仿真软件在中波八塔天线阻抗调试中的辅助应用

陈志

摘要：使用射频仿真软件Multisim和Smith圆图对中波八塔天线调试中Γ网络匹配、双T移相网络调试、行波指示器设计的改进进行了仿真，直觀地表现了电路的技术特性，提升了调试工作的效率。

关键词：中波八塔天线；Γ网络；双T移相网络；行波指示器；Multisim仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）07-0195-03

1 引言

中波八塔天线是中波多塔天线中的一种，主要应用于对播出覆盖方向有特定需求的中波广播，具有相对于接地短天线增益高，半功率角小的特点，可实现将播出功率集中于某一个方向进行大功率远距离播出。八塔天线由四个发射塔和四个无源反射塔组成，其发射塔之间、反射塔之间的距离等于或略大于二分之一波长，发射塔与反射塔之间的距离等于或略大于四分之一波长。如果改变送到每个发射塔上电流的相位，八塔天线还可以实现偏向发射，其馈电连接见图1所示。

图中下部为主调室，主馈线为37.5Ω与发射机房相连，75Ω分馈线从主调室分别连接至分调一二和分调三四之间，通过斜连接后分为两段，与150Ω支馈线和四个调配室连接。每个调配室内都安装有用于匹配的调配网络，使用多方向播出时，还需要在必要的链路中安装移相网络。中波八塔天线的阻抗匹配调整、移相网络调整是调试环节当中的重要工作，也是调试工程量最大的部分，本文通过在实践工作中使用计算机仿真软件协助调试人员更准确快速的完成调试工作取得了较好的效果。

2 Smith圆图在八塔天线阻抗匹配中的应用

Smith圆图软件是用于射频仿真中最常用的工具软件，史密斯圆图本身是用于求解均匀传输线有关阻抗计算和阻抗匹配问题的一类曲线坐标图，使用归一化阻抗或导纳的实部和虚部的等值线簇与反射系数的模和辐角的等值线簇来构成两组坐标线，所有这些等值线都是圆或圆孤，故称其为阻抗圆图或导纳圆图，将它们重叠在一起构成了史密斯圆图。为了更好地发挥史密斯圆图在RF领域的作用，瑞士的F.Dellsperger教授把它制作成了史密斯圆图软件。该软件省略了复杂的人工计算，通过人机交互式界面对原理图进行编辑与设计，实现参数计算、电路模拟仿真与分析，另外软件还将各种匹配电路、衰减器、滤波器等RF常用的电路模块嵌入到该软件中，通过计算机的键盘或鼠标输入设计参数，该软件即可进行模拟仿真分析[5]。

中波八塔天线发射塔由于设计功率很大，常使用低特性阻抗天线，通过查找波长与阻抗值得图形可以得知其特性阻抗在45到100Ω之间，由图一可知，连接到分调室的馈线其特性阻抗为150Ω，根据Γ网络使用的特点可知，可以选用正Γ网络，以实际工程中使用运行阻抗电桥在1.2MHz时的测试值65-j35为例，打开Smith圆图软件点击Extras进入下拉菜单点击settings，在Default Z0框内填入150，单位选Ω，在Default frequency内填入1.2，单位为MHz，此时阻抗变换的起始点在Smith圆图内标记为DP1点，在正Γ网络串臂选择电感，从DP1点产生一个深蓝色的曲线连接至与大圆中心相切的蓝色圆相交到达DP2点，此时选择并臂电容，从DP2点产生一个深蓝色的曲线连接至大圆中心到达150Ω完成匹配，此时电感值为14.5μH，电容值为1nF，阻抗变换后得阻抗值为149.2-j0.4，基本达到了变换的目的，其变换过程见图2所示。

我们可以使用常用的计算方法来验证电感与电容的值是否正确，

由计算结果可以看出，仿真结果与计算结果一致，说明仿真结果正确。

在实际调整过程中，Smith圆图不仅仅用来计算这个元件值，其图形的变化过程对于工程技术人员的调整有着重要的指导价值，通过调整元器件的大小使用测试仪器可以测试得到结果，其结果与150Ω的理想结果相比往往存在四种情况，我们习惯上称为四象限法，以150Ω为坐标中心，测试结果位于第一象限时，实部虚部均大于理想值，测试结果呈现感性，测试结果位于第二象限时，实部小于理想值，虚部大于理想值呈现感性，测试结果位于第三象限时，实部虚部均小于理想值，测试结果呈现容性，测试结果位于第四象限时，实部大于理想值，虚部小于理想值呈现容性，对待这四种测试结果，其对应的调整方法为：测试结果位于第一象限时，减小电感增加电容；测试结果位于第二象限时，增加电感增加电容；测试结果位于第三象限时，增加电感减小电容；测试结果位于第四象限时，减小电感减小电容；通过这四种调整方法测试结果会逐步趋近于理想结果，在测试结果距离坐标原点越来越近时，往往微调一个元器件即可达到理想值。使用软件仿真结果的帮助可大大提高调整的效率，减少不必要的时间浪费。

