中波天调网络元件参数的精算方法

摘要：在中波天调网络设计中，需要根据电路设计来正确选择电感线径和电容极限参数。对于多频共塔网络，情况要复杂一些。本文介绍一种天调网络额定参数的快速算法，并重点介绍经大量实践检验过的关于电感线径选择的精算方法及其理论依据，还对多频共塔下元件极限参数的选择提供了合理算法。

关键词：中波;天调网络;中波多频共塔;电感线径

中波天调网络的设计过程中，无论用手工计算或使用仿真软件辅助设计，当最后电路确定下来以后，只是其中的电感量L和电容容量C确定了，紧接着还要计算所有网络元件的额定参数。其中电容元件还要计算出额定耐压和虚功率;电感元件需要计算出两端额定对地电压和流过的额定电流。电感两端额定电压用来确定实际电感元件的绝缘工艺要求，即对地的最小距离和支架材料的绝缘能力要求，而额定电流用来决定电感线圈的线径粗细。

电路中元件（电容或电感）的额定参数：指在特定电路中，在给定额定载波频率、载波功率和最大调幅度下元件所承受的电流、电压、虚功率等参数值。

电容元件的极限参数：包括极限耐压和极限虚功率，指其所能耐受的极限值，出厂时就决定了的参数。

电感元件的极限参数：包括对地耐压极限值和高频电流（有效值）极限值。

原则上说，实际选择所需的电感电容元件極限参数时，要优于电路中计算出来的额定参数，并留有余量。

那么究竟电感的线径粗细与其额定电流是什么关系？在多频共塔的情况下，公共部分元件的额定参数如何计算？公共电感同时流过不同频率且不同幅度的高频额定电流，电感线径又该如何选择？以下将详细介绍天调网络额定参数的快速算法，以及确定电感线径的精确计算方法和理论依据。

一、单频率下中波网络中的额定参数计算方法

1、网络中完整断面的通过电流计算

上图是天调网络中的局部电路示意。

良好设计的天调网络，效率很容易达到90%以上，所以计算参数时可以先忽略元件损耗。那么，根据能量守恒定律，从发射机输出的功率在经过图中的A、B、C、D等完整断面时，功率大小没有变化。但经过图中P、K等断面时，功率不会等于发射机输出功率，因为P、K不是完整断面，它们只是发射能量流的一个支流。

对于电路中的完整断点，因为阻抗的虚部只起吞吐功率和调整相位的作用，是不损耗能量的，所以只要知道该点（断开发射机侧的电路以后）向天线看过去的阻抗实部和发射机额定载波功率，就能得到流过该断点的电流有效值。以A点为例，设其向天线看过去的阻抗为ZARAjX A，则

●    通过A点的电流有效值为

上式是考虑了100%调幅度下通过A点支路电流的有效值，该参数用于为支路中的电感元件提供额定电流标准值，以及为支路中的电容元件计算最大虚功率时的电流数值。

●    A点对地电压有效值为

调幅下，载波状态下减半），该参数为处于A点的支撑架对地绝缘要求提供极限电压参考。

●    A点对地电压最大峰值为

以上计算式中的系数“1.5”，是考虑到100%调幅度时的平均功率;如果只考虑载波状态下，则该系数为“1”。

注意到A点对地的峰值电压与有效值电压并非相差√2倍，因为调幅波并非等幅的正弦波。

2、网络中并联支路的电流计算

如图1 中的K点，其通过电流的计算不能用完整断面的方法直接计算。但可以用间接方法，先计算出与其等电位的完整断点（如C、D）的对地有效值电压，然后除以该支路的电抗值，就得到了该支路的电流有效值。

3、网络中阻塞单元元件电流的计算

图2 中，L、C组成的阻塞单元其阻塞的频率是fT，但在通道本频f0的激励下会流过电流IL、IC，如图中所示。图中的干路电流I可以用前述的完整断面法求出。以下是阻塞单元元件电流计算过程：

从以上IL、IC计算式中可以看到，阻塞单元中的电流大小与元件参数无关，只与阻塞频率与本频频率之比及干路电流有关。同时，I前面的系数可能得到负数值，那只是说明该电流的瞬时相位与图中所示相反而已。

4、电感两端之间额定电压计算（单频激励）

单频激励下，应先计算出电感元件在该频率的载波状态下的电流有效值IL0，然后乘上其电抗值得到载波状态下的电压有效值，其1.414倍为

电压峰值，再乘2 得到100%调制度下的电感两端额定电压值UL：

5、电容元件额定耐压和虚功率的计算

网络调配电容元件除了电容量外，还有两个参数：额定耐压和虚功率（伏安量）。

电容额定耐压参数计算：先求出载波状态下流过电容的电流有效值，再乘该电容的容抗值（在给定频率下），最后乘上2.83倍得到100%调制下    电容两端的额定电压——

