中波三频共塔网络的设计与实现

张富强

(忻州中波转播台，山西 忻州 034000)

1 忻州中波台发射技术现状

忻州中波转播台原有540 kHz和1 269 kHz两个频率，共用边宽0.5 m、高76 m的一座铁塔发射“中国之声”和“山西新闻综合”两套节目。2011年，省广电局要求增加播出农村广播节目，发射频率为1 008 kHz。由于忻州台占地面积小，无法再立新塔，因此，需要设计三频共塔来完成任务。

忻州台三部发射机输出馈线阻抗数值和利用网络分析仪测量的每个工作频率的天线阻抗数值如表1所示。

表1 三部发射机的输出馈线阻抗和天线阻抗

2 三频共塔概念及模型

三频共塔就是三个不同频率共同使用一座铁塔播出广播节目，是一种安全、经济、可靠的发射机运行方式。三频共塔实现模型方框图如图1所示。

图1 三频共塔实现模型方框图

3 三频共塔电容、电感数值确定

三频共塔中每个发射频率的天馈网络均由匹配网络和阻塞网络构成。以频率540 kHz为例，发射机输出馈线经过匹配网络，再经阻塞网络阻塞1 269 kHz和1 008 kHz两个频率信号后连接到铁塔上，设计中根据天线阻抗及阻塞频率先确定阻塞网络，然后确定匹配网络。下面以此频率为例，来确定阻塞网络的C2、L2、C3、L3以及匹配网络的C4、L4、C5、L5。

3.1 阻塞网络电容、电感值确定

3.1.1 阻塞网络阻抗品质因数Q1max和Z0的选取

阻塞网络一般采用LC并联谐振电路，串接在本频的天调网络里，对他频进行阻塞，由于并联谐振电路在谐振频率附近的等效阻抗很大，把并联谐振电路串接在天调网络的串臂上，使谐振频率等于需要抑制的高频回馈频率，他频信号就被并联谐振的高阻抗阻止，不能通过匹配网络和馈线进入本频发射机。

阻塞网络阻抗品质因数Q1max的大小，一般整定为40～100。品质因数Q1max越大，谐振曲线的顶部越尖锐，选择性越好。但是，Q1max太大会使阻塞带变窄，造成阻塞载频效果好而阻塞上下边带效果差；Q1max值太低，对阻塞频率和上下边频带的阻塞都不够，对工作频率的发射机带来干扰。

阻塞网络阻抗Z0在载频和9 kHz边频带阻塞网络的阻抗都要在5 kΩ以上。根据有关资料和实践证明，若阻塞阻抗Z0对其边带呈现的阻抗在5 kΩ以上时，就不会出现交叉调制和特性变坏等问题。

3.1.2 确定阻塞网络电容C和电感L的数值

先确定阻塞网络的电容C值，然后根据谐振条件确定L值。

得：

(1)

同理，可求得1 269阻塞网络的电容C3和电感L3分别为2 000 P和7.82 μH。

3.1.3 计算阻塞网络对工作频率呈现的电抗值

同理可得：1 269 kHz阻塞网络对540 kHz的电抗值：XL=j32.3 Ω

则如图6得：ZA1点阻抗=Za1阻抗+j39.5 Ω=13.5-j201 Ω+j39.5 Ω=13.5-j161.5 Ω

ZB1点阻抗=ZA1阻抗+j32.3 Ω=13.5-161.5+j32.3 Ω=13.5-j129.2 Ω

3.2 计算匹配网络

г型网络结构简单，容易达到天线实部电阻调配和抵消虚部电抗，是天线常用的匹配电路。当天线实部Ra

(2)

当天线实部Ra>Zc时，选用倒г型，倒г型网络公式为：

(3)

3.2.1 计算г型匹配网络

1) 确定г型匹配网络电容、电感值

因为天线实部为13.5 Ω<75 Ω,选用正г型网络公式计算，其中Xa为-129.2 Ω，Ra为13.5 Ω，Zc为75 Ω，带入公式(2)得：

(4)

(5)

若选择X1为电感，X2为电容，取X1根号上边的“+”号为+157.8 Ω，取X2根号上边“-”号为-35.1 Ω组成正г型匹配网络，则有：

(6)

(7)

选取L4为46.53 μH，C4实际中选取8000P。

2) 计算г型匹配对工作频率呈现的电抗值

图2 正г型匹配电路

对感抗j28.8进行串化并，根据串化并公式：

R串化并=R(1+Q2)X串化并=X(1+Q2)/Q2.

