合成网络建模仿真技术在广播发射机中的应用

林晰明

（国家新闻出版广电总局523台，吉林　长春　130000）



合成网络建模仿真技术在广播发射机中的应用

林晰明

（国家新闻出版广电总局523台，吉林长春130000）

摘要：广播发射机的输出功率大都采用功率合成技术，提高了广播系统设备的可靠性，保证高质量的安全播出，利用系统仿真工具对广播发射机的合成网络建模与仿真，可以高效地实现广播发射系统的性能评估和方案论证。

关键词：合成网络；建模与仿真；广播发射机

随着社会的发展和科学的进步，广播越来越成为人们生活中不可或缺的媒体，电信媒体的繁杂、信号发射的相互干扰，社会发展对电磁环境要求越来越高，所以，尽量减少不必要的广播电视信号电波的排出，减少其中的电磁污染是时代和社会对我们的要求，而另一方面，社会的发展又不断的要求我们去不断技术更新、技术进步，发射机性能实验、指标的调整与提高又要通过不断的实践，数据积累才能得到科学准确的结构。在我们的实际工作中发射机的检修维护和故障排除等各个环节都要求整机的开启，也不可避免的将无用的电信号排入到天空中。故此为了能解决这一矛盾，建立一个合成网络建模仿真系统，应用在科学实验、发射机机修维护、故障排除及元器件测量中，则能很好地解决无用电波的排出及无用电磁造成的环境污染问题。

1　合成网络建模与仿真的应用平台

合成网络建模与仿真要借助于电路软件平台进行电路仿真。电路仿真就是设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计。

1.1应用平台软件介绍

电路仿真一般分为3个级别：物理级、电路级和系统级。我们着重应用的是电路级仿真。目前的电路仿真软件有很多种，包括Protel，Multisim，Protues等。Protel的高版本Altium Designer是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。电路仿真软件的主要指标是仿真项目的数量以及仿真元器件的数量和精度。结合广播发射机的实际需求和应用元器件的数量和指标，本文选用了PROTEL软件实现合成网络的建模与仿真。PROTEL仿真软件提供了许多分析功能，包括直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、失真度分析、参数扫描分析、传输函数分析、灵敏度分析、温度扫描分析、静态工作分析等，从基本的到极端的分析都涵盖，同时可以将一个分析作为其他分析的一部分自动执行，具有交互式测量和分析功能。

1.2应用平台软件的建模仿真分析功能

下面主要介绍一下应用平台软件的几个重要分析功能。

1.2.1傅立叶分析

由于需要建模仿真的电路中包含故障信息的关键点信号，这种信号通常具有周期性，所以采用傅立叶变换将时域信息变换到频域中分析。利用时域信号和频域信号的对称性，利用连续信号傅立叶变换的数值计算方法给出时域和频域信号的对比波形图，直观地再现分析过程。

1.2.2静态工作分析

静态分析就是直流分析，按照设计电路编辑仿真原理图，添加适当的具有仿真属性的元器件，可设置开路、短路、漏电阻等参数，设置仿真方式，仿真软件会自动将节点电压，支路电流以及元件消耗能量和电源端等效电阻这些数据以列表和图形2种方式展现出来，将电压、电流、功率标识在电路图中。

1.2.3参数扫描分析

用户可以设置参数变化的开始值、结束值、增量值和扫描方式，从而控制参数的变化。将电路参数设置在一定范围内变化，以分析参数变化对电路性能的影响。也就是相当于对电路进行多次不同参数的仿真分析，能够快速的检验电路的性能，参数扫描可以有3种分析，瞬态分析、交流频率分析和直流工作点分析。

1.2.4温度扫描分析

温度扫描分析相当于在不同温度下仿真电路性能，研究温度变化对其影响，温度扫描分析只影响合成网络建模中的模型与温度有关的元件。

1.2.5直流扫描分析

直流扫描分析是计算电路在不同的直流电源下的直流工作点，每次变换不同的数值对电路进行不同的仿真，能够快速的确定电路的直流工作点，直观地显示出直流扫描曲线。

2　广播发射机的合成网络构成

广播发射机的功率合成基本由多路传输线变压器，以及多路平衡电阻，再通过阻抗变换网络，使输出阻抗达到天线阻抗的匹配要求，最后将信号送到天线完成广播节目播出。传输线宽带合成时候的功率关系与90度相移传输线合成时候的功率关系相同。负载上的功率与平衡电阻上的总功耗关系相同。

3　广播发射机中的合成网络建模仿真

目前我国的广播系统中广泛使用的主流发射机类型是DX系列发射机，下面就以DX系列中的DX-600发射机为例进行仿真分析。

DX-600中波发射机主要由三部分构成：3个200KW功放单元（PB200），发射机控制单元（TCU）、合成网络控制单元（CCU）。根据图1可以看出，3个200KW功放单元（PB200）输出的射频功率经过合成网络进行合成，然后通过阻抗变换，使输出阻抗达到天线阻抗的匹配要求。根据图1我们能看到3个90°相移网络、主合成π网络、阻抗电阻以及几个切换开关，共同完成了3个功放单元的阻抗变换和功率合成输出。

图1　DX-600中波发射机构成

3.1建模仿真中的阻抗分析

阻抗匹配是广播电视信号传输和发射中的重要环节，只有阻抗匹配才能使广播发射机的能量得到有效的传输，负载获得最大的有效功率。合成网络建模仿真中的阻抗匹配特性分析是广播发射机仿真能否真实地反映实际网络系统的重要指标。合成网络的建模仿真软件通过输入源阻抗和负载阻抗得到所需电路。两端阻抗是固定的，主要用仿真软件在两者之间插入一个设计好的网络来达到合适的阻抗匹配，仿真实现的方法是不断地在仿真电路图中增加串联并联元件，直到得到我们想要的阻抗。下面我们以主合成π网络为例进行具体介绍，主合成π网络的输入阻抗为5600，而输出阻抗是50Ω，而设计好的π网络仿真模型具有同样的阻抗变换特性。图2是主合成π网络输入阻抗模型。

