两频共馈共塔网络的分析与设计

张雅静

(忻州中波转播台，山西 忻州 034000)

多频共馈共塔已经是一个技术相当成熟的领域，本文主要是研究分析两频共馈共塔的匹配网络，并实时进行理论设计。

1 匹配网络的分析

由于铁塔天线造价高而投资大，随着网络应用技术的发展，出现了多频共馈共塔的应用技术，阻塞网络在许多书籍中多有介绍。这里不再重述，只是着重介绍两频共馈共塔的匹配网络。

图1示出了两频共馈共塔网络的方框图。

设f1和f2分别为两个工作频率，且f2>f1。

图1 两频共馈共塔网络方框图

我们知道工作频率不同，天线的输入阻抗不同，因而连接天线和馈线的匹配网络元件参数也就不同。为了把两个不同频率的天线输入阻抗通过一个网络转换成一个特定的馈线特性阻抗，显然不能使用与单频匹配网络完全相同的网络元件，而必须使用电抗值随频率变化的网络元件，这里介绍由并联回路代替匹配网络中的串联臂电抗和并联臂电抗匹配网络元件参数的确定。

设天线输入阻抗中的电阻分量Ra小于馈线特性阻抗Zc，则匹配网络形式如图2所示。

图2 匹配网络形式

在图2(b)中，设X1为L1，c1并联后的阻抗，X2为L2，C2并联后的阻抗，则有

(1)

(2)

对于频率f2，天线阻抗Za1=Ra1+jXa1匹配时的X1为X11，X2为X21；对于频率f2，天线阻抗为Za2=Ra2+jXa2匹配时的X1为X12，X2为X22。

由式(1)在对频率f1匹配时：

(3)

在对频率f2匹配时：

(4)

让式(3)与(4)相等得：

(5)

将式(5)代入(3)得：

(6)

由式(5)与(6)可以看出，要使L1与C1为正值，在ω2>ω1时，必须要满足下列条件。

1) 当X11、X12同为正值(即呈感性)时，必须满足X12ω1>X11ω2。

3) 当X11为正值(即呈感性)，X12为负值(即呈容性)时，X11、X12可为任意值。

4) 当X11为负值(即呈容性)，X12为正值(即呈感性)时，X11、X12不可为任意值。

L2、C2并联回路的求解与分析与上述完全相同(从略)。

上述分析也完全适用于Ra>Zc和Ra=Zc的初始条件。

2 匹配网络计算举例

已知：f1=801 kHz，f2=1 048 kHz，za1=43-j3.8(Ω)，za2=95+j116.6(Ω)，zc=230 Ω，求匹配网络各元件参数值。

因za1和za2中的电阻分量都小于Zc，所以网络采用T型匹配形式。如图2。

对于801 kHz，匹配时：

(7)

=93.47 Ω

(8)

对于1 048 kHz，匹配时：

(9)

=3.3 Ω

(10)

由上面的计算可知，匹配时并联臂电抗X1在801 kHz时为，X11=110.3 Ω，在1 048 kHz时为X12=-192.9 Ω，频率升高容抗变大，这显然不能用单纯并联回路来满足，需要使用如图3所示的并串回路。而对此串联臂电抗X2，在801 kHz时为X21=93.47 Ω，在1 048 kHz时为X22=-3.3 Ω，为使网络留有一定的调节余地，X22可认为在O值附近变化。而在X22>0时，X21和X22均为正值，在ω2>ω1的情况下，ω1X22<ω2X21，这不能满足L1、C2为正值的要求，因此，不能用单纯的并联电路作为τ型匹配网络的串联臂。也需使用图3所示的串并联电路做串联臂。

2.1 求电抗X1所含各元件参数值

在图3中，取C1=1 000 PF，则

图3 并串-串并回路电路图

=199 Ω

(11)

=151.7 Ω

(12)

(13)

(14)

整理后得：

(15)

(16)

整理后得：

(17)

由C1的两个等式得到：

(18)

L1=2.8 μH

(19)

2.2 求电抗X2所含各元件参数值

在图(3)中，取C2=1 000PF，则

=22.9 μH

(20)

对于801 kHz

(21)

又由前面计算知X21=93.47 Ω

(22)

≈8.8 μH

(23)

2.3 匹配网络各元件上的电压、电流和功率

两频共馈共塔匹配网络各元件电压、电流和功率的计算相对来说比较复杂。首先必须画出每个频率的等效匹配网络、然后计算出等效网络中X1和X2的电压、电流值，最后计算出X1与X2中所含各元件的电压、电流和功率值。

由于共塔两部发射机输出功率不一定相等，并且两个频率等效匹配网络各电抗数值有时相差甚大，故在一般情况下，匹配网络电压、电流和功率的计算要在两个频率上分别进行。以较大者来考虑元件承受量，作为元件选取和元件设计乃至网络总体设计的基础数据。以下是上述两频共馈共塔匹配网络每个频率的等效匹配网络及各元件上的电压，电流和功率值(计算过程从略)。

1)f1=801 kHz

f1=801 kHz时，图3匹配网络可等效化为图4(a)形式。其中X1网络示于图4(b)，X2网络示于图4(c)。

图4 f1=801 kHz时，匹配网络等效图

设f1发射机输出功率为P1=10 kW则有：

当m=0时：

U1=2 145 V(峰)I1=138 A

UL1=1 738 V(峰)IL1=87.8 A

U2=2 015 V(峰)I2=15.25 A

UL2=2 769 V(峰)IL2=17 A

Uc2=754 V(峰)Ua=931 A(峰)

Pa=10 kW

当m=1时，

UL1m=3 467 V(峰)Ic1m=90.6 A

IL1m=107.5 A

Uam=1 862 V(峰)Iam=18.7 A

Pam=15 kW

2)f2=1 048 kHz

f2=1 048 kHz时，图3的匹配网络可等效化为图5(a)的形式。其中X1网络示意图5(b)，X2网络示意图5(c)。

图5 f2=1 048 kHz时，匹配网络等效图

设f2发射机输出功率为P2=10 kW，网络各元电压，电流和功率，根据图5(a)，(b)，(c)(计算过程从略)得：

当m=0时

U1=2 145 V(峰)I1=7.9 A

UL1=447 V(峰)IL1=17.2 A

U2=34 V(峰)I2=10.26 A

UL2=7 259 V(峰)

Uc2=7 308 V(峰)

Ua=2 182 V(峰)Pa=10 kW

当m=1时，

UL1m=894 V(峰)Ic1m=30.5 A

Uc2m=14.6 kV(峰)IL1m=21.1 A

UL2m=14.5 kV(峰)IL2m=41.6 A

Uam=4 364 V(峰)Iam=12.6 A

Pam=15 kW

3 总结

本文较详细地介绍、分析了两频共馈共塔的匹配网络相关问题，并成功实现了匹配网络的理论设计目标，从而为两频共馈共塔网络的整体设计提供了支撑和基础，具体元件参数在安装，调试中还需根据分布参数条件调整，以达到预期的效果。