(8)

Q值为串联回路的Q值，设为Q2，Q2=X/R，X为28.8 Ω，R为13.5 Ω，带入公式(8)可求得：

R串化并为74.9 Ω，XL串化并为j35.1 Ω，

根据并联电路电抗的倒数等于每个支路电抗的倒数之和，可求得-j36.86 Ω与j35.1 Ω并联后电抗X为j769 Ω。(呈感性)

图3 天线阻抗串化并

把并联回路的感抗j769再化为串联，根据并化串公式：

R并化串=R并/(1+Q2)X并化串=X并Q2/(1+Q2).

(9)

Q值为并联回路的Q值，设为Q3，Q3=R并/X并，R并为74.9 Ω，X并为769 Ω，带入公式(9)可得R并化串为74.3 Ω，X并化串为6.9 Ω。如图4。

则如图6：ZD1电抗为74.3+j6.9 Ω。

图4 天线阻抗并化串

3.2.2 设计串联匹配电路

为了达到匹配，需要设计L5、C5，抵消感抗j6.9 Ω，如图5，回路在频率540 kHz上发生谐振。

图5 串联匹配电路图

1) 串联回路Q值的确定

并联时LC网络的电抗值较大，其等效损耗电阻r可忽略。可是设计串联LC网络时，需要考虑损耗电阻r，r值要求尽量趋于0，但太小将造成Q值太大。在此次设计中，为了和馈线匹配，要求L5C5的等效损耗电阻设为r=75 Ω-74.3 Ω=0.7 Ω。

2) 确定串联电路的L、C值

设串联网络Q4值为80，r=0.7 Ω。根据串联网络公式C=1/ωQ4r得：

(10)

.

(11)

3) 计算串联对工作频率呈现的电抗值

根据以上计算XC5为-j54.6 Ω，XL5为j47.7 Ω。损耗电阻r为0.7 Ω。

ZE1点的电抗为74.3 Ω+j6.9 Ω+0.7 Ω+54.6 Ω+j47.7 Ω=75 Ω。即完成阻抗匹配设计。

3.3 其余匹配网络和阻塞网络电容、电感值的确定

根据以上公式分别确定1 269 kHz、1 008 kHz匹配网络和阻塞网络的电容、电感值。最终实现三频共塔网络电原理图如图6所示。电抗值计算结果见表2。

表2 三频共塔设计各点的阻抗值

3.4 预调网络的设计

1 008 kHz和1 269 kHz双频共塔时，需要考虑预调网络L0、C0，理论证明，当共塔工作的两个频率的输入阻抗值相等时，两个阻塞网络的视在功率最小。设计中使L0、C0谐振于两个频率的任一频率，由于并联谐振阻抗无穷大，对谐振的频率一路影响不考虑，然后只考虑另一路。例如使L0、C0谐振于1 008 kHz，对1 008 kHz相当于开路。根据L0、C0谐振于1 008 kHz，同时使1 269 kHz在ZA3的输入阻抗趋于81 Ω来确定L0、C0数值。

图6 三频共塔网络电原理图

4 调试

设计出阻塞网络和匹配网络电抗元件后，根据实际情况，考虑高频分布参数的影响，合理布局安装完成后进行调试。第一步，用网络分析仪根据表二数值，从天线端逐步向前调整，使发射机和天调网络匹配；第二步，开启任一部发射机，同时开启另外两部机的任一部，从发射机的显示屏或反射功率表上检测反射功率的大小，调节阻塞网络，使反射功率最小；第三步，由于第二步对阻塞网络的调整，使得匹配网络的数值发生了变化，重新微调输入阻抗，使匹配最好。经过认真调试后，三部机同时开启。经对三频共塔的三部发射机技术指标进行测试，全部技术指标均达到甲级机的标准。

忻州中波转播台三频共塔天调网络从2011年调试后一直使用至今，三部发射机均达到满时间、满功率、满调制度的“三满”播出效果。