短波广播发射机平衡转换器工程实现原理

田曙光

【摘 要】本文简介了信号传输及平衡-不平衡转换基本原理，重点阐述在短波发射传输系统中发射机与天馈线系统之间的平衡转换器，及其完成射频信号不平衡到平衡转换、阻抗变换的工作原理与工程实现。

【关键词】平衡信号；非平衡信号；平衡转换器；原理

0 前言

平衡转换器是连接平衡传输系统与非平衡传输系统的设备。在模拟电子通信系统中，不同的系统单元为了达到同其它级设备相连接，常常需要把放大器输出的不平衡信号转换成平衡信号，这样，就要使用平衡-不平衡转换器，以把不平衡的信号或电路系统转换成平衡的信号或电路系统；反过来也是可行的，平衡-不平衡转换器也可以把平衡状态的信号线路系统转换成不平衡系统。同时，在通常的工程实际应用中，也会要求实现一定的阻抗变换，以达到不同系统间的阻抗相匹配。短波广播发射机平衡转换器就是实现发射机功率放大器系统与天馈线传输系统之间信号平衡转换及系统阻抗变换的设备。

1 信号的平衡传输及转换

1.1 平衡传输

在信号的传输过程中，如果信号被传输系统直接传送，那么可以称这样的信号为非平衡信号，如果把原始信号反相，然后同时传送反相的信号和原始信号，那么这组信号就可以称之为平衡信号。也就是说在模拟信号线路中，电平信号的传输可以分为两大类，一是平衡传输，其在平衡单元的输入或输出端口有两根并联的导线组成输入输出线，一根传输0°信号，另一根传输的是信号幅度与前者相等，相位相差180°的反相信号，这样，大小相同的电流在两根导线中方向相反地流过，即电流数值相等、但方向相反。另外，一种就是所谓的不平衡传输，其中一端线路接地，一端线路传送信号。平衡线路描述的是两根信号线，而不平衡端描述的则是导线与地线/地平面。或者可以这样认为：平衡线路以信号线作为回流路径，而不平衡线路以地作为回流路径。

不平衡传送，一根作为参考地，一根为信号。高频时，常采用同轴电缆，对电波干扰，有较强的抗干扰作用，对防止对外干扰，也有一定作用，但结构不平衡，对抗磁场干扰能力差。其优点是和其他设备连接简单，工程成本低。而平衡式的传送方式，由于其在传送过程中，两条线路会同时受到相近的外部的干扰，变化相同，具有共模抑制的优点，因此更加抗干扰，不易受外界因素如交流声、其他串音、电器设备噪声等的干扰。对电场、磁场也有较强的抗干扰性。

1.2 平衡转换器

由于信号采用平衡传输的方式具有较强的抗干扰性，因此在电子通信领域的很多场合，都被广泛采用。而实际应用中的很多信号源或通信传输单元都是不平衡的信号或系统，这样，就必须使用平衡-不平衡转换器实现不同系统单元间的连接，即所谓的平衡转换器。

在发射台的传输系统中，发射机信号源单元输出的信号一般为单边的不平衡信号，而信号传输发射的天馈线系统需要的是平衡信号，因此需要使用射频信号平衡转换器，将发射机产生的不平衡信号转变为平衡信号。另外，还需实现发射单元的输出阻抗与天线输入端的阻抗匹配，因为这两者如果不匹配，则将产生驻波（输出信号没有经过天线发射出去而返回到了发射单元），影响发射机输出功率，严重失配时甚至可能损坏发射单元设备。因此，平衡转换器有两个作用，阻抗变换和非平衡-平衡转换。

平衡转换器的作用除了平衡-不平衡变换之外，同时还视其形式、结构，可以进行1：1、4：1、6：1、9：1、25：1等比值的阻抗转换。按天线理论，偶极天线属平衡型天线，而发射机输出的同轴馈管属不平衡传输，若将其直接连接，则同轴馈管的外层就有高频电流流过（按同轴电缆传输原理，高频电流应在电缆内部流动，外皮是屏蔽层，是没有电流的），这样一来，就会影响到天线的辐射 （可以想象成电缆的屏蔽层也参与了电波的辐射）。因此，就要在天线和同轴馈管之间加入平衡-不平衡转换器，把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉，也就是说把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断。

要达到这样的目的，有多种办法：一种是高频开路法，即在电缆屏蔽层外皮1/4波长处外接一根1/4波长的套筒（等效于1/4波长的开路线），因1/4波长开路线对于该频率视为开路，就达到截断高频电流的作用。这种办法对工作带宽窄、频率低时，1/4波长套筒就显得很长，较适合大功率高频率使用。

另一种是抵消法，想办法使流入的电流大小相等方向相反而互相抵消，应用较多的用磁环三线绕的平衡-不平衡转换器就属这种，这种频带较宽，但使用在大功率时受磁环磁饱和的限制，适合低频率小功率使用。

再一种是变压器法，通过高频变压器实现平衡-不平衡转换，原理就像推挽输出变压器一样，把双向平衡电流变换成单向不平衡电流。变压器可采用磁芯或空芯绕成，适用大功率使用。

