中波發射臺多頻共塔匹配網絡設計
2023-04-29 00:00:00黃春偉
無線互聯科技 2023年10期
摘要：目前中波臺站建設過程中所使用的發射塔占地面積大，建設費用高。為了降低中波發射臺新建臺站的投資成本，則可考慮選用多頻共塔的發射方式。文章主要介紹了中波多頻共塔匹配網絡的設計原則及注意事項，包括整個中波匹配網絡系統的各構成部分介紹以及各個組成部分所對應的細節處理等方面，以盡可能地發揮中波發射天線的優勢，提高天線的發射效率。
關鍵詞：多頻共塔；中波天線；阻塞網絡；匹配網絡
中圖分類號：TN934
文獻標志碼：A
0 引言
一直以來，中波廣播發射系統多以高大鐵塔為主，采用一頻一塔的垂直天線來發射信號。近年來，我國廣播事業飛速發展，國內中波臺站建立的中小功率轉播發射臺，采用一個多頻共塔的發射方式逐漸取代單頻單塔的發射方式。
中波臺站多是采用塔高70多m，有的甚至達150 m且占地30多畝的桅桿天線。新建架設一副天線包括所需地價在內，費用高達數百萬元。采用一頻一塔的方式不僅要占用大面積的土地資源，而且會消耗大量的財力和物力。為了解決上述矛盾，設計人員在設計圖初期可考慮采用多頻共塔的方案。
1 多頻共塔的必要性
目前，新建的中波廣播發射臺站多采用雙頻共塔、多頻共塔的發射方式，即發射臺多部不同頻率的發射機在同個時間段內上高壓運行時，共用同一發射塔。多頻共塔，雖節約了不少資源，但要其安全工作也是存在條件限制的。若要采用多頻共塔的發射方式，則需滿足以下兩個要求：一是多個發射頻率要間隔100 kHz以上；二是每兩個共塔頻率之比不小于1.25［1］。只有遵循以上設計原則，建設制造、機器使用和后期維護工作才能得心應手。
近年來，新建的中波臺站多數都面臨土地資源緊缺和建設資金受限等問題，因此，多頻甚至三頻共塔的方式得到推廣和應用。若想讓多臺發射機共用一個發射塔（即共用同一個天線），同時保證信號能夠穩定發射，就需要設計一套完整的匹配網絡。在饋線和發射鐵塔之間設置匹配網絡原因如下：在天饋線系統設計時，只有天線與饋線最大限度地相互匹配，才能保證發射機輸出的高頻能量在饋線上傳輸的有效性，從而實現高頻能量以最大功率在天線上發射。但在實際應用中，天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗兩者并不相等，只有通過匹配網絡，讓饋線與天線阻抗相匹配，才能使傳輸效率達到最高。
2 多頻共塔匹配網絡設計原則
中波廣播發射機對匹配網絡設計要求較高。一方面是受到場地空間的限制，發射天線與天線之間的距離較近，不同發射機之間的頻率間隔比較小；另一方面是其他天線串入鄰近頻率的干擾電壓比較大［2］，從而出現高頻倒送現象，繼而導致發射機工作狀態不穩定，甚至燒毀高頻功放電路板。因此，天調匹配網絡的合理設計是安全播出的關鍵因素之一。多頻共塔匹配網絡的設計原則如下。
2.1 阻抗相匹配
多頻共塔匹配網絡和饋線天線要相互匹配，確保具有良好的通帶特性，同時要確保本塔發射的頻率盡量降低或讓其不受其他頻率的影響。
2.2 器件簡化設計
以確保匹配網絡長期穩定工作為前提，盡可能減少器件數量，減少損耗，方便安裝和后期調試。
2.3 多頻共塔時各頻點保持一定比例距離
多頻共塔的多個頻率之間相互的比值要高于1.25。在設計方案時，雖然理論上不低于1.1則可以實現匹配，但在實際調試過程中受到多個方面因素的影響，幾乎是無法實現的，特別是阻塞網絡的設計，兩個頻率在相互阻塞的過程中會增加視在功率，插入損耗增大，網絡性能變差，以上多個方面會導致發射機工作狀態不穩定。
2.4 綜合評估所使用器件電氣參數的冗余量
在設計匹配網絡時，在條件允許的情況下選用電氣特性好、耐壓高的器件［3］，原因是天線匹配網絡工作頻率高，通帶功率大，防雷電能量性能差。另外，為了提高電容的耐壓和功率要求，在設計的時候可以采用多只電容串聯后再并聯的方式，減少電容發熱量，延長電容的使用壽命。
2.5 復合諧振阻塞網絡
在設計阻塞網絡時，理論上應該讓阻塞頻率的阻抗趨向于無窮大，但在實踐過程中是無法做到的，出現主頻損耗在所難免。當出現阻塞頻率和主頻率很接近的情況時，則需要采用復合諧振阻塞網絡［4］。
2.6 增加吸收網絡
在理論設計階段，若出現本臺其他頻率與主頻率接近，或者兩者之間的頻差小于300 kHz時，則需要增加吸收網絡。吸收回路的串接方案：一是并聯諧振串電感，其使用條件是主頻率小于干擾頻率；二是并聯諧振串電容，其使用條件是主頻率大于干擾頻率。
