复杂电磁环境下中波调配网络的设计.docx

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复杂电磁环境下中波调配网络的设计

复杂电磁环境下中波调配网络的设计

[摘要]目前中播广播发射机已基本实现全固态化，由于土地资源的限制，各地中波转播台大多采用双频共塔或三频共塔技术设计方案，许多台站的工作频率多达6至8个，台内发射机功率等级也差距较大，再加之发射天线之间的距离间隔达不到设计要求，许多都在百米之内，高频回馈和临频干扰信号很强，这给调配网络的设计带来很大挑战，传统网络设计的模式难以满足实际要求，需根据实际工作环境和条件，采取针对性的技术措施加以应对。

本文着重从高频回馈干扰的抑制、网络传输带宽、防雷及网络运行稳定性等几个方面阐述中波天调网络的设计方法，提供在复杂工作环境下调配网络设计的应对措施和技术手段。

[关键词]高频回馈传输带宽防雷稳定性

1、高频回馈的抑制

由于发射台大多有多副天线工作（各天线间距离又较近），而每副天线大多使用双频共塔甚至三频共塔，所以发射天线将感生出较高的不同频率的多种射频信号，这些信号通过天调网络馈入发射机形成高频回馈，若不加以有效抑制，发射机特别是全固态发射机根本无法工作。

1.1高频回馈抑制的解决方法

常用的解决方法有：

并接于网络中的串联谐振滤波器（吸收单元）；串接于网络中的并联谐振滤波器（阻塞单元）；带通滤波器三种方式，；另外防雷网络中的L0也对高频回馈有着广谱抑制的作用。

由于存在多个且强度各异的高频回馈对本频的干扰，所以简单的并联阻塞网络和串联吸收网络已无法满足抑制亏空的需求，本文重点介绍复合阻塞网络和复合吸收网络的设计要求和应用。

1.2复合阻塞网络

在阻塞单元的设计中，LC并联谐振阻抗的大小的选择是关键，决定着阻塞效果的好坏。

电容一般采用是高频低损耗电容，容量在1500PF—1200PF之间，带呀根据共塔频率的发射功率和其他干扰信号强度大小选定，一般来说，其Q值远高于电感，那么并联谐振阻抗主要取决于电感量及其Q值大小。

电感元件的等效并联电阻越大，阻塞效果越好。

但是当阻塞频率与本频很近时（双频共塔设计时，两频率之比值应大于1.25倍），就要考虑牺牲一定的阻塞效果，来保证网络的通带特性。

这时电感的取值就要尽可能小，否则载波环流会很大，不仅增加损耗，还很不利于载波边带发射的抑制。

在实际应用中，经常采用复合阻塞网络，即采用一个电抗原件与阻塞单元电路串联，在本频上呈现串联谐振状态，以消除对网络阻抗匹配状态的直接影响。

如图1—（a）和图1—（b）所示。

X1=WL1—1/WC1X2=WL2

图1—（a）:

阻塞频率小于工作频率时的复合阻塞网络

X1=WL1—1/WC1X2=WL2—1/WC2

图1—（b）:

阻塞频率小于工作频率时的复合阻塞网络

图1—（a）所示电路适用于阻塞频率低于工作频率的情况，L1、C1串联谐振于工作频率，对于阻塞频率而言，该支路呈容抗，其电抗值X1和L2并联谐振于所需阻塞的高频回馈频率。

图1—（b）所示电路适用于阻塞频率高于工作频率的情况，L1、C1串联谐振于工作频率，但是该支路对于阻塞频率而言呈感抗，其感抗值为X1；L2、C2串联支路对于阻塞频率而言呈容性，本支路不采用单个电容的原因是便于使X1和X2并联写作与所需阻塞的高频回馈频率。

