摘要：目前中波臺(tái)站建設(shè)過程中所使用的發(fā)射塔占地面積大，建設(shè)費(fèi)用高。為了降低中波發(fā)射臺(tái)新建臺(tái)站的投資成本，則可考慮選用多頻共塔的發(fā)射方式。文章主要介紹了中波多頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)，包括整個(gè)中波匹配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各構(gòu)成部分介紹以及各個(gè)組成部分所對(duì)應(yīng)的細(xì)節(jié)處理等方面，以盡可能地發(fā)揮中波發(fā)射天線的優(yōu)勢，提高天線的發(fā)射效率。

關(guān)鍵詞：多頻共塔；中波天線；阻塞網(wǎng)絡(luò)；匹配網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TN934

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

一直以來，中波廣播發(fā)射系統(tǒng)多以高大鐵塔為主，采用一頻一塔的垂直天線來發(fā)射信號(hào)。近年來，我國廣播事業(yè)飛速發(fā)展，國內(nèi)中波臺(tái)站建立的中小功率轉(zhuǎn)播發(fā)射臺(tái)，采用一個(gè)多頻共塔的發(fā)射方式逐漸取代單頻單塔的發(fā)射方式。

中波臺(tái)站多是采用塔高70多m，有的甚至達(dá)150 m且占地30多畝的桅桿天線。新建架設(shè)一副天線包括所需地價(jià)在內(nèi)，費(fèi)用高達(dá)數(shù)百萬元。采用一頻一塔的方式不僅要占用大面積的土地資源，而且會(huì)消耗大量的財(cái)力和物力。為了解決上述矛盾，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)圖初期可考慮采用多頻共塔的方案。

1 多頻共塔的必要性

目前，新建的中波廣播發(fā)射臺(tái)站多采用雙頻共塔、多頻共塔的發(fā)射方式，即發(fā)射臺(tái)多部不同頻率的發(fā)射機(jī)在同個(gè)時(shí)間段內(nèi)上高壓運(yùn)行時(shí)，共用同一發(fā)射塔。多頻共塔，雖節(jié)約了不少資源，但要其安全工作也是存在條件限制的。若要采用多頻共塔的發(fā)射方式，則需滿足以下兩個(gè)要求：一是多個(gè)發(fā)射頻率要間隔100 kHz以上；二是每兩個(gè)共塔頻率之比不小于1.25^［1］。只有遵循以上設(shè)計(jì)原則，建設(shè)制造、機(jī)器使用和后期維護(hù)工作才能得心應(yīng)手。

近年來，新建的中波臺(tái)站多數(shù)都面臨土地資源緊缺和建設(shè)資金受限等問題，因此，多頻甚至三頻共塔的方式得到推廣和應(yīng)用。若想讓多臺(tái)發(fā)射機(jī)共用一個(gè)發(fā)射塔（即共用同一個(gè)天線），同時(shí)保證信號(hào)能夠穩(wěn)定發(fā)射，就需要設(shè)計(jì)一套完整的匹配網(wǎng)絡(luò)。在饋線和發(fā)射鐵塔之間設(shè)置匹配網(wǎng)絡(luò)原因如下：在天饋線系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只有天線與饋線最大限度地相互匹配，才能保證發(fā)射機(jī)輸出的高頻能量在饋線上傳輸?shù)挠行裕瑥亩鴮?shí)現(xiàn)高頻能量以最大功率在天線上發(fā)射。但在實(shí)際應(yīng)用中，天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗兩者并不相等，只有通過匹配網(wǎng)絡(luò)，讓饋線與天線阻抗相匹配，才能使傳輸效率達(dá)到最高。

2 多頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則

中波廣播發(fā)射機(jī)對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求較高。一方面是受到場地空間的限制，發(fā)射天線與天線之間的距離較近，不同發(fā)射機(jī)之間的頻率間隔比較?。涣硪环矫媸瞧渌炀€串入鄰近頻率的干擾電壓比較大^［2］，從而出現(xiàn)高頻倒送現(xiàn)象，繼而導(dǎo)致發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)不穩(wěn)定，甚至燒毀高頻功放電路板。因此，天調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的合理設(shè)計(jì)是安全播出的關(guān)鍵因素之一。多頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則如下。