电容虚功率的计算：100%调制下的电容吞吐功率（虚功率），为载波状态下吞吐功率的1.5倍——

三、单频率激励下网络电感的电流有效值与线径关系精确算法

电感元件能承受多大的高频电流，不仅与线径大小有关，还与信号频率、线圈体积有关，而且与天调室的尺寸和外墙对阳光的吸收率等外部吸、散热环境有关。由于高频趋肤效应的存在，在同样线径的电感中流过同样大小的电流情况下，中波最高频率（1605kHz）与最低频率（535kHz）所产生的热量之比为1.73倍。

电感元件之所以承受电流有个极限，究其原因就是高频电流流过线圈时会发热，使线圈温度上升，如果不加限制，温升会造成灾难性后果，例如使元件变形而改变原来的电感量、加速铜管氧化、烧毁支撑胶木板等等。

因此，有必要引入一个参数来衡量高频电流所导致的电感发热程度，那就是热功率密度W——单位电感线圈表面积的发热功率。并设W0为临界热功率密度，只要热功率密度超过了W0，就认为高频电流超限了。从这一概念出发，计算过程如下：

上式表明，电感线圈的高频电流限值，与线圈直径成正比，与频率的四次方根成反比。

设在频率F0下，线径为D0的电感线圈其电流限值为I0，则

以下是一组经反复实际试验所取得的经验值（天调室不小于15立方米空间，全密封）：

其中D的单位：mm，F的单位：kHz，I的单位：A

根据上式，我们可以很方便地计算出，在给定线径D下各个频率点所允许的极限电流数值。

四、多频共塔中的通道隔离阻塞单元和公共预调部分的元件极限参数选择

多频共塔中，免不了要使用通道隔离阻塞单元。这些阻塞单元中，主要流过两种不同频率的电流：一是所在通道的本频电流，一是所阻塞的频率在天线端的电压全部加在其上（其它电路部分的分压可以忽略）所引起的电流。换句话说，每个通道中，来自其它共塔频率的电压都几乎由该通道中对应的阻塞单元全部承担。

另外，公共部分（预调）的元件也是同时流过不同频率的高频电流。

这些同一个电抗元件同时流过不同频率高频电流的情况，其极限参数该如何选择呢？

1、电容元件在多频率激励下的极限参数选择极限耐压选择：UCMUC1UC2 UCN

其中UC1、UC2等等是各个激励频率单独计算时对应的额定耐压值。

电容元件的极限耐压值，要大于所有频率共同激励下的最大叠加值。极限虚功率选择：PCMPC1PC2       PCN

其中PC1、PC2等等是各个激励频率单独计算时对应的额定虚功率值。

电容元件的极限虚功率值，要大于所有频率共同激励下的最大叠加值。

2、电感元件在多频率激励下的极限电流选择

多频率激励下电感元件的总额定电流，不能像耐压和虚功率那样直接由各个频率单独激励下的额定数值相加得到。

耐压限值来源于绝缘能力的限制，而电流限值来源于发热功率的限制。因此，多频率激励下对总电流额定值的影响，只能在发热功率上叠加，而不是直接的电流相加。实际上，发热功率是与电流的平方成正比，而不是简单的线性关系。

之前我们讨论了单频率激励下电感的发热量计算，并因此导出了电感电流限值的精确算法。不同频率的信号电流都在电感上产生了热功率的贡献，只要所有的热功率贡献之和不超过电感元件的热功率限值，就不会产生电感过热问题。在这一原则下，电感在多信号激励下不过热的条件如下：

电感元件在第N个频率信号单独激励下的额定电流有效值，从设计图上计算出来。

电感元件在第N个频率信号单独激励下的电流限值，计算方法如前述。

上式左边各项，实际上是各频率信号所贡献的热功率在电感元件所允许的最大热功率限值中的占比。各电流以平方形式计算，是因为热功率与线圈的热损耗电阻成正比，同时与流过电流的平方成正比。

根據前述，选择电感元件的极限电流实际上就是选择电感线圈的线径。实际操作上，就是先计算出所有频率单独激励下的额定电流有效值，然后选择一个较小的线径计算出在所有需要频率下的电流限值，如果不能满足条件，则加大线径重新计算直到满足条件为止。

作者简介：

何连成（1965-）男，汉，福建厦门，本科，电子专业高级工程师，厦门广电集团首席工程师，主要研究方向：中波广播发射、自动化控制。