谐波滤波器单元原理与常见问题处理方法

梁炯

【摘要】针对短波发射机中谐波滤波器单元常见问题，本文从谐波滤波器单元的原理和在整机中的作用出发，分析了问题产生的原因，以及问题处理方法，可帮助维护人员快速解决问题，大幅提高维修效率。

【关键词】谐波抑制;阻抗匹配;切换控制。

中图分类号：TN94                     文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.01.007

作为短波发射机重要组成部分之一，谐波滤波器单元主要完成功放输出信号的谐波抑制作用。由于功放单元的非线性因素，导致功放输出信号中含有大量杂散信号，谐波滤波器单元就是为了滤除此类杂散信号，保证输出信号纯度设计的。同时，谐波滤波器单元作为发射机末端输出部分，是直接与天馈线系统直连的，谐波单元还承担发射机功放单元与天馈线系统的匹配桥梁作用，可以说，谐波滤单元性能的好坏，直接影响着发射机功率输出是否正常，因此，对谐波滤波器基本原理与单元常见问题进行分析，并总结处理方法，对设备的使用与维护，就变得十分必要。

1. 谐波滤波器单元作用

諧波滤波器单元在整机中，主要有以下几个作用：

1.1 谐波抑制

由于功率放大器的非线性因素，导致功放输出的信号中含有大量的杂散信号，主要是二次谐波、三次谐波。谐波的存在，会影响输出信号的纯度，增加了功放输出反射，因此，必须在发射机输出端设计谐波滤波器单元，实现对谐波杂散的抑制。

1.2 阻抗匹配

谐波滤波器位于功放输出和天馈线系统之间，可实现发射机功放单元和天馈系统的阻抗匹配作用，有效改善功率输出效果，降低反射功率与整机输出电流，使有效功率最大化输出。

2. 谐波滤波器基本原理

依据归一化元件参数来设计滤波器，以归一化元件参数为基本依据，经截止频率变换和特征阻抗变换两个步骤求得待设计滤波器的构成元件参数。其中，截止频率变换就是按下式来改变归一化元件参数。

由于基准滤波器的截止频率为，基准滤波器的特征阻抗为1Ω，为对应的归一化的电感参数，为对应的归一化电容参数，待设计滤波器的截止频率为fp，待设计滤波器的特征阻抗为R。所以

代入归一化的电感、电容参数即可计算出滤波器具体的电感、电容值。

根据整机设计需要，谐波滤波器单元采用低通LC滤波形式，其仿真电路图如图1所示。

谐波滤波器单元工作频率范围是3.2MHz～26.1MHz，整个单元分成六段滤波板，每段滤波板都采用LC谐振形式设计。激励器根据输出频率，自动控制对应频段输入输出端的真空继电器，通过继电器的切换，实现对应频段滤波板的接入与断开。其原理框图如图2所示。

谐波滤波器单元频率分段如表1所示。

3. 常见问题分析及其处理方法

根据谐波滤波器单元的基本原理和作用可知，当谐波单元出现故障时，会影响整机输出的杂散抑制效果，整机输出功率也会不正常，甚至报警而无法播出。由于杂散抑制效果需要仪器测试，因此，一般通过判断整机输出功率、驻波比、电流等运行参数来判断谐波单元是否正常。谐波滤波器常见问题如下：

3.1 谐波滤波板故障

谐波滤波板采用LC谐振电路构成的7阶低通滤波器形式，元器件为电容和电感器件，因此，电路板出现的问题主要是电容和电感出现故障，具体就是电容烧坏，电感焊接点融化。由于元器件耐压值比较高，出现问题主要是通过元器件的电流过大烧坏元器件。

谐波滤波板元件器烧坏，在整机运行上体现出来最明显的现象就是发射机反射功率过大，驻波比偏高，整机电流也会异常，机器甚至会报警。

如何定位和检查是否是谐波板出现问题，可更换到其他频段频率开机，如果其他频段正常开机发射，只有某段内频率都报警，可基本判断为该段谐波板故障。打开谐波单元盖板，可通过目测方法观察到底是哪里出现烧坏现象，进而进行维修处理。

3.2 真空继电器损坏

通过图1的原理图可知，真空继电器主要实现滤波板的接入与断开，继电器的动作由激励器直接控制。继电器默认是断开，即滤波板不接入射频链路。当有频率设置时，才选通对应频段继电器。继电器出现故障主要分为继电器开路，无法闭合接通滤波板，另外一种是继电器始终闭合，无法释放。

当继电器开路，无法闭合时，该段滤波板无法接入，相当于功放输出开路，如果此时发射功率，整机体现的现象就是电流很大，四个末级模块均有功率输出，但是发射机正反向功率均为零，需要立刻停止发射。此时可通过测量该段频率输入输出控制继电器的切换是否正常，如果不正常，可测试继电器的供电和控制电平，如果供电和控制正常，则基本判断为继电器故障，更换继电器后，低功率输出，测试输出功率是否正常。

当继电器始终闭合，无法释放时，整机体现的故障就是只有该段可以正常发射，其他段都不正常，反射功率和驻波比偏大，电流也不正常。是因为当选通其它频段时，相当于有两路接通，整个谐波单元参数都变差，导致输出功率异常，参数变差。这时将激励器断电，测试该段继电器是否始终接入而没有释放，如果是，则是继电器坏掉，需要更换真空继电器。

3.3 内部射频线接触不好

内部线缆主要包括功率检测器的输入输出线缆，以及每段谐波滤波板输入输出射频线缆。线缆出现的问题比较隐蔽，几乎不会出现断开情况，基本都是接触不良，比如检测器输入输出线缆与后面板连接器焊接处虚焊、开焊，检测器端连接器松动，以及谐波板输入输出线缆芯线和屏蔽层虚焊等。

当出现射频线缆接触不良时，机器出现的典型现象就是整机输出功率不稳定，功率跳动，严重者个别频点出现过压和驻波比报警。

为了判断是何处问题，先更换其他段频发射功率，如果 其它频段也出现功率不稳定甚至报警情况，则重点排查检测器输入输出线缆，因为多段谐波板焊接线都出现问题的可能性不大，重点排查公共线路。检查检测器输入输出线缆接头是否拧紧、接头射频线屏蔽层和芯线是否松动，后面板焊接处重新补焊，再开机检查是否解决问题。

如果只是某段频率出现指标变差、功率不稳定甚至报警现象，重点检查该段滤波板输入输出射频线焊接点是否虚焊、脱焊，重新对焊点进行加焊补焊，重新发射该段频率，验证问题是否解决。

4. 注意事项

由于谐波滤波器属于分段设计，在判断是不是某一段出问题或者验证处理结果时候，可设置发射机低功率或者中功率输出，观察输出功率是否正常，不要直接开高功率，防止功率过大烧坏设备。

要注意单元内部导线，尤其是电源线与控制线，在维护维修时候不要与射频链路接触距离太近，防止大功率输出时候打火，进而引起单元损坏。

在更换谐波板，焊接板子输入输出射频线时候，避免芯线焊接点底部焊锡过多，流入单元底板，引起打火烧坏机器。

5. 结束语

了解了谐波滤波器单元在整机中的作用，及其设计原理，充分利用谐波分段模式，可以更好的判断问题、分析问题和解决问题，有效提升维修与维护效率，也可以降低机器在运行中出现问题的概率，同时，也锻炼了操作人员和维护人员的业务能力。

参考文献：

[1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京;高等教育出版社，2006.

[2]徐兴福.ADS2011射频电路设计与仿真实例[M].北京;电子工业出版社，2014.

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