中波電磁雙耦合調配網絡應用與實踐

鄭小波

（作者單位：浙江省中波發(fā)射管理中心）

1 現狀及存在的問題

浙江省中波發(fā)射管理中心下屬平陽廣播轉播臺現有4 座絕緣自立式中波發(fā)射天線，呈四邊形布局，天線各塔體間距較近（約160 m 左右），其中2 號塔高102 m，發(fā)射頻率為810 kHz+1359 kHz，發(fā)射功率均為10 kW，調配室面積為3 m×3 m×2.7 m，主饋線型號為SD-50-37；4 號塔為76 m 頂負荷絕緣自立式中波發(fā)射天線，發(fā)射頻率為846 kHz+1053 kHz，發(fā)射功率均為1 kW，臺內另有兩座中波天線采用三頻共塔發(fā)射，功率為：1 kW+1 kW+1 kW，天線高度分別為76 m 和102 m 三頻共塔播出：603 kHz+900 kHz+1251 kHz 和747 kHz+1143 kHz+1521 kHz。

由于臺內現同時發(fā)射10 個頻率，2 個10 kW，8個1 kW，發(fā)射總功率為28 kW。臺內調配網絡現主要存在以下兩個問題：

（1）相互干擾：在所有發(fā)射頻點中，810 kHz 與846 kHz 的頻率間隔僅為36 kHz，當早晚溫差變化較大時，頻率漂移造成頻率間相互干擾，最嚴重情況下直接導致早班無法開機，嚴重影響安全播出。

（2）損耗大，效率低：原系統中波匹配網絡損耗是0.5 dB，效率為89.13%，全臺10 個頻率，28 kW(其中8 臺 1kW，2 臺 10kW)，等效于總功率損失：28-（0.8913×8 ＋0.8913×2×10）=3.0436 kW。

2 問題原因分析

發(fā)射頻點中，810 kHz 與846 kHz 的頻率間隔僅為36 kHz，對于頻率間隔僅為36 kHz 的頻率之間的相互干擾，若采用常規(guī)的陷波吸收網絡，會嚴重降低其工作頻率的工作帶寬，并嚴重損耗工作頻率的傳輸效率。而一個工作頻率的天調網絡要解決對其他多個頻率的干擾，需要增加多個陷波吸收網絡，且這樣也會使天調網絡復雜化。為更好地解決頻率干擾問題，我們選用復合阻塞網絡技術和電磁雙耦合，采用串、并聯雙調諧網絡技術來解決上述難題。

原中波匹配網絡為簡單T 形耦合網絡，頻率特性為梯形狀，且斜率較大。匹配網絡中的電容電感器件未考慮溫度特性，致電感量和電容量參數變化較大，引起帶外特性變差，尤其當兩個相鄰頻率間隔較近時，溫度的變化使梯形的斜率延伸更遠，兩個頻率的干擾重合點上升。載干比由A 變?yōu)锽 后，載干比變小，造成相鄰頻率的干擾現象，如圖1 所示。

圖1 載干比相鄰頻率干擾示意圖

3 解決方案

3.1 電磁雙耦合網絡設計

設計兩條支路（見圖2），上端的支路諧振于846 kHz 上，前面三個并聯網絡對810 kHz 及其他頻率形成高阻抗，有-20 dB 的衰減阻塞作用。下端的支路諧振于810 kHz 上，對846 kHz 及其他頻率形成高阻抗，有-21 dB 的衰減阻塞作用。這樣的復合阻塞網絡可以有效解決810 kHz 和846 kHz 的相互干擾，又能讓846 kHz 和810 kHz 幾乎無損耗傳輸，以保證846 kHz 和810 kHz 天饋系統高效滿功率傳輸發(fā)射。這種網絡技術既讓846 kHz 和810 kHz 天調網絡與主饋管50 Ω 阻抗完全匹配，與常規(guī)傳統的單回路匹配網絡相比，帶外抑制度大大提高。由于該網絡的駐波比呈“U”型曲線，帶內的衰減特性大大降低。

圖2 電磁雙耦合網絡設計圖

并聯諧振網絡理論上對阻塞頻率呈現大的阻抗，并阻止該頻率通過，且對通過頻率有電抗；串聯諧振網絡一端接地，對阻塞頻率的阻抗較小，提供通地的旁路，對通過頻率也有電抗。復合網絡充分吸收了并聯網絡能展寬帶寬，以及具有高增益的特點。尤其在工程中電感器件采用了低溫度頻率特性的無氧銅材料及真空介質電容，所用元器件承受的功率容量均增加一倍以上，同時采用串、并聯方式進行分流、分壓處理，使得整個調配網絡能承受的功率容量大大高于要求。配合對電感值和電容值的優(yōu)化設計以及測量儀器的精度調整，使頻率特性幾乎接近矩形。通過這樣的阻抗變換后適當均衡了這兩個頻率的實部阻抗，使這兩個頻率的兩頻共塔發(fā)射的阻塞網絡的阻塞損耗都在可用范圍內，從而優(yōu)化整個天調網絡，使臺內天調網絡更高效安全的播出。

