中波三频共塔带通耦合网络的实现

李慕青

（广东省江门中波转播台，广东 江门 529100）

1 研究背景

随着城市规模不断扩大，大多数中波发射台往郊区迁移。由于新台区的场地有限，在有限的空间高效、有质量地传输更多节目显得尤为重要。江门中波台用一座90米的自立塔实现了846 kHz、1 098 kHz和1 503 kHz三频共塔发射。实施完成后对这三个频率的天馈系统技术指标进行测试，均在驻波比小于等于1.2时，带宽均大于9 kHz，达到了中波天馈系统的技术指标要求。具体设计施工过程介绍如下。

2 天调网络设计

2.1 要点

（1）通过计算推导出三频分馈共塔合理的天线预调网络，有利于减小阻塞网络的视在功率。

（2）阻塞网络采用两级并联谐振电路。阻塞电路对谐振频率呈现很高的纯阻，而对非谐振频率呈现某种电抗，这样阻塞效果才好，即共塔的频率间隔不宜过小。

（3）带通网络的设计采用低Q值，以满足通频带的要求。

2.2 要求

（1）用最少的元器件完成设计，力求电路简单，减少无功功率的损耗。

（2）三个频率支路的Q值应设计在4以内，保持通带平坦，有利于频响、失真度达到设计要求。

（3）三个频率的天线输入阻抗经预调网络后，在发射功率相等时，其共模阻抗的数值应相等或者接近；在发射功率不相等时，应与发射机功率成反比。在实际应用中对大功率发射机，阻抗实部与功率成正比，虚部与功率成反比。目的是各频率在发射天线公共连接点处电压峰值相当从而减少差拍，一方面有利于石墨放电球和天线放电球间隙的调整，有利于发射机放雷；另一方面有利于减小阻塞网络的视在功率。

（4）如果共塔的三个频率的功率不相等，预调网络的设计对其中功率最大的发射机要根据天线输入阻抗设计出合适的阻抗实部，使各支路电流适中。

（5）对于三个频率的天线输入阻抗的实部与虚部，无论其数值太大或太小，应设计出合适的天线预调网络。

（6）天线的各频率特性阻抗参数以及地网的地阻都会受天气和季节变化的影响，那么经过天调网络后在馈线端处的变化数值应在可控制范围内，即天线的通频带内衰减要小。

（7）设计的电容值应是工程应用值，因为使用的电容值大都是固定的。真空可变电容价格很贵，应采用电感、电容串联方式，将呈容性的支路当作可变电容来用，用调电感量的方法来调支路电容。

2.3 三频共塔设计

在本工程中，因三部发射机的功率相等，针对匹配网络的设计，主要考虑三个频率的不同和本台同时有9个频率播出的问题。力求网络性能稳定，技术指标优良，并合理节约网络采购和维护成本，其设计思路是：一是采用微亨级电感线圈作为防雷之用；二是为减小阻塞网络的视在功率而加入预调网络，三个频点功率相等，均采用两级阻塞网络；三是为减少泄漏网络的数量，采用带通耦合网络；四是力求网络稳定可靠，均选用低Q值回路。

846 kHz、1 098 kHz、1 503 kHz三频共塔调配网络原理图如图1所示。

图1 846 kHz、1 098 kHz、1 503 kHz三频共塔调配网络原理图

2.3.1 测试天线底部各频率的输入阻抗

在天线底部用网络分析仪（以下均用南京普纳科技设备有限公司PNA3628DP电桥）分别测得846 kHz、1 098 k H z、1 503 k H z的天线输入阻抗如下：Z1=120+j38 Ω；Z2=178+j132 Ω；Z3=49.2-j85 Ω。

从测到的三频共塔时的天线输入阻抗来看，Z1、Z2、Z3阻抗的实部相差较大，将会造成各阻塞网络元器件的功率容量增大，对元器件的要求也要很高；另外出于固态机防雷考虑，决定在设计时，先加入一微亨级的电感，作为预调网络和防雷之用。

2.3.2 选定防雷线圈和预调器件

固态机对防雷有很高的要求，防雷线圈一般采用微亨级的，它的加入会改变天线的输入阻抗。在多频共塔时加入预调网络，主要解决多频阻塞网络视在功率不平衡问题，降低阻塞网络的视在功率。

以上三频的天线阻抗相差很大，必须用预调网络将三频的天线阻抗进行预调，使三频到天线入口处的阻抗几乎相等或接近。

在设计预调网络时，除了尽量使阻塞网络的视在功率之和为最小，还应考虑阻塞网络的通过电抗，当频率高时呈容性，反之呈感性。如天线阻抗经预调网络变化后，高频率时的输入阻抗呈感性，低频率时呈容性，与通过阻塞网络的电抗的性质恰好相反，电抗减小，将给匹配网络的设置带来方便[1]。预调网络使用的器件不是电感就是电容，它由三频的天线输入阻抗决定。本次加入的是电感，它具有双重作用：一是防雷，二是兼作为预调元件之用。

用天调网络设计软件设计，调整L0，当将电感量调整为45 μH时，Z1、Z2、Z3的实部基本相同。

此时，Z1A=75.2+j65.3 Ω，Z2A=75.3+j122.9 Ω，Z3A=75.3-j93.5 Ω。

2.3.3 各支路分别加入两级阻塞网络

2.3.3.1 选定阻塞网络的形式

阻塞网络的任务一是要通过本频信号，二是要阻塞他频信号。我们知道中波广播的信号除载波之外还有上下边频信号，通过本频信号时阻抗要小，阻塞他频信号时，不但要在载频处呈现很大的阻抗，而且在上下边频处也要呈现较大的阻抗。

