中波廣播天調網絡設計與實踐

申連雄，張 斐

(榆林廣播轉播臺，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著數字信息化技術的進步，中波廣播發射機正朝著高效率、高質量、高穩定、數字化、固態化、自動化的方向發展。天線匹配網絡是連接發射機與天線的橋梁，它不僅具有連通作用，還具有濾波、阻抗匹配、防雷等功能。

當發射機輸出阻抗與天線阻抗不匹配時，發射機的輸出功率不能全部輸送到天線上，如果輸出功率減少、反射功率增大，就會產生駐波，導致信號失真，電聲指標下降，不能滿足發射機發射要求，嚴重時還可能出現線圈打火燒壞設備等問題。基于這種情況，通常給發射機設計一個嚴密的保護機制，當反射功率大于1.35時，發射機停止輸出功率進行自動關機保護。發射機能否穩定、可靠地工作，同時能實現傳輸功率最大化，在很大程度上受到天調匹配網絡的影響。因此，天調網絡是否工作在最佳匹配狀態就顯得尤為重要[1]。

1 中波廣播天調網絡結構組成

1.1 預調網絡

預調阻抗網絡的主要原理是在整個天線底部增加由多個串聯或并聯的集中電阻阻抗加載元件所連接組成的預調網絡，其實質上就是在整個天線底部進行天線電抗加載，以便于減小天線因工作頻率降低導致天線底部阻抗變化造成的影響。采用新型預調天線網絡后，天調天線網絡的可用帶寬范圍能夠得到極大的擴展，使相匹配預調網絡的系統設計和網絡調試更加容易[2]。

1.2 匹配網絡

中波發射機輸出阻抗一般為50 Ω、75 Ω或230 Ω的純電阻阻抗，再通過相應阻抗的饋線連接到天調室。天線則是隨高度和邊框、頻率等參數變化的復數阻抗。它們之間需要設計一個匹配網絡，使天線實部電阻和饋線阻抗相等，并抵消天線復數阻抗中的虛部電抗，完成天線阻抗和饋線特性阻抗的匹配[3]。

匹配網絡天線需要同時解決兩個基本問題：一是如何使匹配天線的實部特性電阻值等于匹配饋線的特性阻抗值，二是饋線如何抵消匹配天線的虛部特性電抗。要想解決以上兩個問題，必須通過電抗元件L和C組成各種形式的匹配網絡連接到天線，使天線阻抗和發射機饋線阻抗匹配。4種匹配網絡原理如圖1所示。正Γ形與倒Γ形網絡比較簡單，只有兩個元件。從理論上講，Γ形網絡可以將任意阻抗匹配到所需阻抗上。為了保證調配網絡具有合適的濾波度，回路品質因數Q通常要求在2～6。T形匹配網絡由3個元件組成，把并聯臂的電感或電容看成兩個電感或電容的并聯，那么T形網絡就可看成一個正Γ形和倒Γ形網絡的串聯。Π形網絡由3個元件組成，把串聯臂的電感或電容看成兩個電感或電容的串聯，那么Π形網絡就可看成一個倒Γ和正Γ網絡的串聯。

圖1 4種匹配網絡原理

1.3 阻塞網絡

新建中波臺土地利用資源有限，為了充分利用有限的土地資源，往往一副共塔天線需要同時發射多個不同頻率的中波信號，大大減少了土地成本。為了干擾匹配抑制網絡達到理想的運行狀態，只能考慮采取雙頻共塔或多頻共塔的匹配方式。但是，不同頻率之間的干擾特別嚴重，特別是共塔頻率會存在嚴重的高頻倒送干擾，為了消除共塔頻率的干擾影響，就需要增加一個或者多個干擾抑制匹配網絡——阻塞網絡，最大限度地減小共塔頻率對本頻的影響[4]。

