中波天饋線雙調諧網絡和主備切換系統應用實踐

余 劍

（浙江省中波發射管理中心開化廣播轉播臺，浙江 衢州 324300）

0 引 言

隨著廣播電視事業的發展，中波廣播的天調網絡技術也有不同程度的發展和改進。就中波轉播臺而言，目前普遍面臨的現狀是土地資源緊張、天線種類多、發射頻率高、發射功率大，因而大多數發射天線在雙頻或三頻共塔狀態下工作。由于發射頻率高、鄰頻干擾大，無疑增加了天調網絡的設計難度。傳統調配網絡計算復雜，元器件數量多，調試精確度和元件等級標準要求高，局部改進空間小，網絡工作的穩定性和傳輸效率不是很理想。基于上述情況，同時遵照《廣播電視安全播出管理規定》無線發射臺實施細則第十一條規定，《中、短波廣播天饋線系統安裝工程施工及驗收標準》（GY/T 5057—2020）的規定，中、短波宜采用雙調配網絡結構，并配備相應的倒換裝置。筆者所在單位開化廣播轉播臺技術人員經過市場考察、技術研判，參考已有發射臺成功的經驗，采用雙調諧方式，對原有兩個雙頻共塔系統進行了升級改造，在原有調配網絡的基礎上增加了兩套雙調諧共塔調配網絡，并增加了一套主、備切換系統，正常情況下使用主用網絡，當主用網絡出現故障，通過切換系統切換為雙調諧網絡[1]。

1 新型雙調諧網絡

1.1 雙調諧網絡技術的特點

雙調諧網絡為新型調諧網絡，可以說是今后中波天饋線調配網絡發展的方向。雙調諧網絡采用臥式耦合線圈，耦合度高，改善了信號輸出的線性度，提高了網絡的匹配帶寬。網絡的前端和末端均由線圈直接接地，使整個系統的防雷效果更好。由于整個系統的濾波效果好，不需要增加吸收網絡和阻塞來消除各頻率之間的干擾。由于網絡簡單、使用元件少，雙調諧網絡的價格較便宜[2]。

1.2 傳統調諧網絡與新型雙調諧網絡的對比

傳統調配網絡的優點是方案成熟、設計簡單、調試簡單，缺點是防雷性能差、帶寬窄、工作不穩定、發熱量大、駐波較大、使用元件多，價格較貴。圖1（a）、圖1（b）分別是傳統單頻調諧網絡原理和實物裝配圖。

圖1 傳統調配網絡

新型雙調諧網絡的優點是防雷性能好、頻帶寬、網絡簡單、使用元件少，價格較便宜。饋管芯線與地線隔離，完全避免了直擊雷入侵后放電球短路造成發射機損壞的事故；利用高頻變壓器阻抗變換原理實現天線與饋管阻抗匹配，省略了傳統調配網絡的匹配單元；利用雙調諧回路選頻功能濾除其他發射頻率的干擾，省略了傳統網絡的吸收（陷波）網絡和阻塞網絡。缺點是調試比較麻煩。圖2（a）、圖2（b）分別為新型單頻雙調諧網絡的原理圖和實物裝配圖[3]。

圖2 新型雙調諧網絡

1.3 新型雙調諧網絡的工作原理

圖2（a）中，C1、L1組成信號源（發射機）端并聯諧振電路，諧振頻率為發射機工作頻率；箭頭為可調線圈連接點，目的是通過調整實現諧振網絡與發射機饋管阻抗的匹配。C2、L2組成負載（天線）端并聯諧振電路，諧振頻率為發射頻率。通過調整線圈位置，可以實現匹配網絡與天線輸入阻抗的匹配。為了保證兩個諧振網絡相位一致，圖2（a）中1、3為同相位，2、4為同相位。M為兩個調諧線圈的間距。間距不同，技術參數有所不同。

新型雙調諧網絡利用的是頻率共振原理，類似于現在的無線充電原理，與變壓器耦合原理稍有不同。共振耦合效應的原理可以用簡諧振動的概念來解釋。簡諧振動是指物體在一個固定位置附近做周期性的振動時，它們會相互影響并改變彼此的振動狀態。如果它們的振動頻率相同或接近，它們就會發生共振，振幅增大，能量傳遞效率提高。諧振電路可以通過共振耦合效應來實現高品質因數和高頻率的振蕩。諧振可以通過改變電容和電感的參數來實現[4]。

1.4 新型雙調諧網絡設計

筆者所在的中波轉播臺原有兩臺PDM 1 kW發射機，發射頻率分別為531 kHz和756 kHz，采用雙頻共塔方式工作，發射天線為76 m桅桿式拉線天線。根據發射機功率、頻率間隔、饋管阻抗和天線輸入阻抗等因素，本文分別設計了兩套雙調諧網絡[5]。

1.5 元器件的選擇

電容一般選耐壓20 kV以上、功率90 kVA以上的高頻瓷質電容或桶型電容。由于發射機功率大，考慮到功率冗余量問題，電容最好由多個電容按照串、并聯的方式組合而成。電容選用1 000 pF、1 500 pF和3 000 pF這3種規格。電感電流通常以線的橫截面周長決定，周長30 mm相當于電流30 A。一般10 kW發射功率全部用50 A的電流就足夠，也就是說采用粗銅管繞制的線圈。如果發射功率為1 kW以下，可采用小型扁銅繞制的線圈。為了方便調整，全部電感選用50 A、35 μH的大型線圈。

