双谐振调配网络在中波天线调配网络中的设计与应用

李革 郭光智

【摘要】中波发射系统将天线调配网络接入馈线与天线间，不仅可发挥阻抗转换功能，同时在多频共塔以及防雷和抗干扰方面也有积极作用。双频共塔则是目前解决增加的传输频率和更少的天线之间紧张关系的最佳方式。本文结合以往传统网络的特点和性能，结合双谐振调配网络的特点，对双谐振调配网络在中波天线调配网络中的设计与应用进行了分析和探讨。

【关键词】双谐振调配网络；中波天线调配网络；设计；应用

中图分类号：TN92                       文献标识码：A                             DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.028

随着信息时代的发展，广播技术有了长足的进步，广播电台播出的频道越来越多，中波发射台的重要性日益凸显。由于源站面积有限，而中波天线地面网络的范围较广，一个中等规模的站最多只能建四个中波发射塔，如何解决无线信道过多、发射天线少的问题，是摆在我们面前的新课题。一般一对中波发射天线只对一个中波发射机工作，但应用双谐振中波调配网络技术后，两个不同频率的中波发射机可以共用一个中波发射天线，从而在不增加发射天线数量的情况下，将发射频率的数量翻倍，大大减少了天线不足的困境。另外，传统的天线配置网络有单并联、L型、倒L型、T型等，但是其都有一个共同的缺陷，即带宽较窄，容易产生边带反射，频带外衰降低，多个频段间的交互作用也很大。而与传统的混合网络比较，双频调制网络带宽宽，带宽损耗大，带宽性能好。

1. 双谐振调配网络在中波天线调配网络中的设计思路与应用要点

1.1 网络选型

在进行双谐振中波调配网络的设计时，必须科学地选择合适的网络。具体要点和步骤如下：

（1）预调网络。一般设在天线底端的串、并联单元叫预调网络。发射塔运行过程中不同工作频率天线输入阻抗不一样，预调网络设计中需要将不同频率天线输入阻抗相互转换，使得其值相近，从而为之后的设计奠定基础工作。在没有接入预调网络的情况下，阻抗差有可能较大，这将影响到天线端的电压、电流等参数，甚至使天线端线路电压差加大，出现串扰等问题，还可能堵塞同一通道，影响网络视在功率，使之功率升高，从而使匹配网络总功率升高，最终损害发射机运行的稳定性。

（2）阻塞网络。阻塞网络能够避免双谐振中波配置网络工作过程中信号的相互信道化而起到隔离的作用。设计阻塞网络时需要保证经过此频率阻抗很小。在屏蔽其他频率情况下，需要增大载波频率阻抗以保证上、下侧频率阻抗比较大。一般情况下闭锁电路阻抗与发射器中心频率相对应。载波阻断阻抗大于10KΩ，边带波阻断阻抗会维持在5KΩ或更大。这可以有效地阻止匹配网络从这个频率到另一个频率，防止由无线电波泄漏引起的特性变化和交叉调制。

（3）阻抗匹配网络设计。一般来说，阻抗匹配网络形式包括Γ型、倒Γ型、T型和π型网络。对于Γ型网络，馈线特性阻抗超过天线辐射电阻后建议采用a型网络，保证低特性阻抗值满足要求。反向Γ在馈线特性阻抗低于天线辐射电阻情况下，也需保证低特性阻抗值符合有关规定。在低特性阻抗值低于2的情况下，阻抗匹配网络的设计需结合具体情况进行科学的处理。在T型匹配网络选型时，可选取不同分量值对低特性阻抗值进行变化，从而保证匹配网络能达到低特性阻抗的特定要求。

1.2 确定元器件构成

以540kHz频率为例：

杆塔底应加设防雷及放电线圈并兼顾防雷及阻抗变换作用。一般情况下应该接入微亨量级电感。

因为双频共塔的原因，要屏蔽711kHz频率，就要在540kHz频率调配网络上增加屏蔽711kh频率调配网络。这样会造成电感-电容并联振荡；与此同时，组合电容器的存在，使得整个电路在711kHz并联谐振状态下工作，从而导致711kHz信号不能被穿越。这种方法虽然有一定效果，但却不能完全消除630kHz的干扰。另外，如果采用串联补偿方式的话，需要大量元件才能满足设计要求。此外，该方法也存在一些不足之处。这一系列问题都是由于电感器中的电容造成的。

