張富強

(忻州中波轉(zhuǎn)播臺，山西 忻州 034000)

1 忻州中波臺發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀

忻州中波轉(zhuǎn)播臺原有540 kHz和1 269 kHz兩個頻率，共用邊寬0.5 m、高76 m的一座鐵塔發(fā)射“中國之聲”和“山西新聞綜合”兩套節(jié)目。2011年，省廣電局要求增加播出農(nóng)村廣播節(jié)目，發(fā)射頻率為1 008 kHz。由于忻州臺占地面積小，無法再立新塔，因此，需要設(shè)計三頻共塔來完成任務(wù)。

忻州臺三部發(fā)射機輸出饋線阻抗數(shù)值和利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的每個工作頻率的天線阻抗數(shù)值如表1所示。

表1 三部發(fā)射機的輸出饋線阻抗和天線阻抗

2 三頻共塔概念及模型

三頻共塔就是三個不同頻率共同使用一座鐵塔播出廣播節(jié)目，是一種安全、經(jīng)濟、可靠的發(fā)射機運行方式。三頻共塔實現(xiàn)模型方框圖如圖1所示。

圖1 三頻共塔實現(xiàn)模型方框圖

3 三頻共塔電容、電感數(shù)值確定

三頻共塔中每個發(fā)射頻率的天饋網(wǎng)絡(luò)均由匹配網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。以頻率540 kHz為例，發(fā)射機輸出饋線經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)阻塞網(wǎng)絡(luò)阻塞1 269 kHz和1 008 kHz兩個頻率信號后連接到鐵塔上，設(shè)計中根據(jù)天線阻抗及阻塞頻率先確定阻塞網(wǎng)絡(luò)，然后確定匹配網(wǎng)絡(luò)。下面以此頻率為例，來確定阻塞網(wǎng)絡(luò)的C2、L2、C3、L3以及匹配網(wǎng)絡(luò)的C4、L4、C5、L5。

3.1 阻塞網(wǎng)絡(luò)電容、電感值確定

3.1.1 阻塞網(wǎng)絡(luò)阻抗品質(zhì)因數(shù)Q1max和Z0的選取

阻塞網(wǎng)絡(luò)一般采用LC并聯(lián)諧振電路，串接在本頻的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)里，對他頻進行阻塞，由于并聯(lián)諧振電路在諧振頻率附近的等效阻抗很大，把并聯(lián)諧振電路串接在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的串臂上，使諧振頻率等于需要抑制的高頻回饋頻率，他頻信號就被并聯(lián)諧振的高阻抗阻止，不能通過匹配網(wǎng)絡(luò)和饋線進入本頻發(fā)射機。

阻塞網(wǎng)絡(luò)阻抗品質(zhì)因數(shù)Q1max的大小，一般整定為40～100。品質(zhì)因數(shù)Q1max越大，諧振曲線的頂部越尖銳，選擇性越好。但是，Q1max太大會使阻塞帶變窄，造成阻塞載頻效果好而阻塞上下邊帶效果差；Q1max值太低，對阻塞頻率和上下邊頻帶的阻塞都不夠，對工作頻率的發(fā)射機帶來干擾。

阻塞網(wǎng)絡(luò)阻抗Z0在載頻和9 kHz邊頻帶阻塞網(wǎng)絡(luò)的阻抗都要在5 kΩ以上。根據(jù)有關(guān)資料和實踐證明，若阻塞阻抗Z0對其邊帶呈現(xiàn)的阻抗在5 kΩ以上時，就不會出現(xiàn)交叉調(diào)制和特性變壞等問題。

3.1.2 確定阻塞網(wǎng)絡(luò)電容C和電感L的數(shù)值

先確定阻塞網(wǎng)絡(luò)的電容C值，然后根據(jù)諧振條件確定L值。

得：

(1)

同理，可求得1 269阻塞網(wǎng)絡(luò)的電容C3和電感L3分別為2 000 P和7.82 μH。

3.1.3 計算阻塞網(wǎng)絡(luò)對工作頻率呈現(xiàn)的電抗值

同理可得：1 269 kHz阻塞網(wǎng)絡(luò)對540 kHz的電抗值：XL=j32.3 Ω

則如圖6得：ZA1點阻抗=Za1阻抗+j39.5 Ω=13.5-j201 Ω+j39.5 Ω=13.5-j161.5 Ω

ZB1點阻抗=ZA1阻抗+j32.3 Ω=13.5-161.5+j32.3 Ω=13.5-j129.2 Ω

3.2 計算匹配網(wǎng)絡(luò)

г型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，容易達到天線實部電阻調(diào)配和抵消虛部電抗，是天線常用的匹配電路。當天線實部Ra

(2)

當天線實部Ra>Zc時，選用倒г型，倒г型網(wǎng)絡(luò)公式為：

(3)

3.2.1 計算г型匹配網(wǎng)絡(luò)

1) 確定г型匹配網(wǎng)絡(luò)電容、電感值

因為天線實部為13.5 Ω<75 Ω,選用正г型網(wǎng)絡(luò)公式計算，其中Xa為-129.2 Ω，Ra為13.5 Ω，Zc為75 Ω，帶入公式(2)得：

(4)

(5)

若選擇X1為電感，X2為電容，取X1根號上邊的“+”號為+157.8 Ω，取X2根號上邊“-”號為-35.1 Ω組成正г型匹配網(wǎng)絡(luò)，則有：

(6)

(7)

選取L4為46.53 μH，C4實際中選取8000P。

2) 計算г型匹配對工作頻率呈現(xiàn)的電抗值

圖2 正г型匹配電路

對感抗j28.8進行串化并，根據(jù)串化并公式：

R串化并=R(1+Q2)X串化并=X(1+Q2)/Q2.

