（廣西廣播電視技術中心南寧分中心）

一、引言

隨著土地資源的日益緊張，中波天線已朝著小型化方向發(fā)展。如圖1所示，廣西101臺在639kHz和1305kHz的雙頻共塔發(fā)射中使用了48米中波小天線，該天線具有占地面積小，抗風能力強，天線輻射效果好等優(yōu)點。但由于天線小型化，天線的電氣長度和有效高度都遠小于工作頻率的波長λ，這就造成了天線的輸入阻抗呈現(xiàn)實部過小、虛部過大。頻率越低實部越小，如1305kHz的天線輸入阻抗實部有55.7Ω，639kHz的天線輸入阻抗實部僅有13.1Ω，阻抗實部過小會在阻塞網絡上產生較大的視在功率，影響網絡的穩(wěn)定性。廣西雷電頻繁，對天線的防雷性能要求較高。因此本文介紹在使用中波小天線進行雙頻共塔發(fā)射時，如何設計預調網絡解決天線防雷和低頻阻抗實部過小造成阻塞網絡視在功率過大的問題。

二、預調網絡的設計

（一） 預調網絡的電路組成

如圖2所示，中波小天線的預調網絡主要由并聯(lián)的電感L1和串聯(lián)的電感L2組成，兩者連接成Γ形結構。其中L1具有防雷作用，并與L2共同作用改變天線的輸入阻抗：L1能同時改變天線輸入阻抗的實部和虛部，L2只能改變天線輸入阻抗的虛部（串聯(lián)臂選擇電感的原因下文介紹）。

（二）預調網絡的作用

中波小天線的預調網絡主要三個作用：天線防雷、減小阻塞網絡的視在功率、優(yōu)化天線輸入阻抗的虛實比。

1.天線防雷

圖1

圖2

48米中波小天線自帶的防雷措施是天線底部的金屬放電球：天線體對地絕緣，兩個放電球間隔1cm，天線體上的金屬放電球通過尖端放電將雷電傳導到與地線相連的另一個金屬放電球上，雷電順著地線被泄放到大地達到防雷目的。

但廣西雷雨天氣較多，雷電頻繁，單靠金屬放電球無法將天線上的雷電泄放完全?？紤]到雷電的能量主要集中在直流和低頻[1]，因此在預調網絡環(huán)節(jié)為天線并聯(lián)一個微亨級的電感L1（如圖1所示），讓雷電的直流分量和低頻分量能順著電感直接導入大地，達到二次防雷的目的。并聯(lián)的電感L1會對天線的輸入阻抗產生影響，因此取多大的電感要用史密斯圓圖進行精確計算。

2.減小阻塞網絡的視在功率

如圖2所示，在雙頻共塔的支路上，并聯(lián)諧振電路用作阻塞網絡。ω是本頻的角頻率，P（單位kW）是本頻的發(fā)射功率；ω0是阻頻的角頻率，P0（單位kW）是阻頻的發(fā)射功率。t是中間量，α是頻率因子，L（單位uH）是阻塞網絡的電感值，R是本頻在分支點的阻抗實部，R0是阻頻在分支點的阻抗實部。由公式1、公式2、公式3可以計算出該支路上阻塞網絡的視在功率W0(單位Var)。

預調網絡能改變只有R和R0的值，因此對預調網絡來說其他量都是常量，可以看出W0與R成反比、與R0成正比。若要兩條支路上的阻塞網絡的視在功率不出現(xiàn)一個過大的情況，最佳方案就是通過預調網絡將R和R0調整到相近大小，最好都能在50Ω附近。

3.優(yōu)化輸入阻抗的虛實比

639kHz的天線輸入阻抗虛實比過大，通過并聯(lián)電感L1能有效提高它的實部，但虛部的絕對值會跟著變大，因此需要再串聯(lián)電感L2對其虛部進行補償，降低阻抗的虛實比，減少對帶寬的影響。

三、中波預調網絡的參數(shù)計算

（一）介紹Smith圓圖

如圖3所示，Smith圓圖能在圓圖范圍內表示任何阻抗值，中波網絡的阻抗變換就是通過移動圓圖上頻點的位置實現(xiàn)的?？磮D時遵循“上感下容中純阻”，操作時遵循“左并右串走時針”。

上感下容中純阻。Smith圓圖整體是一個圓，分上下兩個半圓，位于上半圓內的頻點呈感性；位于下半圓內的頻點呈容性。如果頻點位于分割線上，則虛部為零，呈純阻性，圓心位置表示50Ω純電阻。從左往右看圓圖，電阻值（實部）從0增大到無窮大。