3 Multisim对双T移相网络的仿真

3.1双T移相网络

为了实现八塔的偏向发射，在主调室和分调室内都安装有移相网络，其设计思路就是每个发射塔之间的电流相位均相差一个固定的值，这样可以实现将功率集中在某个偏向角度发射，达到特殊的覆盖要求，每个移相网络的移相角度根据需要偏移的角度和发射塔之间的间距以及发射塔与反射塔之间的间距计算得来，以1.2MHz为例，发射塔间距132米，偏向发射20度时，可计算出移相网络需要移的相位是65.0111888433431度，也可以计算出双T网络元件值，其主调室两个移相网络，每个移相网络使用双T网络实现，每个电感是2.89986661085187uH，电容容量为950.299939287993pF，分调室有一个双T移相网络，每个电感是5.79973322170375uH，电容容量为475.149969643996pF，计算出元件值后我们可以通过Multisim软件进行仿真以验证计算结果是否正确。

3.2Multisim仿真双T网络结果

使用Multisim软件仿真电路如图3所示。

从结果中可以看到，在1.2MHz时移相角度为64.978，阻抗值得模为0.999与计算结果基本一致。

3.3对双T网络的测量和调整

有了具体的元器件值，在实际调整过程中对双T移相网络使用安捷伦网络分析仪进行测试，在分调室内的移相网络，其技术要求是终端接150欧标阻时，从网络的入端测试也是150欧，其移相角度为正反向均为65.01度。

工程中为了节省投入，有时会使用一个电感通过抽头的方式实现双T网络中的四个电感，由于电感之间存在互感，在实际调试中难度是相当大的，对于一个已知的测试结果，阻抗值偏离理想值或者移相角度偏离理想值，需要调整六个元器件当中的哪一个是工程技术人员非常棘手的问题，调整好一个双T网络需要四个工作日甚至更长的时间，通过使用Multisim仿真软件可以大大提高调整的效率，在图三中，其元器件的值比计算值大一倍，将增量设置为以50%为基础按照1%变化，通过快捷键可修改不同的元器件按照1%变化，可以得到多个结果，将结果按照1%、3%、5%变化的结果记录成表，再将仪器测试结果与仿真结果进行比对，可以得知是哪个元器件偏离理想值最远，通过反复调整，可将双T移相网络调整到接近理想值，使用此方法可将调试时间由四个工作日缩短到一个工作日甚至半个工作日，大大提高了调整的效率。

4 Multisim对行波指示器电路的仿真及改进

行波系数对于中波馈线是个重要的指标，在射频领域多以驻波比表示，典型的驻波比要求低于1.2，即行波系数必须高于0.83，驻波比全称为电压驻波比，指驻波波腹电压与波节电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比。驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射損耗，在中波馈线的行波测量当中常使用自制的行波系数测量仪，测量时，将测量端的钩子挂在馈线的芯线（高电位端），将接地钩挂在馈线的外圈导线上，读取表读数，用此仪器沿着馈线每隔一相等距离（如0.02λ～0.05λ）测一数值，取电流最大值max及最小值min，两者数值之比min/max即为馈线的行波系数[1]。

行波系数测量仪有时又称为行波指示器，其典型电路图如图5所示。

图5 行波指示器典型电路

在工程中由于没有100μA的热偶表头，只有1mA的表头，分压电容只有100pF瓷片电容，则需要对参考图进行改进，根据表头的变化可以得到其检波后的电流需要增加，且其增加的倍数为原电路的10倍左右，修改后的电路要保证不能烧毁电阻R，如果按照计算数据进行更换元器件，需要进行多次的替换，使用Multisim仿真软件可快速完成电路的基本功能仿真及调整，将取样电流限制在500至750μA的范围，尽量使电流表显示在表头的三分之一到三分之二之间以保证显示精度，从而缩短了制作行波指示器的时间，在仿真中将馈线上拾取的电压进行一个估算，发射机输出10kW射频功率在37.5馈线形成的射频电压在

[U=10000×37.5 =612.37V]

为方便计算取700V作为仿真信号源，通过调试元器件得到如图6所示。

经过改进后的行波指示器在实际测试中数据在0.47到0.67之间，满足测试的需要。

5 结束语

本文通过Smith圆图仿真对正Γ网络元件调整的方法进行了探讨，使用Multisim仿真软件对八塔天线双T移相网络的调整方法进行总结和归纳，对行波指示器的电路通过仿真软件进行改进，仿真技术在工程中的辅助应用取得了良好的效果。计算机仿真技术在工程领域的普及应用，大大减小了工程技术人员在网络调试当中复杂的计算量，同时也提高了工作效率，是工程技术人员应该学习和借鉴的良好工具。

参考文献：

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

[2] 广播电视发送与传输维护手册（第十一分册）天馈线维护[M].北京：国防工业出版社，2000. [3] 李斌.周卫华 中波四塔、八塔定向天线调试方法.《广播与电视技术》

[4] 周润景，托亚，王亮.Multsim和LavVIEW电路与虚拟仪器设计技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.

[5] 胡晓波，肖运虹.史密斯圆图及软件在RF设计中的应用[J].江汉大学学报（自然科学版），2006（12）.