还有一种是抑制法，振子经过一高频扼流圈接电缆屏蔽层外皮，以阻止高频电流流向电缆屏蔽层外皮，此法比较简单，就是把电缆绕十圈左右，绕在磁环上更好，空心也没关系，一般是频率低多绕几圈，频率高少绕几圈。

2 大功率短波发射机平衡转换器

大功率短波广播发射机，其核心的功率放大器件为四极真空电子管，功率放大器输出的射频信号是单边的不平衡信号，而发射台的馈线传输系统为平衡系统，因此需实现信号的平衡转换以及两个单元的阻抗匹配。这里涉及到两个部分的转换，一是平衡与不平衡之间的转换，二是阻抗的变换，故此，将这类变换器称之为阻抗-平衡转换器更确切一些。

工程实际应用的平衡-阻抗转换器可以有多种结构形式，在中小功率时，常用宽带变压器，它可以将75Ω或50Ω的单端阻抗通过宽带变压器，一次转换成300Ω或600Ω的平衡阻抗，其功率等级一般在30kW以下，由于是宽带的，就没有调配元件，其尺寸比较紧凑，但是耐受由天馈线系统在特殊情况下引入的高电压、大电流的能力较差。同时，由于器材原因，限制了其使用的功率。目前，常用的大功率的平衡-阻抗变换器通常采用传输线变换的方式，由于工作频率在短波段，因此尺寸比较庞大。这类阻抗变换器又分为两种：一种是室内型，全部在方形同轴馈筒中进行变换，通过适当互联和调配，入口处的50Ω或75Ω的单端阻抗在出口处就变成了双端平衡的300Ω或200Ω的阻抗，这类阻抗变换器尺寸长度通常在6～7m左右，其尺寸主要取决于低端的工作频率；传输线式阻抗变换器的另一种形式称之为场地型，它可以代替一段几十米的馈线来实现阻抗和平衡的转换。场地型指数线由于占用了馈线的长度，因此适于在平地使用，由于没有可变的调配元件，使用要方便一些，但是由于它工作在户外，所以要注意经常对其进行必要的维护，以提高其工作的可靠性。

2.1 功能

本文以50kW短波广播发射机的室内方形同轴馈筒型平衡-阻抗转换器为例，其平衡转换器的功能是将发射机75Ω同轴馈管输出转换成300Ω平行对称双线输出。它一是完成75Ω到300Ω阻抗变换，另一方面起到不平衡到平衡的变换作用。

2.2 技术参数

工作频带： 3.9MHz-22MHz

阻抗变换： 75Ω不平衡变为300Ω平衡

输入： 75Ω同轴线，外导体内径Φ150

输出： 300Ω平行双线

驻波比：小于1.2（负载300Ω时）

2.3 工作原理

大功率短波广播发射机平衡转换器有几种形式，这里我们采用的是75Ω转为300Ω、变比为4：1，工作原理如图1所示。

从图1可见，由75Ω同轴线一分为二，两个并联分支的阻抗各为150Ω，然后将其中一条分支线的内外导体反接，这样两个分支线的输出端内导体的极性是相反的，从一个内导体到外导体再到另一个内导体形成串联，因此这两个内导体引出来就形成300Ω的对称平衡双线。由于其中一条支路的内外导体反接引起不平衡馈电，其外导体的外界会引起功率传输和辐射，为了避免这一现象，将这个支路用铝板包起来形成一段短路馈线，其横截面为外矩内园的同轴线。如图2所示。

这条短路线的长度小于传输信号的1/4波长，因此呈感性，为了消除其影响并按适当的电容形成并联谐振，从而实现不平衡到平衡的阻抗变换。

2.4 设计计算

平衡转换器的等效原理图如图3所示。

根据微波传输线设计手册，若特征阻抗约为100Ω，查得：

经计算，频率与射频谐振回路中电容量、电感量的关系如表1所示：

选用两个20-1500pf/7.5kw陶瓷可变真空电容器，要使输出的平行对称线的出口处相位相反，则要求两根馈管的有效长度相等，但由于结构实现上有差异，需要通过可变补偿电容器来补偿。补偿电容的电容量控制，在发射机调试和天线调配时，将对应各个频段的补偿电容量调试到最佳量，在实际使用时通过发射机的自动调谐装置来实现自动补偿调整。

3 结束语

大功率短波发射机使用平衡转换器，既完成了发射机输出信号的不平衡到平衡的转换，同时，又实现发射机与天馈线的阻抗匹配。其结构简单、性能稳定，对电场、磁场也有较强的抗干扰性，而且在实际的工程实践中易于维护，因此在短波发射机系统中有着广泛的使用。

【参考文献】

[1]张学田，主编.广播电视技术手册.第6分册.发射技术[M].国防工业出版社，2000.

[2]李天德，总编.广播电视发送与传输《维护手册》.第11分册.中短波广播天线设备[M].国家广播电影电视总局无线电台管理局，2001.

[3]SW50B-50kWPCM 短波广播发射机技术说明书[S].

[责任编辑：汤静]