抗達(dá)到了最佳狀態(tài)。

四、總結(jié)

為中波48米小天線設(shè)計(jì)預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，利用微亨級(jí)電感接地可以提高天線的防雷效果，通過Γ形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗變換，增大低頻阻抗的實(shí)部、減小虛部，有效減小阻塞網(wǎng)絡(luò)上的視在功率。設(shè)計(jì)過程中充分利用Smith圓圖軟件進(jìn)行精細(xì)化的參數(shù)計(jì)算，這樣可便捷、科學(xué)地做出適合中波小天線的預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。