图2是阻塞网络的等效电路。其阻抗：由并联谐振网络的阻抗频率特性可知，当频率比t=f/f0大于1.01或小于0.99时，阻塞网络的阻抗几乎与Q值无关，所以在以f0为中心的频带内，为使阻抗达到某一值以上，必须加大ω0L=1/ω0C的值，也就是加大L，减小C值。

为了计算、调试简单，我们选用图2（a）简单的阻塞网络。

2.3.3.2 阻塞网络元件的计算

①设定Z0（一般Z0≥5000 Ω）。

②计算Qmax。

式中，f0为中心频率；△f为中波广播频道带宽。

③求XL、XC。

④求L、C。

要注意，计算出的C值往往不是整数值，取值时要取小于计算值且易于实现的整数值。然后，再通过容抗计算实用的电感量，该电感量则比计算值大。在实际计算中，也可以按照阻塞网络电容各频段的取值范围先取电容C值后，求出容抗XC，再求电感L。但是，要验算一下是否满足带宽要求。

天线等效阻抗在Z1A、Z2A、Z3A的基础上分别设计、制作了各支路的阻塞网络。经网络分析仪测试，各支路经过两级阻塞网络后到达B点的阻抗如下。

⊙ 在846 kHz支路的B1点测得ZB1=75.2+j372.6 Ω，

在串臂上加入一个600 pF的电容后，其阻抗为75.3+j58.7 Ω；

⊙ 在1 098 kHz支路的B2点测得ZB2=75.3+j28.7 Ω；

⊙ 在1 503 kHz支路的B3点测得ZB3=75.3-j380.5 Ω。

2.3.4 设计制作带通耦合匹配网络

带通耦合网络采用八卦直立式耦合线圈，其耦合度高，它能改善信号输出的线性度，从而提高网络的匹配带宽。因为在网络的前后端均加入了线圈直接接地，这样会使整个网络的防雷效果更好。带通耦合网络的另一个特点是整个系统的滤波性能良好，它可以有效地抑制边频干扰，不需要增加泄漏网络来消除各频率之间的干扰。这样使匹配网络的结构简单，调整和维护方便。

我们以ZB1、ZB2、ZB3等效的天线输入阻抗分别设计、制作了带通耦合匹配网络T846、T1098、T1503。

2.3.5 调试和检测

电缆采用SDY50-23-3馈管，长度为110米，分别从天调室通过地沟连接到机房，机房内采用硬管与发射机连接。匹配网络调整完成后，与三根馈管相连。在发射机的输出端分别对各支路网络进行测试，其结果如下。

⊙ 846 kHz支路在机房馈管口测得SWR≤1.2时，带宽B≥9.2 kHz。

⊙ 1 098 kHz支路在机房馈管口测得SWR≤1.2时，带宽B≥10.6 kHz。

⊙ 1 503 kHz支路在机房馈管口测得SWR≤1.2时，带宽B≥15 kHz。

调试和检测完成后，逐一对各频率的发射机开机运行，测试机器的运行指标，确定每台机器运行稳定后，就将三部发射机同时运行，三部发射机都工作稳定，监听也没有发现串音现象，并进行技术指标测试，均能达到技术要求。

2.3.6 整体完善

我台共有9个频率播出，当所有发射机调试完成后，我们进行了综合测试。开启所有发射机工作，监听发射效果。发现当频率为900 kHz，50 kW发射机在满功率、满调制时，846 kHz发射机有时出现驻波比故障。

关闭所有发射机，只开900 kHz发射机，在846 kHz发射机的输出端口上用示波器观看，进入此端最高电压有时高达60 VP-P。分析原因是900 kHz与846 kHz这两个频率相距太近，带通耦合网络不可能完全隔离。解决方法是在846 kHz匹配网络的输入端加一泄漏网络，其电路形式如图3所示。

3 总结

通过对三频共塔带通耦合匹配网络的设计、制作、调试，使我们得到了以下体会。

（1）这种新型带通耦合匹配网络具有平坦的通带和很好的阻带衰减特性，又能起到阻抗变换作用。带通滤波器的一阶支路串联谐振在工作频率上具有一定的选频作用，而后与二阶并联谐振共同作用，大大提高了工作频率的带外衰减。合理选择串、并联支路的电容、电感参数，设置适当的Q值，就可以满足工作频率的带宽，既增加了带外抗干扰抑制能力，又利于天馈系统传输效率的提高，确保整个发射系统的安全可靠性。

（2）采用带通耦合设计匹配网络可以有效地减少抑制高频回馈的泄漏网络，节约成本和时间，使天调网络的调整简单化，同时当本台增加频点时，也不必再考虑高频回馈干扰问题。

图3 工作频率低于泄漏网络的复合型泄漏网络

（3）因天气、气候的变化，干旱季节或雨季的影响，必将造成天线阻抗发生变化，尤其是当天线阻抗的虚部发生较大变化时，若采用传统的匹配网络，就会造成天馈调配网络失配，整个天馈系统驻波比增大，致使射机不能正常工作。我们选用的这种新型调配网络解决了这一难题。

4 结束语

总之，我们采用带通耦合网络设计三频共塔匹配网络的探索和实践，提高了天馈系统的传输效率，增强了工作频率的带外抗干扰抑制能力，一年多来，我台发射系统工作稳定，实现了安全、优质播出。