为了提高阻塞网络的抑制效果，应该把阻塞网络串接于低阻抗处。

另外，为了防止边带反射过大，设计阻塞网络时，被阻塞的频率应远离工作频率，同时不要在网络通道中布置多个阻塞网络，最好不超过2个。

1.3复合吸收（陷波）网络

在吸收单元中L的选择很关键，L越大，滤波效果越好；L越小，则边带反射和载波损耗的可能性就越大。

当所吸收的频率很接近载波频率时，L的取值要尽可能大，否则载波能量损耗和边带反射都会很大。

在实际应用中经常在吸收单元电路的两端并联一个电抗元件，并联后的电路在本频上呈并联谐振状态，对网络阻抗拼配的直接影响被消除。

如果需要使用多个吸收单元，则可共用一个并联电抗元件，其原理是一样的。

如图2—（a）和图2—（b）所示：

图2—（a）：

工作频率低于被吸收频率的复合吸收网络

图2—（b）：

工作频率高于被吸收频率的复合吸收网络

采用复合吸收电路的好处是它的接入和撤出对网络匹配状态影响不大。

为了提高吸收网络的抑制效果，应该把吸收网络电路并接入高阻抗处。

当两个发射天线距离较近而且地网连接在一起时，高频回馈抑制电路最好不要选择吸收电路，而应选用阻塞电路来抑制邻频干扰。

1.4高频回馈措施的选择与统筹

各种高频回馈抑制措施有利有弊，在设计时应综合考虑各个方面因素，根据实际播出情况，权衡利弊，解决主要矛盾，兼顾次要矛盾。

如果台内播出频率间隔小，天线距离又近，干扰强度大，则可考虑使用吸收单元和阻塞单元进行分别滤除，在共塔网络中，若遇较强高频回馈，可考虑串接阻塞网络给予滤除。

在实际应用中，吸收单元或阻塞单元的总数量最好不要超过4个，否则很难保证边带反射不超标。

如果干扰频率个数较多，且都与工作频率间隔较远，干扰强度不是很大，则可考虑使用二阶带通滤波器或利用阻抗匹配电路的高通或低通特性给予集中滤除。

高阶贷通滤波器使用的元件多，调整复杂，不推荐使用。

2、网络传输带宽化设计

中波天馈系统的带宽是衡量天馈系统的重要指标之一，带宽能影响很多指标，也受到很多因素的影响，特别是现在所用的发射机大多采用全固态，对带宽的要求较高，如带宽不足，边带发射就大，在加调幅时反射功率加大，系统稳定性和音质变差，并容易过荷保护。

所以在设计时需要重点考虑确保网络的传输带宽。

2.1对系统带宽的主要影响因素

一是发射天线对带宽的影响：

中波发射天线大多采用1/4～1/2垂直天线，天线高度H波长λ之比，是决定带宽的最主要因素。

当中波天线的高度远小于工作频率的1/4波长时（中波小天线），工作频率附近的阻抗曲线变化会很陡峭，确保传输带宽的匹配网络设计较难实现。

二是当多个频率共塔时，尤其在相邻频率的比值小于1.2的情况下，多个频率之间的阻塞网络会相互导致各自调配网络的阻抗带宽变窄。

三是在同一天线场区，多座发射天线，工作频率较多，在调配网络中需加入多个对其他频率的吸收泻放网络，这样就会使调配网络的带宽变窄，导致天线的边带发射功率急剧增加。

四是匹配网络对带宽的影响，匹配网络的Q值对带宽有较大影响，Q值越大，带宽越窄，滤波度越好。

2.2带宽化设计方案

首先在条件允许的情况下，选择天线时，最好选择高度与波长比在0.4～0.53之间。

若共塔频率较多，个别频率无法满足上述条件，一般采用天线加顶或加笼的方法，来增加天线阻抗实部，提高带宽。

其次设计调配网络时，尽可能选用低Q值的π型网络作为匹配网络。

若条件允许也可采用网络修正（补偿网络）的方法来展带宽，如图3所示：

图3：

边带校正网络

其中L1、C1、L2和L3、C2、C3分别组成载频f0的上、下边带f0±5KHz的校正电路，抵消负载在边带区域呈现的电抗。

L1和C1，L3和C2分别并联谐振在载波频率f0上，对载波呈现无穷大的阻抗，这样校正网络的加入，不影响原载波的传输，只对边带起作用。

网络补偿的方法对带宽展宽只是一种补救措施，对网络器件的要求较高，调试也较为困难，要慎重选用。

在实际应用中，若T型或π型调配网络，在最小Q值情况下，仍然无法解决网络带宽的问题，这时可以采用两级或多级匹配的方法来解决，多级可以是Γ型、T型、π型各自间的级联或混合级联，级数越多，可实现的带宽就越宽。

两级或多级匹配网络可实现网络最小Q值的情况下，获得最大带宽，三所使用元器件较多，电路复杂，一般情况下不推荐首选。

3、预调网络与防雷设计

在中波天调网络设计中，通常需要设置预调网络，并需要安装性能可靠的防雷装置，来保证天馈系统的运行安全。

3.1预调网络的设置

在双频共塔时，若两频率的天线阻抗相差很大时，必须设置预调网络将两频率天线阻抗进行预调，使两频率到天线入口处的阻抗几乎相等或接近。

当然，两频阻抗相差不大时可不加预调网络。

加装预调网络主要是为了解决两阻塞网络视在功率不平衡问题，降低阻塞网络的视在功率，提高网络传输效率。

预调网络的电路构成较为简单，主要由两频率的天线阻抗所决定，预调元件的L（或C）值，电流、电压、视在功率均可参照有关计算公式导出。

3.2天调网络的防雷设计

对于固态发射机而言，天调网络的防雷设计至关重要，安全可靠的防雷系统，能有效地泻放雷电在天线上的感应电荷，减少对发射机的冲击破坏。

常用天线防雷系统装置如图4所示。

（a）在天线底部加装放电球，放电球采用尖端放电原理，放电球直径为10cm。

根据当地雷电强度情况，适当调整放电间隙的距离（按每mm放电电压1000V的标准调整间距），当发射天线遭遇雷击时，放电球会将天线底部极高的瞬间电压泻放到大地。

能不同程度地减少雷电对发射设备的危害。

（b）接入泻放线圈L0和隔直流电容C0。

考虑到雷电的主要成分是低频直流成分，因此在天线输入端和地之间并接一只约60—100μH的微亨级电感L0，在调配网络中串接一只隔直流电容C0，电感的作用是可以有效地为静电构成泻放通道，可以直接泻放雷电产生的巨大电压，而线圈本身对发射频率呈现的阻抗比较大，对高频信号影响不大。