图2　主合成π网络输入阻抗模型

我们先把扫描分析频段设置为700~850KHz，随机选择中波频率为783KHz，然后通过软件进行仿真。

通过软件仿真能够取得该电路的输入的实部、虚部和幅度曲线，通过读取记录数值，可以看出工作频率为783KHz时输入抗阻为（-12+32i）Ω。不能满足抗阻匹配条件。

图3　主合成π网络输出抗阻模型图

输出抗阻分析：之后我们调整信号源位置并且设置源阻为565Ω，如图3所示。

采用上面相同的操作方法取得了结果抗阻曲线实部、虚部和幅度曲线并且读取记录数值，可以得到该网络的输出抗阻为（-10+19.8i）Ω也不满足匹配条件。

以上进行了输入抗阻和输出抗阻分析来实现阻抗匹配，但是都达不到要求，接下来通过参数扫描分析和参数调整来实现阻抗匹配。

3.2建模仿真中的参数扫描分析和调整

在基本电路特性分析中，每个电路元器件的取值是固定的，但是在参数扫描分析中要考虑电路元器件的取值和属性对电路特性所带来的变化，对每次取值都进行电路特性分析，找出最优解决方案。在进行阻抗参数匹配调整的时候，比较有效的方法就是以抗阻的实部和虚部作为校准检测，以抗阻的幅度曲线做调整依据，这样就避免了实部和虚部参数间的反复调整的问题，也节省了不必要的电路分析。

3.3参数的设置以及合成参数值的确定

首先我们将元件C1的参数扫描范围设置在50-70nF之内，将取样间隔设置为5uF，通过曲线对比选择了C1的参数值位于55-60uF之间。

仿真频率设置在700-850KHz之间，同时将扫描范围选取在5-70uF，间隔为1uF，对比曲线数值，我们选取的最佳数值为57uF。

根据以上的分析我们不难发现，广播发射机合成网络的仿真可以通过采用的合成仿真技术来实现。按照发射机合成网络的实际结构和通过采用抗阻匹配、参数扫描分析和调整方式来构建的仿真模型，其主要由主合成π网络、90°相移网络和无线系统三部分组成。

4　仿真性能分析

4.1抗阻匹配特性分析

我们在对全网络分析时，在信号源处加入了与输入抗阻相同的源内阻，以满足复合网络匹配的要求。如图4中的PS1，RS2，RS3，它们都是各自的信号源内阻。

图4　PS1，RS2，RS3

首先是对各个功放单元的输入阻抗进行分析。每个功放单元的输入阻抗是相同的，以功放单元PB1阻抗为例，根据扫描的实部曲线、虚部曲线以及幅度曲线进行取值，其抗阻值为（-84+0i）Ω减去设置的功放单元源内阻，那么单独一个功放单元的阻抗为42Ω，同广播发射机的实际输入阻抗一致。

然后是输出抗阻分析，设置等效输出源内阻为50Ω，各功放单元输入阻抗为40Ω作为网络的负载阻抗，如图5所示。

图5　输入阻抗为40Ω作为网络的负载阻抗

采用相同的阻抗分析方法，可以由曲线分析中得出输出阻抗为（-100+0i）Ω所合成网络的输出阻抗为50Ω，与发射机各功放单元实际输出阻抗一致。

4.2频响特性分析

频率响应是广播发射机的主要电声指标之一，一个多级放大器的频率响应受组成它的各个放大电路的影响，通过仿真电路对其中的一级放大电路进行仿真，比较其与整体放大器的关系，再使用软件自带的波特图分析仪对电路的频率响应进行分析，得出电路的幅频特性。电路的上下限截止频率都清晰的在图中体现出来。

下面我们以783KHz为基准工作频率进行频响特性分析，其合成曲线如图6所示。

图6　合成曲线

根据图6能够看出其频率响应完全满足广播发射机的实际要求。

5　结语

广播发射机合成网络的建模仿真，除了上面介绍的通阻抗变换与匹配、参数扫描分析和频率响应分析之外，还有其他的温度扫描分析，和交流直流分析等，通过分析和实际论证，建模仿真的阻抗匹配特性和频率响应特性与广播发射机的实际功率合成网络工作能达成一致，同时也能实现仿真广播发射机合成网络的工作状态。广播发射机合成网络的建模与仿真有效地解决了电波排放污染环境与便利维护、保障安全播出之间的矛盾。

［参考文献］

［1］魏瑞发.数字化调幅发射机［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［2］清源科技.Protel99se电路原理图案设计与仿真技术［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］王正谋.Protel9se电路设计与仿真技术［M］.福州：福建科学技术出版社，2005.

［4］康华光.电子技术基础模拟部分［M］.北京：高等教育出版社，1999.

Synthesis of Network Modeling and Simulation Technology in the Application of the Radio Transmitter

Lin Ximing
(State General Administration of Press and Publication, Radio and Television 523, Changchun130000, China)

Abstract：Broadcast transmitter output power are mostly USES the power synthesis technology， improve the reliability of the broadcasting system equipment, ensure the safety of high quality, using system simulation tools for the synthesis of broadcast transmitter network modeling and simulation, can effectively achieve the radio emission system performance evaluation and project demonstration.

Key words：network synthesis; the modeling and simulation; radio transmitter

作者简介：林晰明（1989-），女，吉林长春。