2.1 阻抗相匹配

多頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)和饋線天線要相互匹配，確保具有良好的通帶特性，同時(shí)要確保本塔發(fā)射的頻率盡量降低或讓其不受其他頻率的影響。

2.2 器件簡化設(shè)計(jì)

以確保匹配網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定工作為前提，盡可能減少器件數(shù)量，減少損耗，方便安裝和后期調(diào)試。

2.3 多頻共塔時(shí)各頻點(diǎn)保持一定比例距離

多頻共塔的多個(gè)頻率之間相互的比值要高于1.25。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，雖然理論上不低于1.1則可以實(shí)現(xiàn)匹配，但在實(shí)際調(diào)試過程中受到多個(gè)方面因素的影響，幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的，特別是阻塞網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，兩個(gè)頻率在相互阻塞的過程中會(huì)增加視在功率，插入損耗增大，網(wǎng)絡(luò)性能變差，以上多個(gè)方面會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)不穩(wěn)定。

2.4 綜合評(píng)估所使用器件電氣參數(shù)的冗余量

在設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在條件允許的情況下選用電氣特性好、耐壓高的器件^［3］，原因是天線匹配網(wǎng)絡(luò)工作頻率高，通帶功率大，防雷電能量性能差。另外，為了提高電容的耐壓和功率要求，在設(shè)計(jì)的時(shí)候可以采用多只電容串聯(lián)后再并聯(lián)的方式，減少電容發(fā)熱量，延長電容的使用壽命。

2.5 復(fù)合諧振阻塞網(wǎng)絡(luò)

在設(shè)計(jì)阻塞網(wǎng)絡(luò)時(shí)，理論上應(yīng)該讓阻塞頻率的阻抗趨向于無窮大，但在實(shí)踐過程中是無法做到的，出現(xiàn)主頻損耗在所難免。當(dāng)出現(xiàn)阻塞頻率和主頻率很接近的情況時(shí)，則需要采用復(fù)合諧振阻塞網(wǎng)絡(luò)^［4］。

2.6 增加吸收網(wǎng)絡(luò)

在理論設(shè)計(jì)階段，若出現(xiàn)本臺(tái)其他頻率與主頻率接近，或者兩者之間的頻差小于300 kHz時(shí)，則需要增加吸收網(wǎng)絡(luò)。吸收回路的串接方案：一是并聯(lián)諧振串電感，其使用條件是主頻率小于干擾頻率；二是并聯(lián)諧振串電容，其使用條件是主頻率大于干擾頻率。

3 多頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)各單元的組成設(shè)計(jì)

饋線與天線之間的阻抗匹配，需要通過多頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩者最大限度地匹配以后，發(fā)射塔天線便具有最大的不失真高頻功率，該功率會(huì)最大限度地把發(fā)射機(jī)的能量輻射到整個(gè)覆蓋范圍。同時(shí)，饋線與天線之間的阻抗匹配還具備3個(gè)作用，分別是抑制射頻倒送、吸收外來頻率干擾、防止雷電竄擾。多頻共塔基本型匹配網(wǎng)絡(luò)主要由以下各網(wǎng)絡(luò)組成：預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、移相網(wǎng)絡(luò)、阻塞網(wǎng)絡(luò)、吸收網(wǎng)絡(luò)和防雷裝置。

3.1 預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)

在同一個(gè)發(fā)射天線中發(fā)射多個(gè)頻率信號(hào)，參數(shù)值差別較大，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)某個(gè)頻率輸入阻抗偏低的情況，即該頻率在與其他頻率饋點(diǎn)匹配時(shí)容易出現(xiàn)不匹配的情況。因此，為了解決不匹配的情況，則需要在鐵塔發(fā)射天線底部加上預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。

多頻共塔時(shí)，預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)能夠使同塔的多個(gè)頻率在饋點(diǎn)上的阻抗匹配得到平衡，同時(shí)能夠降低共塔的多個(gè)頻率之間的設(shè)計(jì)難度，減少視在功率，在防雷方面也起到一定的作用。如圖1所示，L0和C0構(gòu)成預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，若要讓鐵塔天線的阻抗與單個(gè)頻率的阻抗或者與多個(gè)頻率的阻抗相近，則需要通過調(diào)整L0和C0來提高或減少天線阻抗，實(shí)現(xiàn)平衡阻抗。