电容的作用是防止雷电电流向发射机一端泻放，C0一般选择在1000PF—2000PF之间。

由于在调配网络中加装了L0和C0，会不可避免地对天线阻抗产生影响，因此在实际应用中，应将L0、C0的影响因素考虑进去。

（c）设置石墨放电装置，在石墨放电装置的接地铜管上套上40—50个磁环，在天线遭受雷击时会有一部分能量通过石墨放电装置引入到大地，同时套在引线上的磁环会产生反电动势，引起阻尼放电作用，不会使发射机的高频能量完全短路，提高发射机的短路阻抗，在发射机控制保护之前，就起到了保护作用。

对于全固态10KW发射机，石墨放电装置间隙调整在9mm左右为宜。

（d）移相网络的防雷作用。

移相网络的原理是：

在放电球因雷击形成瞬间短路时，必须保证发射机的输出端也处于短路保护状态，即要求发射机出口到塔基的相位差必须是180°的整数倍。

但实际情况是，由于馈线、高频滤波器、匹配网络、L0、C0、石墨放电装置上的磁环等产生的相移，保证不了上述要求，就需要在调配网络中加入移相网络，使其满足以上要求。

移相网络只起移相作用，不改变网络的阻抗。

4、网络运行的稳定性

对于工作频率较多、频率间隔较近、共塔发射的中波台，其天线网络势必呈现两多一大的特点：

即元件数量多、谐振回路多、Q值大。

随之也就会产生网络工作不稳定并影响频率特性等问题。

4.1造成网络稳定性差的主要原因

当天调网络谐振回路多、Q值较大时，元件中的回路电流很大，所产生的热耗也就大。

当元件热耗过大时，就会造成元件因温度升而形成的参数变化，致使网络阻抗发生变化。

发射机输出回路失配。

在网络设计时，若该因素不加重视，极易造成因元件热耗过大而产生温升，不仅造成网络工作不稳定甚至元件损坏，也是整套系统的传输发射效率降低。

其表现形式大多是在用电桥冷调时一切正常，加入额定功率输出时，刚开始正常，随后不久发射机反射功率开始变大，输出功率也略有降低。

如热耗不是很大时，该状态可维持下来；如热耗过大时，发射机就会因反射过大而将功率，甚至关机。

4.2解决方案及措施

（a）在谐振回路中，电容的温度特性要好于电感，在遇到几十度的温差时，电感线圈的结构和铜线的电阻等都有微小变化，所以重点考虑温升引起的电感变化。

在条件允许的情况下，电感线圈最好选用空心铜管，增加传输和散热面积。

（b）加大线圈铜管的直径，降低损耗电阻，采用Q值高的电容。

（c）尽量减少网络通道的阻塞网络，甚至取消回馈信号不大的频率阻塞网络。

（d）网络设计时，想办法降低网络并臂的电流或串臂的电压。

（e）元件连线使用较粗的通过或较宽铜带，接触紧密，增加接触面，尽量减少接触电阻。

（f）多个电感线圈在同一平面布局时，应分别布局成横、纵、竖的位置，同时应在高于水平金属板面10cm以上的位置固定，以防止磁力线所产生的相互涡流，使线圈的损耗电阻加大。

（g）改善天调室通风环境尽量减少因冬夏季温差过大，而造成的天调网络工作不稳定性。

5、结束语

随着中波覆盖频率数的增加，双频共塔和三频共塔技术的大量应用，传统的中波天调网络设计方案已不能满足实际应用的需求，在天调网络设计中必须根据实际工作环境，综合统筹各方面因素，在此基础上不断优化和改进设计方案，并在实际运行中评估、验证。

在实际应用中，有时不得不牺牲某些局部设计要求，以确保网络系统整体运行的安全可靠。

在中波天调网络的设计中，任何一种设计方案度无法做到尽善尽美，解决所有问题，这些技术问题的产生，也正是我们为之探索和攻克的方向。

[参考文献]

1、张丕灶等《全固态中波发送系统的调整与维修》厦门大学出版社2007年7月

2、潘胜伟等《中波天线匹配网络宽带化探讨》《广播与电视技术》2013年12期

3、胡昭培等《中波天馈系统带宽研究》《视听界（广播电视技术）》2006年第04期

4、王欣荣等《复杂电磁环境干扰的抑制措施及方法》《内蒙古广播电视技术》2013年1期