左并右串走時針。Smith圓圖主要由在右側相切的等電阻圓族和在左側相切的等電導圓族組成。兩個圓族的軌跡都是完整的圓，同個等電阻圓上頻點的電阻值（實部）相等，同個等電導圓上頻點的電導值相等。通過串聯(lián)、并聯(lián)電感或電容，能夠將圓圖上的頻點移動到圓圖的任何位置：當串聯(lián)并不斷增大電感時，頻點沿著同個等電阻圓順時針移動；當串聯(lián)并不斷增大電容時，頻點沿著同個等電阻圓逆時針移動。當并聯(lián)并不斷增大電感時，頻點沿著同個等電導圓逆時針移動；當并聯(lián)并不斷增大電容時，頻點沿著同個等電導圓順時針移動。

相切于右側的不完整圓族是等電抗圓族，同個圓上頻點的電抗值（虛部）相等。等電抗圓族主要用于查看虛部。

圖3

（二）利用Smith圓圖軟件進行預調設計

本文使用Smith圓圖軟件V4.1版本進行預調網絡參數(shù)計算，包括定頻點、調整L1值、調整L2值三個步驟。

1.定頻點

經實際測量，天線對頻點639kHz和頻點1305kHz的輸入阻抗分別是Z639=13.1-j120.5；Z1305=55.7+j24。

如圖4所示，點擊軟件的Keyboard按鈕，在彈出的對話框中輸入頻率、實部和虛部三個信息，點擊確認，將兩個頻點錄入軟件。圖中的DP1是頻點639kHz的初始位置， DP2是頻點1305kHz的初始位置。

圖4

本次預調的目的是為了提高頻點639kHz阻抗的實部，而預調會同時改變兩個頻點的阻抗，因此在做下步操作前勾選好DP1，以頻點639kHz作為主調。

2.調整并聯(lián)電感L1的值

如圖5所示，點擊工具欄右上方的“并聯(lián)電感”圖標，右上方的Schematic窗口會顯示電路中并聯(lián)了一個電感（方向是從天線端看向發(fā)射端）。并聯(lián)電感L1后，隨著電感量的增大，頻點639kHz可以從初位DP1沿著所在的等電導圓逆時針方向移動，實部和虛部不斷增大，從Schematic窗口中可以實時查看并聯(lián)電感的電感值。對頻點1305kHz來說，它也會從初位DP2沿著所在的等電導圓逆時針方向移動，因為頻點1305kHz移動時會越來越靠近圓圖的左側，所以實部會不斷減小。

當頻點639kHz移動到合適位置的時候，點擊鼠標左鍵完成定點，頻點639kHz移動到了SP1位置，右側Datapoints窗口中顯示的SP1的阻抗就是頻點639kHz的當前阻抗。然后點擊工具欄上的Sweep按鈕，在彈出的對話框中直接點“OK”按鈕，就可以在圓圖上看到頻點1305kHz移動到了SP2位置，Datapoints窗口中顯示SP2的阻抗就是頻點1305kHz的當前的阻抗。如果需要重新調整L1值，只需要點鼠標右鍵取消，再次操作即可。

經過反復測試，當L1取105.1uH的時候，Z639=25.6-j167.5；Z1305=52.5+j26.6。 頻 點 639kHz阻抗的實部從13.1增大到了25.6，虛部的絕對值從120.5增大到了167.5。頻點1305kHz的阻抗變化不大。

3.調整串聯(lián)電感L2的值

如圖6所示，增大頻點639kHz的實部后，其虛部的絕對值也被放大了很多，要減小虛部的絕對值，就得讓頻點639kHz沿著等阻抗圓順時針移動。點擊工具欄上的“串聯(lián)電感”圖標，右上方的Schematic窗口會顯示電路中又串聯(lián)了一個電感并顯示當前的電感值，移動頻點639kHz到合適位置，點擊鼠標左鍵完成定點，在Datapoints窗口查看頻點639kHz的阻抗。之后利用Sweep功能查看1305kHz的阻抗。

圖5

圖6

經過反復測試，當L2取值為4.6uH時，Z639=25.6-j149，Z1305=52.5+j64.5。此時 639kHz的阻抗虛部有效減小，頻點1305kHz的阻抗達到了最佳狀態(tài)。

四、總結

為中波48米小天線設計預調網絡時，利用微亨級電感接地可以提高天線的防雷效果，通過Γ形網絡進行阻抗變換，增大低頻阻抗的實部、減小虛部，有效減小阻塞網絡上的視在功率。設計過程中充分利用Smith圓圖軟件進行精細化的參數(shù)計算，這樣可便捷、科學地做出適合中波小天線的預調網絡。