預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的另外一個(gè)作用是防雷，云層與大地之間的電壓最高可達(dá)千萬伏。能量主要集中在低頻范圍和直流部分，電感L0對(duì)低頻呈現(xiàn)低阻抗。因此在發(fā)射塔天線下方并聯(lián)一個(gè)微亨級(jí)的電感L0，不僅達(dá)到泄放雷電的目的，而且電感L0對(duì)射頻呈現(xiàn)高阻抗，能夠讓射頻分量得到補(bǔ)償。電容C0與電感L0則是相反，電容C0對(duì)低頻和直流成分呈高阻抗性，對(duì)于整個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)而言，串聯(lián)電容C0最大的作用在于阻止雷電能量進(jìn)入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而損壞機(jī)房內(nèi)部的發(fā)射機(jī)。電容C0作為第一道防雷門限起到了至關(guān)重要的作用。因此，在器件選擇上，對(duì)電容C0的伏安特性要求比較高，其耐壓性能越大越好，C0的容量一般在1 000～3 000 pF。

3.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

整個(gè)天饋線匹配網(wǎng)絡(luò)最基礎(chǔ)的構(gòu)成單元是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)鏈路當(dāng)中起到了橋梁作用，輸入端與饋線相接，輸出端則是與鐵塔天線相連。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在確保具有良好通帶特性的前提下，能夠發(fā)揮以下兩方面的作用：（1）平衡鐵塔天線輸入阻抗與發(fā)射機(jī)端連接的饋線或者饋管的阻抗，讓兩者達(dá)到特性阻抗相匹配的效果；（2）讓整個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)減少駐波、削弱反射等。在實(shí)際應(yīng)用中，最常見的有以下幾種匹配網(wǎng)絡(luò)，分別是T型、π型、Г型或倒Г型。在設(shè)計(jì)方案選擇的時(shí)候，要從各地方播出頻率、投資建設(shè)成本、整個(gè)網(wǎng)絡(luò)后期的調(diào)試與維護(hù)以及模擬仿真軟件的結(jié)果等多方面綜合考慮做出方案。

3.3 移相網(wǎng)絡(luò)

移相網(wǎng)絡(luò)即對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相位移動(dòng)。該網(wǎng)絡(luò)是對(duì)由發(fā)射機(jī)經(jīng)過處理后輸送到饋線的射頻信號(hào)進(jìn)行移相，經(jīng)過移動(dòng)相位的處理以后，即可讓電流和電壓產(chǎn)生相位差。移相網(wǎng)絡(luò)最大的作用就是當(dāng)雷電入侵天線時(shí)，可以最大限度地保護(hù)發(fā)射機(jī)的功放管。原理是當(dāng)雷電瞬時(shí)入侵天線時(shí)，電流和電壓之間有了相位差，兩者不會(huì)在同一時(shí)間到達(dá)發(fā)射機(jī)端，從而削弱了雷電瞬時(shí)產(chǎn)生的巨大能量對(duì)發(fā)射機(jī)功放管的沖擊。

3.4 阻塞網(wǎng)絡(luò)

阻塞網(wǎng)絡(luò)的主要作用是阻止共塔頻率的非本機(jī)信號(hào)串進(jìn)發(fā)射機(jī)，保障發(fā)射機(jī)穩(wěn)定工作的同時(shí)，也使得本機(jī)輸送的節(jié)目不會(huì)有干擾串音。在阻塞網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)初期，首先要考慮視在功率的影響。當(dāng)需要阻塞的頻率與發(fā)射機(jī)本頻頻率比較接近時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)視在功率。此時(shí)文章設(shè)計(jì)的阻塞網(wǎng)絡(luò)在阻塞其他非本頻功率的同時(shí)，也會(huì)相應(yīng)地?fù)p耗部分本頻功率。若設(shè)計(jì)初期視在功率數(shù)值較大，可能會(huì)造成發(fā)射機(jī)的網(wǎng)絡(luò)器件發(fā)熱，阻抗特性偏移，無法讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作正常穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在設(shè)計(jì)阻塞網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)盡可能降低視在功率，減少其對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響。阻塞網(wǎng)絡(luò)可由多種形式組合，對(duì)于阻塞網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，要考慮以下兩點(diǎn)：一是讓干擾頻率得到最大限度的阻塞；二是減小對(duì)自身頻率的損耗。