3 多頻共塔匹配網絡各單元的組成設計
饋線與天線之間的阻抗匹配，需要通過多頻共塔匹配網絡來實現。當兩者最大限度地匹配以后，發射塔天線便具有最大的不失真高頻功率，該功率會最大限度地把發射機的能量輻射到整個覆蓋范圍。同時，饋線與天線之間的阻抗匹配還具備3個作用，分別是抑制射頻倒送、吸收外來頻率干擾、防止雷電竄擾。多頻共塔基本型匹配網絡主要由以下各網絡組成：預調網絡、阻抗匹配網絡、移相網絡、阻塞網絡、吸收網絡和防雷裝置。
3.1 預調網絡
在同一個發射天線中發射多個頻率信號，參數值差別較大，時常會出現某個頻率輸入阻抗偏低的情況，即該頻率在與其他頻率饋點匹配時容易出現不匹配的情況。因此，為了解決不匹配的情況，則需要在鐵塔發射天線底部加上預調網絡。
多頻共塔時，預調網絡能夠使同塔的多個頻率在饋點上的阻抗匹配得到平衡，同時能夠降低共塔的多個頻率之間的設計難度，減少視在功率，在防雷方面也起到一定的作用。如圖1所示，L0和C0構成預調網絡，若要讓鐵塔天線的阻抗與單個頻率的阻抗或者與多個頻率的阻抗相近，則需要通過調整L0和C0來提高或減少天線阻抗，實現平衡阻抗。
預調網絡的另外一個作用是防雷，云層與大地之間的電壓最高可達千萬伏。能量主要集中在低頻范圍和直流部分，電感L0對低頻呈現低阻抗。因此在發射塔天線下方并聯一個微亨級的電感L0，不僅達到泄放雷電的目的，而且電感L0對射頻呈現高阻抗，能夠讓射頻分量得到補償。電容C0與電感L0則是相反，電容C0對低頻和直流成分呈高阻抗性，對于整個匹配網絡而言，串聯電容C0最大的作用在于阻止雷電能量進入匹配網絡進而損壞機房內部的發射機。電容C0作為第一道防雷門限起到了至關重要的作用。因此，在器件選擇上，對電容C0的伏安特性要求比較高，其耐壓性能越大越好，C0的容量一般在1 000～3 000 pF。
3.2 阻抗匹配網絡
整個天饋線匹配網絡最基礎的構成單元是阻抗匹配網絡。該網絡在整個鏈路當中起到了橋梁作用，輸入端與饋線相接，輸出端則是與鐵塔天線相連。阻抗匹配網絡在確保具有良好通帶特性的前提下，能夠發揮以下兩方面的作用：（1）平衡鐵塔天線輸入阻抗與發射機端連接的饋線或者饋管的阻抗，讓兩者達到特性阻抗相匹配的效果；（2）讓整個匹配網絡減少駐波、削弱反射等。在實際應用中，最常見的有以下幾種匹配網絡，分別是T型、π型、Г型或倒Г型。在設計方案選擇的時候，要從各地方播出頻率、投資建設成本、整個網絡后期的調試與維護以及模擬仿真軟件的結果等多方面綜合考慮做出方案。
3.3 移相網絡
移相網絡即對發射信號進行相位移動。該網絡是對由發射機經過處理后輸送到饋線的射頻信號進行移相，經過移動相位的處理以后，即可讓電流和電壓產生相位差。移相網絡最大的作用就是當雷電入侵天線時，可以最大限度地保護發射機的功放管。原理是當雷電瞬時入侵天線時，電流和電壓之間有了相位差，兩者不會在同一時間到達發射機端，從而削弱了雷電瞬時產生的巨大能量對發射機功放管的沖擊。
3.4 阻塞網絡
阻塞網絡的主要作用是阻止共塔頻率的非本機信號串進發射機，保障發射機穩定工作的同時，也使得本機輸送的節目不會有干擾串音。在阻塞網絡的設計初期，首先要考慮視在功率的影響。當需要阻塞的頻率與發射機本頻頻率比較接近時，就會出現視在功率。此時文章設計的阻塞網絡在阻塞其他非本頻功率的同時，也會相應地損耗部分本頻功率。若設計初期視在功率數值較大，可能會造成發射機的網絡器件發熱，阻抗特性偏移，無法讓整個網絡工作正常穩定運行。因此，在設計阻塞網絡時，應盡可能降低視在功率，減少其對整個網絡的影響。阻塞網絡可由多種形式組合，對于阻塞網絡的應用，要考慮以下兩點：一是讓干擾頻率得到最大限度的阻塞；二是減小對自身頻率的損耗。
3.5 吸收網絡
在匹配網絡中，增加吸收網絡可有效地吸收外部頻率對本頻率的干擾，圖1中，L2，C1，C3組成吸收網絡，L2，C1串聯諧振于需要吸收的頻率，串聯諧振后對諧振頻率呈低阻抗，讓干擾頻率由此入地（也稱為“陷波”），同時L2，C1串聯諧振后再與C3并聯，諧振頻率為主頻率，并聯諧振對本頻率呈高阻抗，防止本頻率損耗［4］。目前我國主要有以下兩種吸收網絡的設計形式。
3.5.1 并串式吸收網絡
