短波天调匹配网络发热问题的分析

祝彪　李超超　郑丙寅

摘 要：由于短波通信系统的功率不断增大，使得短波天调工作时，其匹配网络发热较大，为了解决这个问题，文章深入分析了匹配网络发热问题的原因，并提出了解决方法，为设计人员处理此类问题提供了重要依据。

关键词：真空陶瓷继电器；短波天调；陶瓷电容；空心线圈

1 概述

短波天调[1]作为短波通信天馈系统的重要组成部分，广泛应用于各型短波通信系统，其阻抗匹配网络在天线与发射机的匹配中发挥了关键性的作用。

近年来，随着短波通信系统的功率不断增大，使得匹配网络也要承受较大的功率，从而导致网络器件发热，引起驻波比增大，发射机与天线失谐，最终造成短波通信系统不能正常工作。

文章针对短波天调匹配网络的发热问题进行了详细的论述，并对解决该问题的方法进行了深入的探讨。

2 短波天调的匹配网络

匹配网络是短波天调的“心脏”，由空心电感线圈、陶瓷电容，以及控制这些网络元件的继电器组成。其主要作用一是进行阻抗变换，将与频率、天气、天线形式等因素有关的天线输入阻抗变换为短波电台发射机末级所要求的最佳负载，确保其功率放大器安全可靠地工作；二是对短波电台发射机输出射频信号进行滤波，保证其低谐波输出。

常用网络形式[2]有“倒L”网络、“T形”网络以及“Π形”网络。其中“倒L”型网络只用两个调谐元件，其优点是调整和结构都比较简单，容易实现，缺点是匹配范围有限，滤波性能较差；“T形”网络和“Π形”网络都是由三个调谐元件组成的调谐网络，它们实际是两个“倒L”形网络的组合，具有宽的匹配范围和较好的滤波性能。在短波天调中多用“Π形”网络，采用自动调谐、记忆的方式实现工作频点的阻抗匹配。

在实际应用中，三种网络形式的匹配网络都存在不同程度的发热问题，这可能导致网络的性能下降，进而影响短波通信系统的正常工作。因此，研究天调匹配网络的发热问题显得尤为重要。

3 短波天调匹配网络发热的原因

短波电台发射机工作时，其天调的匹配网络可能存在大量发热的问题，主要原因有以下几点。

（1）陶瓷电容的发热问题

引起陶瓷电容发热的主要原因是等效串联电阻（ESR）和最大工作电流（Imax）。计算线路中电流的平方（Ic2）和ESR的乘积就能方便地得到陶瓷电容在射频设备中的实际耗散功率（PCD）

PCD=Ic2×ESR

ESR综合了介质材料，电极，终端，以及终端与电级界面的所有损耗。当实际工作电流大于最大工作电流或者ESR较大时，陶瓷电容就会大量发热。

（2）继电器的发热问题

导致继电器发热的主要原因是最大接触电阻和最大连续工作电路电流。计算线路中电流的平方和最大接触电阻的乘积就能得到继电器在匹配网络中的实际耗散功率。当实际工作电流大于最大连续工作电流或者接触电阻较大时，继电器就会大量发热。

（3）空心线圈的发热问题

额定电流和品质因数（Q值）是造成空心线圈发热的主要原因。当空心线圈上的实际工作电流大于额定电流时，空心线圈将发热，严重时会烧坏；品质因数（Q值）是指空心线圈在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。它的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。空心线圈的品质因数（Q值）越高，其损耗越小，效率越高，发热越少。反之，品质因数（Q值）越低，损耗越大，效率越低，发热越大。空心线圈的品质因数计算公式如下：

Q=ωL/R

式中：

ω-工作角频；

L-空心线圈的电感量；

R-空心线圈的总损耗电阻线圈的总损耗电阻，它是由直流电阻、高频电阻（由集肤效应和邻近效应引起）介质损耗等所组成。

4 发热问题的解决方法

解决短波天调匹配网络发热问题，首先要确定发热源，即那些网络元件温度最高，然后针对不同的发热元件，采取相应措施，进行适当的处理，最终将网络元件的温度控制在合理的范围内。下面将结合前面提到的三种发热原因，进行深入讨论并提出解决方法。

（1）陶瓷电容发热问题的解决方法

陶瓷电容发热，首先，应该选用超低ESR和较大承载电流的电容产品，对于高射频功率的发热控制尤其如此。其次，可以把单个电容通过串联，或者并联的方式组合成电容组，电容组大大扩展了容值和对电流，电压的耐受能力。最后，将电容安装在散热器上，以便对其进行散热。因为热主要由电容终端传导到散热器，所以使用带银质微带线的电容，能有效地使热从电容表面流走，同时，有关材料的导热率也是十分重要的。

（2）继电器发热问题的解决方法

对于继电器发热问题，由于其高度的集成性，一般只能在同类型器件中选择性能指标更高的来替代。主要是选择耐压值高，承载电流大，接触电阻小的同类器件替代。

（3）空心线圈发热问题的解决方法

为了解决空心线圈发热问题，首先，应该选用多股的绝缘铜线代替具有同样横截面的单股铜线，以减少集肤效应。其次，可以采用镀银铜线，以减小高频电阻，提高线圈的品质因数。最后，如果重量要求不严，可以采用介质损耗小的高频陶瓷为骨架，由于高频陶瓷具有较好的导热性，可将部分热量通过陶瓷骨架传导到壳体上，有利于空心线圈的散热。

通过试验，证明了上述方法在解决天调匹配网络发热问题时具有可行性。

5 结束语

文章介绍了短波天调匹配网络的作用和常用的一些网络型式，详细论述了匹配网络主要的发热问题，并给出了解决不同发热问题相应的方法，为短波天调设计者提供了很大的帮助。

参考文献

[1]胡中豫.现代短波通信[M].北京：国防工业出版社，2003.

[2]秦旭.嵌入式智能矢量天线调谐系统[EB/0L].[2005-10-19].http：//www.freescale.com.cn/mcu2004/chi/pdf/10080.