对于双谐振网络来说，当阻抗为50Ω时，其最终纯电阻与电容之比接近于零，而对于阻塞网络而言，其感应电抗是一个常数。

考虑到初、次级谐振电路均须实现电感与电容的并联谐振且初级电路必须有谐振电感与谐振电容。本文研究了这种情况下的高频振荡器及其工作特性。同样，次级电路应该有谐振电感与谐振电容，但是因为天线自身对次级电路的阻抗及接地放电线圈，阻塞网络等部件构成的电路都具有电容性，只要添加了谐振电感，就无需添加额外的谐振电容。此外，初级与次级之间还需要连接耦合电容器。

1.3 电路元器件参数设计

1.3.1 防雷与电路阻抗

为了将雷电引入地面，起到防雷作用，同时改变电路阻抗，以便于以后的网络设计，可设计接地泄放线圈。在同一根杆塔上传递的两种频率，其阻抗是不一样的。两个频率阻抗的实部与虚部是不相等的。根据实际情况选择合适的方法来确定这两个频率的阻抗是很有必要的。本文提出了一种新的基于等效电容法的计算方法，可以直接计算出两个频率的阻抗值。这种算法简单实用。为后期阻抗变换方便，同时兼顾杆塔底部两频率电压，电流，视在功率等参数，一般宜在放电接地线圈与天线相连时，使得两频率阻抗与天线阻抗實部相等或相近。

1.3.2 抗干扰设计

不同发射站点发射站工作过程中，若多台发射器同时工作，则会对发射站点内相邻频率比较近的发射器工作状态产生直接的影响。

当信号传输过程中有外界因素引起频率偏移或者其他原因造成信号不稳定时，就会出现严重的电磁干扰问题。如：电磁污染和射频干扰等，从而导致发射机无法正常工作，甚至损坏。在双共振中波配置网络设计中，需要设计过滤外部干扰源，这将是改善发射机稳定运行的首要手段。目前常用的抑制外部干扰源的滤波方法包括：带通滤波器、阻塞网络和陷波网络等。陷波网络得到了比较广泛的运用，其主要原因是采用陷波网络设计能够过滤掉外界干扰源而不对网络阻抗造成不利影响。

为了提高中波天馈系统的传输效率和抗干扰能力，可设计阻塞电路，一般采用将电感与电容并联的方式进行。但要实现理想的阻塞效应，其阻抗的实际值应该比较高，并且阻塞网络对于本地频率不应有较大的功率损耗。因此，当计算出的阻塞网络对本地频率有较大功率损耗时，可以使用串并联复合阻塞网络来降低功率损耗。在具体的设计和计算中，可以使用计算机模拟。元件的值不仅应考虑阻塞效应，还应考虑尽可能小的功率损耗。以540kHz频率为例，参见图1。

要设计两个阻塞网络，频率分别为612kHz和711kHz。711kHz闭锁网络：电感L4和电容器C3在540kHz频率下串联谐振，当L5串联C4时，以711kHz的频率并联L4，C3发生谐振。这时可计算得出电阻711kHz频阻塞网络实际等效阻抗很大（理论无限大），L5与C4构成的臂部等效电容2045pf，功率损耗值1600W左右；但由于采用了复合阻塞方式，单臂部L4与电容器C3串联谐振时540kHz频功率损耗会大幅减小。类似地，612kHz频率阻塞网络可被设计并计算。电感L2和电容C1在540kHz频率下串联谐振，L3和C2在612kHz频率下与L2和C1并联谐振。可以计算出，频率为612kHz的阻塞网络的实际有效阻抗较大。类似地，由于使用复合阻塞，当单臂L2与电容器C1以540kHz为频率发生串联谐振时，从而会极大地降低540kHz处功率损耗。在频率为711kHz分配网络上，经计算可选取34.75为频率为540kHz阻塞网络。μH电感与2500pf电容平行连接。这时阻塞网络到711kHz时功率损耗在333w左右，数值较低，因而没有采用复合阻塞网络。

1.3.3 双谐振电路

通常情况下，网络调试时一般是将天线配电网连接馈线切断，再将天线走向地阻抗取50Ω即可。所以在通常情况下，靠近馈线端的网为主网，靠近天线端的网为次网。从电路图上看，通常初级网络与次级网络之间都有耦合电容来限制，并且耦合电容分布于其两侧。如图1所示，频率为540kHz的分配网中，初级网在耦合电容C6右边，次级网在左边。初、次级谐振电路在天线调配网络中占有重要地位，是双谐振调配网络中最核心的电路。也可在计算机模拟的帮助下，完成设计与计算。初级谐振网络计算比较简单，电感与电容可并联使用。电感、电容值要满足功率损耗比较低，对地实际有效阻抗比较大（>5000Ω）。