(8)

Q值為串聯(lián)回路的Q值，設(shè)為Q2，Q2=X/R，X為28.8 Ω，R為13.5 Ω，帶入公式(8)可求得：

R串化并為74.9 Ω，XL串化并為j35.1 Ω，

根據(jù)并聯(lián)電路電抗的倒數(shù)等于每個支路電抗的倒數(shù)之和，可求得-j36.86 Ω與j35.1 Ω并聯(lián)后電抗X為j769 Ω。(呈感性)

圖3 天線阻抗串化并

把并聯(lián)回路的感抗j769再化為串聯(lián)，根據(jù)并化串公式：

R并化串=R并/(1+Q2)X并化串=X并Q2/(1+Q2).

(9)

Q值為并聯(lián)回路的Q值，設(shè)為Q3，Q3=R并/X并，R并為74.9 Ω，X并為769 Ω，帶入公式(9)可得R并化串為74.3 Ω，X并化串為6.9 Ω。如圖4。

則如圖6：ZD1電抗為74.3+j6.9 Ω。

圖4 天線阻抗并化串

3.2.2 設(shè)計串聯(lián)匹配電路

為了達到匹配，需要設(shè)計L5、C5，抵消感抗j6.9 Ω，如圖5，回路在頻率540 kHz上發(fā)生諧振。

圖5 串聯(lián)匹配電路圖

1) 串聯(lián)回路Q值的確定

并聯(lián)時LC網(wǎng)絡(luò)的電抗值較大，其等效損耗電阻r可忽略?？墒窃O(shè)計串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮損耗電阻r，r值要求盡量趨于0，但太小將造成Q值太大。在此次設(shè)計中，為了和饋線匹配，要求L5C5的等效損耗電阻設(shè)為r=75 Ω-74.3 Ω=0.7 Ω。

2) 確定串聯(lián)電路的L、C值

設(shè)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)Q4值為80，r=0.7 Ω。根據(jù)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)公式C=1/ωQ4r得：

(10)

.

(11)

3) 計算串聯(lián)對工作頻率呈現(xiàn)的電抗值

根據(jù)以上計算XC5為-j54.6 Ω，XL5為j47.7 Ω。損耗電阻r為0.7 Ω。

ZE1點的電抗為74.3 Ω+j6.9 Ω+0.7 Ω+54.6 Ω+j47.7 Ω=75 Ω。即完成阻抗匹配設(shè)計。

3.3 其余匹配網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)電容、電感值的確定

根據(jù)以上公式分別確定1 269 kHz、1 008 kHz匹配網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)的電容、電感值。最終實現(xiàn)三頻共塔網(wǎng)絡(luò)電原理圖如圖6所示。電抗值計算結(jié)果見表2。

表2 三頻共塔設(shè)計各點的阻抗值

3.4 預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

1 008 kHz和1 269 kHz雙頻共塔時，需要考慮預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)L0、C0，理論證明，當共塔工作的兩個頻率的輸入阻抗值相等時，兩個阻塞網(wǎng)絡(luò)的視在功率最小。設(shè)計中使L0、C0諧振于兩個頻率的任一頻率，由于并聯(lián)諧振阻抗無窮大，對諧振的頻率一路影響不考慮，然后只考慮另一路。例如使L0、C0諧振于1 008 kHz，對1 008 kHz相當于開路。根據(jù)L0、C0諧振于1 008 kHz，同時使1 269 kHz在ZA3的輸入阻抗趨于81 Ω來確定L0、C0數(shù)值。

圖6 三頻共塔網(wǎng)絡(luò)電原理圖

4 調(diào)試

設(shè)計出阻塞網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)電抗元件后，根據(jù)實際情況，考慮高頻分布參數(shù)的影響，合理布局安裝完成后進行調(diào)試。第一步，用網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)表二數(shù)值，從天線端逐步向前調(diào)整，使發(fā)射機和天調(diào)網(wǎng)絡(luò)匹配；第二步，開啟任一部發(fā)射機，同時開啟另外兩部機的任一部，從發(fā)射機的顯示屏或反射功率表上檢測反射功率的大小，調(diào)節(jié)阻塞網(wǎng)絡(luò)，使反射功率最??；第三步，由于第二步對阻塞網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，使得匹配網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值發(fā)生了變化，重新微調(diào)輸入阻抗，使匹配最好。經(jīng)過認真調(diào)試后，三部機同時開啟。經(jīng)對三頻共塔的三部發(fā)射機技術(shù)指標進行測試，全部技術(shù)指標均達到甲級機的標準。

忻州中波轉(zhuǎn)播臺三頻共塔天調(diào)網(wǎng)絡(luò)從2011年調(diào)試后一直使用至今，三部發(fā)射機均達到滿時間、滿功率、滿調(diào)制度的“三滿”播出效果。