1.4 吸收網絡

吸收網絡雖然可以有效阻止其他共塔網絡頻率對本平臺頻率的干擾，但是無法對本臺其他頻率網絡進行更好的干擾。如果直接增加阻塞網絡，就會使整個網絡結構非常臃腫，大大增加了整個網絡結構設計的難度和成本。由于其他中波天線單塔發射干擾頻率和共塔發射頻率相對干擾不是很大，可以采取被動吸收網絡的方法對其進行消除，依據不同干擾的強度，選擇采取不同的吸收方式對其進行干擾吸收[5]。

1.5 避雷系統

中波發射臺的發射天線高度基本在70 m以上，在當地城市中也算是較高的建筑，天線作為中波廣播發射體很容易受到雷電干擾，遭受雷擊的概率相當高，特別是建在雷電頻發區和高發區的中波天線，經常出現雷電損壞發射機元部件和匹配網絡的情況。為了保證中波發射系統能夠安全運行，可以在天調匹配網絡中加裝防雷配置。3種防雷網絡原理如圖2所示。

圖2 3種防雷網絡原理

1.6 補償網絡

根據調查，有些中波臺天線過低，天線的實部較小、虛部較大，因此，回路品質因數Q值也較大，用常規的T形、Π形、正Г形和倒Г形網絡調試出來的匹配網絡帶寬過窄，無法實現中波廣播需要的正負9 kHz的頻率間隔。在這種情況下，中波發射臺可以使用補償網絡適當增加帶寬，一般情況下是在主頻率上下100 kHz范圍內加1個補償網絡，通過增加補償網絡減小虛部，使Q值減小，從而增加帶寬。

2 天線匹配網絡的設計

設計饋線與天線之間的天調網絡是一項復雜的工作，所以將它調試在合適的工作狀態更需要細致與耐心[6]，這樣才能使發射機最大限度地將高頻功率通過天線輸送出去。

2.1 單頻單天線天調網絡

單頻單天線的天調網絡通常采用正Г形和倒Г形兩種基本形式的L、C電路。本研究將天線阻抗和天調網絡一起看作1個無源二端網絡，當其等效阻抗等于饋線特性阻抗時，天線和饋線就匹配了。

Г形匹配網絡是最簡單和最常用的匹配網絡之一，具有結構簡單、成本低、容易達到天線實部電阻Ra調配和抵消虛部電抗等優點，但不能同時滿足對Q值的要求，適合用于單頻單塔匹配網絡。當天線實部阻抗RaZ0時選用倒Г形匹配網絡。

通常調配網絡的串聯臂為正值(感性)，并聯臂取負值(容性)，這樣做是為了增強諧波濾波作用。天線的阻抗值與天調網絡中的電抗原件都是一個隨頻率變化的函數。調配網絡對載頻無反射，但在邊帶頻率上存在一定的損耗和反射，它們直接影響著發射機的指標。當反射過大時，發射機甚至會自動保護無法工作。

因為所有的天調網絡元器件都是電抗元件，電抗元件值和天線阻抗值都是頻率的函數，對載頻而言又無反射匹配，在邊帶頻率上存在一定的損耗和反射，所以直接影響發射機的電聲指標，影響特別嚴重時，導致中波發射機有時不能正常工作。故近年來對全固態機的天調網絡設計、調整，必須考慮在整個工作寬帶內天饋線系統都能有符合要求的匹配。

2.2 多頻共用天線網絡

在實際工作中，大多數發射臺不只是單機單塔工作，有許多是在二機共塔或多頻率干擾環境下工作，故在天調網絡設計中還必須考慮合理的抗干擾措施。

共用天線裝置就是在天線與廣播發射機的匹配網絡之間加入一個能阻止另一套節目串入的阻塞網絡，通常是由一對電感、電容組成的并聯諧振電路。

只要兩臺發射機的工作頻率不是靠得太近，通過選擇合適的并聯諧振電路元件值，即可使串入本發射機的功率保持在足夠的電平上。并聯諧振電路需要多少功率才能阻止另一頻率的電波滲入，這由廣播發射機的種類、頻率差等條件決定。若阻塞阻抗對載波在10 kΩ以上，對邊帶波在5 kΩ以上，從經驗看，不會出現另一電波泄露引起的特性變壞和交叉調制等問題。