计算时，为简便可首先忽略耦合电容。通常初级与次级参数可设计成尽量相同或者相近，这是因为在双谐振理论中，不论是电容耦合、互感耦合或是二者结合的耦合方式，电路整体谐振曲线都可看作是初级与次级谐振曲线叠加而成。图1中540kHz频率范围内，经计算发现天线经过接地线圈后再经过2个阻塞网络时，其a点阻抗介于25.8-j12.6Ω之间。若与谐振电感直接相连，因虚部值过小，则实际谐振阻抗较小，并联谐振时电感也较小，不利于并联谐振电路实现，且施工时难以顺利调试。所以可考虑先接一个6000pf的电容器使其阻抗改为25.8-j61.7Ω。由虚部值计算得到的等效电容在4800pf左右（不计耦合电容作用），画在电路形式上。为计算方便可变换成并行的形式。简化后可以求解方程获得串并联交换的公式：

RP=（1+Q2）RS；XP=RP/Q

依据公式对图1所示540kHz，711kHz双频调配网络等效电路进行计算，从而得到该电路并联阻抗达到并联谐振要求，所需电感21.4微米（电感电抗72.6Ω，不计互感），且与XP产生并联谐振。一次并联谐振电路时，为了便于计算，电容与电感可以分别取为5000pf，17.39μH。由定性分析可知，受L6，L7互感影响，其实际电感稍偏离上文计算电感。类似地，因为耦合电容，在没有考虑耦合的情况下实际电容允许和计算值稍有差别。调试频率为540kHz，20μH或者略大一点的线圈可以在初级线圈L7与次级线圈L6之间使用，方便调节。

1.3.4 电磁耦合

电磁耦合理论认为过耦合（强耦合）运行时谐振曲线呈现双峰且中心点凹陷，对运行不利；欠耦合（弱耦合）运行时则谐振曲线峰值小且带宽比较窄；网络运行于最佳耦合时效果最好且峰值大。可见最佳耦合是平顶的，宽带的，它的峰值在临界耦合附近。定量计算可建立在电容耦合双谐振理论基础上，也可建立在一次，二次及耦合电容构成的全网等效电路基础上。

2. 结束语

虽然当今社会人们获取信息的方式越来越多样化，但由于中波广播网络具有覆盖范围广、接收设备简单、操作简单等优点，因此仍然有很多用户，特别是在发生突发灾害时，当移动通信网络和互联网瘫痪时，中波广播网络的优势更加突出。因此，中波广播网肩负的不仅仅是信息传输的任务，其还承担着将党的声音传递到千家万户的政治任务。本研究中提到的电磁耦合双谐振天线调配网络的设计结果并非唯一。本文仅为相关工程技术人员提供了设计思路，本文给出的相关设计数据不一定是最佳设计数据。在阐述中，也尽可能选择最简单的计算来描述。相关专业书籍《基础理论》中解释了一些相关的基本理论计算。参数的优化计算非常复杂，在计算过程中需要计算机辅助设计，最好借助于专用的天线网络设计程序。此外，现场安装和调试非常重要。由于电磁场的存在，调试过程中的每一个细节都不容忽视。此外，根据具体情况，还可以使用初级、次级双抽头接入等不同的电路形式来实现电磁耦合双谐振中波天线分配网络。

参考文献：

[1]朱兴华.中波双频共塔天線调配网络设计与实现[J].广播与电视技术，2020，47（8）：94-99.

[2]罗万荣，珍措.关于提高中波双频共塔调配网络传输效率的探索[J].广播与电视技术，2013，40（6）：98-99.

[3]孟华.中波短天线天馈调配网络技术探讨[J].广播与电视技术，2013，40（1）：95-98.

[4]王军.用变频器制动电阻和smith圆图软件实现中波天线调配网络原理教学的方法[J].西部广播电视，2022，43（7）：222-224，234.

[5]张保甲.中波天线调配网络分析[J].科技资讯，2018，16（29）：72-75.

[6]陈志新.“示波器法”调整中波天线调配网络阻塞、陷波实践[J].西部广播电视，2020（2）：208-209.

[7]明震.中波天线调配网络的设计[J].西部广播电视，2018（4）：234-235.

[8]徐建刚.中波天线调配网络设计与参数计算[J].广播电视信息，2017（2）：97-98，102.

[9]刘雄.中波天线调配网络的原理与设计[J].长江信息通信，2021，34（12）：63-65.

[10]何吉祥.基于虚拟仪器技术的中波天线调配网络设计[J].数字通信世界，2019（6）：180-182.

作者简介：李革，云南省普洱市，工程师，研究方向：中波广播.