3.5 吸收網(wǎng)絡(luò)

在匹配網(wǎng)絡(luò)中，增加吸收網(wǎng)絡(luò)可有效地吸收外部頻率對(duì)本頻率的干擾，圖1中，L₂，C₁，C₃組成吸收網(wǎng)絡(luò)，L₂，C₁串聯(lián)諧振于需要吸收的頻率，串聯(lián)諧振后對(duì)諧振頻率呈低阻抗，讓干擾頻率由此入地（也稱為“陷波”），同時(shí)L₂，C₁串聯(lián)諧振后再與C₃并聯(lián)，諧振頻率為主頻率，并聯(lián)諧振對(duì)本頻率呈高阻抗，防止本頻率損耗^［4］。目前我國主要有以下兩種吸收網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)形式。

3.5.1 并串式吸收網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前，我國大多數(shù)中波臺(tái)站主要采用并串式吸收網(wǎng)絡(luò)。該吸收網(wǎng)絡(luò)的工作原理主要是由L₁，C₁并聯(lián)諧振于本頻信號(hào)，將吸收網(wǎng)絡(luò)掛在本頻 50 Ω點(diǎn)上時(shí)，對(duì)自身阻抗的影響幾乎為零。另外，L₁，C₁，L₂構(gòu)成的整個(gè)吸收網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)諧振于干擾頻率。這個(gè)設(shè)計(jì)方式既可以對(duì)本頻不產(chǎn)生影響，又能達(dá)到吸收干擾頻率的效果。并串式吸收網(wǎng)絡(luò)如圖2（a）所示。

3.5.2 串并式吸收網(wǎng)絡(luò)

國內(nèi)一些中波發(fā)射機(jī)廠家也有采用串并式吸收網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方式。該種設(shè)計(jì)方式首先是L₁，C₁串聯(lián)諧振于干擾頻率F₂，其次是L₁，C₁，L₂整個(gè)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)諧振于本頻信號(hào)F₁。此時(shí)將串并式吸收網(wǎng)絡(luò)掛在本頻50 Ω點(diǎn)上，也同樣可以達(dá)到對(duì)自身阻抗不產(chǎn)生影響的效果。串并式吸收網(wǎng)絡(luò)如圖2（b）所示。

4 結(jié)語

在這個(gè)發(fā)射系統(tǒng)中，天饋線匹配網(wǎng)絡(luò)是確保發(fā)射系統(tǒng)正常平穩(wěn)運(yùn)行不可或缺的組成部分。天饋線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)不僅包括對(duì)元器件的選件和組合、設(shè)計(jì)優(yōu)化高效率運(yùn)行參數(shù)，還要保證發(fā)射信號(hào)的安全傳輸、發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，確保發(fā)射機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)在傳輸過程中損耗最小化、傳輸距離和覆蓋范圍最大化。同時(shí)，它既能降低后期整個(gè)天調(diào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的維護(hù)成本，還能減少工作人員的維修難度。多頻共塔天線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是目前新建中波臺(tái)站的優(yōu)先選擇，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是多頻共用發(fā)射塔能夠節(jié)省投資；二是符合我國國情，近年來，我國人口與耕地的比值逐漸增大，廣播系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同樣播出效果的情況下，減少占用土地資源。結(jié)合多方面因素進(jìn)行綜合分析，多頻共塔的設(shè)計(jì)是中波臺(tái)站的優(yōu)選方案，既能整合多方面資源，也為安全播出提供重要保障。

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（編輯 王雪芬）

Design of multi frequency tower matching network for MW launch pad

Huang Chunwei

（Jieyang Medium Wave Rebroadcasting Station of Guangdong Province， Jieyang 522000， China）

Abstract： At present， the transmission tower used in the construction process of the Zhongbo Station covers a large area and incurs high construction costs. In order to reduce the investment cost of the new medium wave launch pad， the multi frequency common tower transmission mode can be considered. The article mainly introduces the design principles and precautions of the medium wave multi frequency common tower matching network， including the introduction of various components of the entire medium wave matching network system and the corresponding details processing of each component， in order to maximize the advantages of the medium wave transmitting antenna and improve the transmission efficiency of the antenna.

Key words： multi-frequency common tower; medium wave antennas; blocking the network; match the network