在中波發射臺中，建臺較早的天線高度都比較低，在中波段較低頻率工作時，天線低于0.2λ，這時天線的實部電阻Ra很小，虛部電抗±jXa較大，天線的回路品質因數Q值較高。當天線的頻率發生變化時，引起虛部電抗±jΔXa變化大，而實部電阻Ra變化小，使Q值增加，更容易造成邊帶頻率特性不好。所以，當多頻共塔或天線高度過低、實部阻抗Ra較小，正Г形或倒Г形網絡不能滿足發射機的技術指標時，就要用T形或Π形網絡，并選擇匹配網絡的Q值，以保證調配網絡有良好的邊帶特性。T形和Π形網絡的回路品質因數Q值一般選在2～6。當天線虛部電抗Xa≥2Ra時，選用Π型網絡；當Ra·(1+Q)≥5時，選用T形網絡。

在實際網絡設計中，人們大多采用T形阻抗匹配網絡，因為它有3個優點：一是阻抗匹配范圍寬；二是調整簡單，只需要調整負載端及輸入端串聯的電感值；三是并聯臂使用固定電容，耐壓高、成本低[7]。

2.3 雙頻共塔網絡設計實例應用

某臺現有工作頻率693 kHz、855 kHz、1 143 kHz和1 359 kHz都是10 kW，2014年新建臺時為了降低工程造價和節約土地資源，建有兩副高76 m自立式天線，只有693 kHz和1 359 kHz、855 kHz和1 143 kHz分別共塔。利用雙頻共塔網絡設計最新理念，實現4個頻率在兩副天線上安全播出。以載波頻率為693 kHz與1 359 kHz共塔網絡設計為例，兩頻率輸出饋線的特性阻抗均為50 Ω，用網絡分析儀測出天線對于693 kHz、1 359 kHz及其±10 kHz的天線阻抗。

(1)

(1)693 kHz頻率，假設S1=2,根據T形網絡中的計算公式

(2)

(3)

(4)

(2)1 359 kHz頻率，假設S1=2，根據T形網絡中的計算公式同理所得：

S2=1.14,X1=S1W=100,X2=S2Ra=122，XP=79.6

C=1472Pf，L1=12uH,L2=14uH

(4)

為了能實現以上功能，設計的理念是：采用雙頻共塔網絡，在有限的天線場區范圍內，通過設計相對簡潔的天調網絡，在滿足設計規范和要求的前提下，反復優化系統配置與天線的布置，力求解決中波發射天線間、共塔頻率間的相互干擾與調配網絡帶寬化的問題，實現它們之間的相互干擾最小化[8]，確保信號安全高效傳輸。

結合上述計算結果及某臺現有工作頻率對雙頻共塔的影響，設計的主要思路是：采用補償網絡來提高工作頻率抗干擾能力；在串聯阻塞網絡采用符合阻塞網絡，使其串臂諧振在工作頻率上，然后再和電感(或電容)并聯諧振需要阻塞的干擾頻率上；并聯吸收網絡吸收頻率可以設置在干擾頻率的邊頻上，以減少對工作頻率的衰減，吸收網絡再和電感(或電容)并聯諧振在工作頻率上，再次對工作頻率進行補償，從而解決鄰頻干擾，再通過加上阻塞網絡和泄漏網絡，設計網絡如圖3所示。

圖3 某臺雙頻共塔設計

3 結語

某臺設計的693 kHz、1 359 kHz天調網絡，不僅滿足了在復雜電磁場環境下多部發射機同時滿功率、滿調制度播出的要求，也為將來數字化的發展做好了準備。本文天調網絡設計的思路和方法為中波調配網絡的設計提供了新的設計思想，用簡潔而精確的設計方法實現了天調網絡易調試、好維護的目標，可供參考。