當前，我國大多數中波臺站主要采用并串式吸收網絡。該吸收網絡的工作原理主要是由L1，C1并聯諧振于本頻信號，將吸收網絡掛在本頻 50 Ω點上時，對自身阻抗的影響幾乎為零。另外，L1，C1，L2構成的整個吸收網絡串聯諧振于干擾頻率。這個設計方式既可以對本頻不產生影響，又能達到吸收干擾頻率的效果。并串式吸收網絡如圖2（a）所示。
3.5.2 串并式吸收網絡
國內一些中波發射機廠家也有采用串并式吸收網絡的設計方式。該種設計方式首先是L1，C1串聯諧振于干擾頻率F2，其次是L1，C1，L2整個網絡并聯諧振于本頻信號F1。此時將串并式吸收網絡掛在本頻50 Ω點上，也同樣可以達到對自身阻抗不產生影響的效果。串并式吸收網絡如圖2（b）所示。
4 結語
在這個發射系統中，天饋線匹配網絡是確保發射系統正常平穩運行不可或缺的組成部分。天饋線網絡的設計不僅包括對元器件的選件和組合、設計優化高效率運行參數，還要保證發射信號的安全傳輸、發射機的穩定運行，確保發射機傳輸的信號在傳輸過程中損耗最小化、傳輸距離和覆蓋范圍最大化。同時，它既能降低后期整個天調網絡系統的維護成本，還能減少工作人員的維修難度。多頻共塔天線網絡的設計是目前新建中波臺站的優先選擇，主要體現在以下兩個方面：一是多頻共用發射塔能夠節省投資；二是符合我國國情，近年來，我國人口與耕地的比值逐漸增大，廣播系統能夠實現同樣播出效果的情況下，減少占用土地資源。結合多方面因素進行綜合分析，多頻共塔的設計是中波臺站的優選方案，既能整合多方面資源，也為安全播出提供重要保障。
參考文獻
［1］朱建文.中波廣播共用天線和匹配網絡及阻塞網絡［J］.山西電子技術，2011（6）：76-77.
［2］胡金水.中波天線調配網絡對全固態發射機工作穩定性的影響［J］.廣播與電視技術，2000（3）：154-156.
［3］徐文渝.中波發射機天調網絡的組成與設計原則［J］.中國傳媒科技，2018（11）：61-62.
［4］張天業.中波天饋線匹配網絡的設計［J］.科技傳播，2017（12）：101-103.
（編輯 王雪芬）
Design of multi frequency tower matching network for MW launch pad
Huang Chunwei
（Jieyang Medium Wave Rebroadcasting Station of Guangdong Province， Jieyang 522000， China）
Abstract： At present， the transmission tower used in the construction process of the Zhongbo Station covers a large area and incurs high construction costs. In order to reduce the investment cost of the new medium wave launch pad， the multi frequency common tower transmission mode can be considered. The article mainly introduces the design principles and precautions of the medium wave multi frequency common tower matching network， including the introduction of various components of the entire medium wave matching network system and the corresponding details processing of each component， in order to maximize the advantages of the medium wave transmitting antenna and improve the transmission efficiency of the antenna.
Key words： multi-frequency common tower; medium wave antennas; blocking the network; match the network