1.6 新型雙調諧網絡安裝

為了節省開支，雙調諧網絡和網絡架全部由開化廣播轉播臺本單位技術人員自己安裝，圖3所示為網絡架及制作網絡架所需材料。焊錫用于焊接接地銅皮，鋁合金堵頭用于鋁合金線管末端裝飾保護，環氧樹脂板用于安裝電感、電容、絕緣子和銅皮，標準鋁合金型材用于制作網絡骨架，雙孔拐角用于連接標準鋁合金型材。另外，用于電感調整的短路夾子和各種螺絲、螺母、墊片，需要單獨購買。

圖3 新型雙調諧網絡安裝裝配圖和安裝配件

1.7 新型雙調諧網絡調試

新型雙調諧網絡最大的工程量就是網絡的調整。網絡調整需要使用中波專用電橋、網絡分析儀和假負載等設備。另外，網絡調整需要技術人員具備一定的網絡調整經驗，并且會使用儀器對調配網絡進行測量分析[6]。

網絡調整的第一步是實現雙調諧網絡諧振頻率的同步，按照并聯諧振計算公式，計算出所需電感電容的大小。單從諧振公式來看，只要能夠諧振，電感、電容的取值范圍可以很大，這對于純電阻性負載來說沒問題，但考慮到發射天線輸入阻抗是一個復數，既有實部也有虛部，虛部又分感性阻抗和容性阻抗，因此，在調整雙調諧網絡時，既不能呈現較大感性，也不能呈現較大的容性。考慮到這一點，技術人員請相關方面的專家，通過綜合考慮和計算，得出531 kHz和756 kHz兩個頻率雙調諧網絡L、C元件的數值如下：531 kHz雙調諧網絡中，電感L1為44.9 μH，電容C1為2 000 pF；756 kHz雙調諧網絡中，電感L1為29.57 μH，電容C1為1 500 pF。

確定元件數值后，進行安裝調整。首先進行諧振同步調整。一般電容值是固定的，無法調整，對此，可以通過多種規格的電容串、并聯得到盡可能接近設計值的電容，然后只對電感進行調整。調整電感時，一個電感可能需要兩個管夾，一個用于調整網絡的諧振頻率，另一個調整負載阻抗的匹配。

根據并聯諧振時諧振電路對諧振頻率呈開路的原理，使用網絡分析儀，尋找兩個諧振網絡中電感的最佳諧振點。

根據串聯諧振時，諧振電路對諧振頻率呈短路的原理，使用網絡分析儀調整初級諧振網絡與饋管的阻抗匹配，次級諧振網絡與天線的阻抗匹配。

關于兩個電感間距問題，通過試驗發現，當兩個線圈緊挨著（銅管間距3 cm）時，諧振效果最佳；當兩個線圈離開一定距離（銅管間距5 cm）時，諧振效果變差（主要是帶寬變差）。可見，在條件允許的情況下，諧振線圈間距越小越好。圖4（a）為雙調諧網絡兩個線圈在3 mm間距下的測試結果，圖4（b）為雙調諧網絡兩個線圈在5 mm間距下的測試結果[7]。

圖4 不同間距時雙調諧網絡諧振效果

2 主備切換網絡

傳統的中波共塔系統一般采用一個調配網絡，由于設計問題或者調整問題，調配網絡容易出現故障。如果故障比較嚴重，有時候還要請廠家技術人員來解決，這樣可能要影響正常的播出。目前，開化廣播轉播臺的天線調配間還有一定空間，可以容納兩套新制作的雙調諧網絡，作為原有調諧網絡的備用網絡。雙頻共塔發射系統發射機主、備切換和調配網絡主、備切換系統如圖5所示，主、備切換器可以在需要的時候切換主用發射機和備用發射機，雙饋線切換器在需要的時候切換主用饋線和備用饋線，切換開關可以切換主用調配網絡和備用調配網絡，詳細工作原理這里不再贅述[8]。

圖5 主、備發射機及主、備網絡切換系統原理圖

對于切換器的選擇，如果要求轉換速度快、接觸牢靠，不考慮成本的話，應購買廠家生產的射頻同軸切換開關或者中波專業切換器；如果考慮成本，可考慮使用銅片切換閘刀或采用更簡單的銅片倒換方法[9]。幾種切換開關的實物如圖6所示。

3 安裝調試注意事項

安裝調試時，電感應盡量相互離得遠，且相鄰兩個電感的電方向應相互垂直；安裝元件盡量不要安裝在電感開口兩端，以免影響調試；給電容擰螺絲時，需要用21#開口扳手固定電容接頭，避免電容接頭受力脫落；元件在絕緣板的固定螺絲要避開網絡架的橫梁；連接電容的銅皮長度要合適，長度太長，銅皮容易與電容邊緣接觸，導致打火[10]。

4 結 語

新型雙調諧網絡的應用，是中波發射系統技術創新的一種大膽嘗試，也是節約資源、優化系統、提高技術人員實踐能力、確保安全播出的一種體現。目前，雙頻共塔雙調諧網絡已工作近半年時間，從使用情況來看效果很好，發射機工作穩定、調配網絡工作正常。試播半年時間，沒有因雷擊而造成發射機停機保護或損壞元件的故障出現。