3.2 元器件的選擇

由于在計算元器件參數值時，沒有考慮一些電感及分布電容技術參數等，此時的匹配網絡一般還不能使得天線與饋線特性阻抗完全匹配，還必須微調相關元器件參數值，直至駐波比達到最小 VSWR ≤1.05，所以廣播工程中實際選用的元器件值應該比計算值大一些，電感、電容和功率容量也要有一定的余量，天調網絡工作才能比較安全，特別是電感線圈，要留有20%～30%的富余量以利調試。

電感線圈的直徑按3 A/lmm（3A*Ф）的標準進行選取，Ф 為電感線圏的內徑。一般而言，在天調網絡設計時，電感線圈的電流盡可能不超過100 A，即電感線圈的直徑不超過40 mm，否則占用較大的空間，會給安裝工作帶來一定的不便。

在電容選擇時，我們選用真空陶瓷電容，真空陶瓷電容具有耐壓高、體積小、損耗低、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

（1）真空的絕緣強度高，且真空電容器具有極大的額定電壓值，其容量及耐壓等技術參數受溫度和環(huán)境的影響較小，性能穩(wěn)定，能使調配網絡工作更加穩(wěn)定。

（2）由于電容器以真空為介質，并采用低損耗的絕緣外殼和無氧銅電極結構，對通過的高頻信號損耗較低，可以承載更大的射頻電流及功率。

（3）相較于給定的電容量和額定電壓值，真空電容器與其他電容器所占的空間最小。

（4）真空電容器能承受較大的電壓和電流，在遭遇雷擊引起的高電壓、高電流時，可以起到保護其他零件的作用。

3.3 安裝工藝

電容器安裝工藝：大功率使用真空型固定電容器安裝前要進行耐壓試驗，必須正確連接真空可調電容器的高壓端與接地端，可調動片必須接地，電容器的陶瓷部分應用酒精或四氯化碳擦拭干凈。安裝電容器前，應根據其耐壓程度，用250 V、500 V、2500 V 搖表進行絕緣測試。

電感線圈安裝工藝：線圈間的距離要均勻，電動、手動機構要靈活，短路接點與滑動觸頭要確保緊密接觸。

3.4 網絡分析儀操作

為確保測試結果的精度可靠，數據準確，本次測試選用了精度較高的進口安捷倫E5052A 儀器進行測量。

3.4.1 設置

設置系統特性阻抗Z0：按Cal 按鈕后再按SetZ0，輸入特性阻抗。

設置掃描范圍：通過按Channel Next 或Channel Prev 鍵設置掃描范圍通道。按Start，輸入最小值，按Stop，輸入最大值，來設置最大頻率值和最小頻率值；按Center，輸入中心值，按Span，輸入跨度值，來設置中心頻率值和span(跨度值)。并在設置好掃描范圍后，通過軌跡上的標記點改變最大頻率值、最小頻率值或中心頻率值，即在需要改變掃描范圍的通道窗口內，將當前激活的標記點置于軌跡上新掃描范圍對應的點，按Marker Fctn 鍵選擇對應值，按Channel Next 或Channel Prev 選擇需要設置固定頻率的通道，按Sweep Setup，Power，CW Freq，輸入固定頻率值。

3.4.2 校準

校準過程應使用誤差模型以消除多個系統誤差。通過測量高精度的SOLT 校準件，矢網可以算出誤差模型中的12 個誤差項。校準的準確性取決于標準校準件的質量以及校準套件定義kit 文件中對校準件標定的寄生參數模型的準確性；使用電子校準件校準，校準件寄生參數都固化在校準件內存中，即插即用。

3.4.3 指標測量

校準完后，可接上一個良好的直通件，觀察各4項s 參數幅度和相位是否準確，是否比較好的集中在smith 圓圖50ohm 處，如果有異常說明校準有較大的誤差需檢查測試環(huán)境后再次校準，直到驗證通過后方可對DUT 進行準確測量。

3.4.4 保存數據

確認數據無誤后，按指定要求保存數據，完成測試。

4 驗證

4.1 頻率特性問題

在中波網絡調配室采用加熱辦法，使環(huán)境溫度變化20℃，用頻譜儀測量頻率特性，匹配網絡的中心頻率846 kHz 和810 kHz 漂移分別小于0.5 kHz 和0.48 kHz。帶外頻譜（傾斜部分）不相交，即載干比溫度不再因溫度漂移而下降。

4.2 損耗和效率問題

為了模擬在發(fā)射功率滿載情況下，可采用環(huán)境溫度加熱的辦法，用網絡分析儀測量其損耗及變化。如圖3，電磁雙耦合的插入損耗為0.33 dB。變化率小于1%。如果按28 kW 計算，當前的網絡效率為93%，總損耗為1.96 kW。

圖3

5 結語

由于采用了電磁雙耦合網絡技術以及選用了低溫度頻率特性的無氧銅材料及真空介質電容，所用元器件承受的功率容量均增加一倍以上，同時采用串并聯方式進行分流、分壓處理，使得整個調配網絡能承受的功率容量大大提高。配合專業(yè)軟件對電感值和電容值的優(yōu)化設計以及測量儀器的精度調整，使頻率特性幾乎接近矩形，能解決因環(huán)境溫度變化而使網絡產生溫度漂移的問題，還可使調配網絡工作更穩(wěn)，網絡損耗更小，提升了功率效益，強化了安全播出保障能力。