中波电磁双耦合调配网络应用与实践

郑小波

（作者单位：浙江省中波发射管理中心）

1 现状及存在的问题

浙江省中波发射管理中心下属平阳广播转播台现有4 座绝缘自立式中波发射天线，呈四边形布局，天线各塔体间距较近（约160 m 左右），其中2 号塔高102 m，发射频率为810 kHz+1359 kHz，发射功率均为10 kW，调配室面积为3 m×3 m×2.7 m，主馈线型号为SD-50-37；4 号塔为76 m 顶负荷绝缘自立式中波发射天线，发射频率为846 kHz+1053 kHz，发射功率均为1 kW，台内另有两座中波天线采用三频共塔发射，功率为：1 kW+1 kW+1 kW，天线高度分别为76 m 和102 m 三频共塔播出：603 kHz+900 kHz+1251 kHz 和747 kHz+1143 kHz+1521 kHz。

由于台内现同时发射10 个频率，2 个10 kW，8个1 kW，发射总功率为28 kW。台内调配网络现主要存在以下两个问题：

（1）相互干扰：在所有发射频点中，810 kHz 与846 kHz 的频率间隔仅为36 kHz，当早晚温差变化较大时，频率漂移造成频率间相互干扰，最严重情况下直接导致早班无法开机，严重影响安全播出。

（2）损耗大，效率低：原系统中波匹配网络损耗是0.5 dB，效率为89.13%，全台10 个频率，28 kW(其中8 台 1kW，2 台 10kW)，等效于总功率损失：28-（0.8913×8 ＋0.8913×2×10）=3.0436 kW。

2 问题原因分析

发射频点中，810 kHz 与846 kHz 的频率间隔仅为36 kHz，对于频率间隔仅为36 kHz 的频率之间的相互干扰，若采用常规的陷波吸收网络，会严重降低其工作频率的工作带宽，并严重损耗工作频率的传输效率。而一个工作频率的天调网络要解决对其他多个频率的干扰，需要增加多个陷波吸收网络，且这样也会使天调网络复杂化。为更好地解决频率干扰问题，我们选用复合阻塞网络技术和电磁双耦合，采用串、并联双调谐网络技术来解决上述难题。

原中波匹配网络为简单T 形耦合网络，频率特性为梯形状，且斜率较大。匹配网络中的电容电感器件未考虑温度特性，致电感量和电容量参数变化较大，引起带外特性变差，尤其当两个相邻频率间隔较近时，温度的变化使梯形的斜率延伸更远，两个频率的干扰重合点上升。载干比由A 变为B 后，载干比变小，造成相邻频率的干扰现象，如图1 所示。

图1 载干比相邻频率干扰示意图

3 解决方案

3.1 电磁双耦合网络设计

设计两条支路（见图2），上端的支路谐振于846 kHz 上，前面三个并联网络对810 kHz 及其他频率形成高阻抗，有-20 dB 的衰减阻塞作用。下端的支路谐振于810 kHz 上，对846 kHz 及其他频率形成高阻抗，有-21 dB 的衰减阻塞作用。这样的复合阻塞网络可以有效解决810 kHz 和846 kHz 的相互干扰，又能让846 kHz 和810 kHz 几乎无损耗传输，以保证846 kHz 和810 kHz 天馈系统高效满功率传输发射。这种网络技术既让846 kHz 和810 kHz 天调网络与主馈管50 Ω 阻抗完全匹配，与常规传统的单回路匹配网络相比，带外抑制度大大提高。由于该网络的驻波比呈“U”型曲线，带内的衰减特性大大降低。

图2 电磁双耦合网络设计图

并联谐振网络理论上对阻塞频率呈现大的阻抗，并阻止该频率通过，且对通过频率有电抗；串联谐振网络一端接地，对阻塞频率的阻抗较小，提供通地的旁路，对通过频率也有电抗。复合网络充分吸收了并联网络能展宽带宽，以及具有高增益的特点。尤其在工程中电感器件采用了低温度频率特性的无氧铜材料及真空介质电容，所用元器件承受的功率容量均增加一倍以上，同时采用串、并联方式进行分流、分压处理，使得整个调配网络能承受的功率容量大大高于要求。配合对电感值和电容值的优化设计以及测量仪器的精度调整，使频率特性几乎接近矩形。通过这样的阻抗变换后适当均衡了这两个频率的实部阻抗，使这两个频率的两频共塔发射的阻塞网络的阻塞损耗都在可用范围内，从而优化整个天调网络，使台内天调网络更高效安全的播出。

3.2 元器件的选择

由于在计算元器件参数值时，没有考虑一些电感及分布电容技术参数等，此时的匹配网络一般还不能使得天线与馈线特性阻抗完全匹配，还必须微调相关元器件参数值，直至驻波比达到最小 VSWR ≤1.05，所以广播工程中实际选用的元器件值应该比计算值大一些，电感、电容和功率容量也要有一定的余量，天调网络工作才能比较安全，特别是电感线圈，要留有20%～30%的富余量以利调试。

电感线圈的直径按3 A/lmm（3A*Ф）的标准进行选取，Ф 为电感线圏的内径。一般而言，在天调网络设计时，电感线圈的电流尽可能不超过100 A，即电感线圈的直径不超过40 mm，否则占用较大的空间，会给安装工作带来一定的不便。

在电容选择时，我们选用真空陶瓷电容，真空陶瓷电容具有耐压高、体积小、损耗低、性能稳定可靠等优点。

（1）真空的绝缘强度高，且真空电容器具有极大的额定电压值，其容量及耐压等技术参数受温度和环境的影响较小，性能稳定，能使调配网络工作更加稳定。

（2）由于电容器以真空为介质，并采用低损耗的绝缘外壳和无氧铜电极结构，对通过的高频信号损耗较低，可以承载更大的射频电流及功率。

（3）相较于给定的电容量和额定电压值，真空电容器与其他电容器所占的空间最小。

（4）真空电容器能承受较大的电压和电流，在遭遇雷击引起的高电压、高电流时，可以起到保护其他零件的作用。

3.3 安装工艺

电容器安装工艺：大功率使用真空型固定电容器安装前要进行耐压试验，必须正确连接真空可调电容器的高压端与接地端，可调动片必须接地，电容器的陶瓷部分应用酒精或四氯化碳擦拭干净。安装电容器前，应根据其耐压程度，用250 V、500 V、2500 V 摇表进行绝缘测试。

电感线圈安装工艺：线圈间的距离要均匀，电动、手动机构要灵活，短路接点与滑动触头要确保紧密接触。

3.4 网络分析仪操作

为确保测试结果的精度可靠，数据准确，本次测试选用了精度较高的进口安捷伦E5052A 仪器进行测量。

3.4.1 设置

设置系统特性阻抗Z0：按Cal 按钮后再按SetZ0，输入特性阻抗。

设置扫描范围：通过按Channel Next 或Channel Prev 键设置扫描范围通道。按Start，输入最小值，按Stop，输入最大值，来设置最大频率值和最小频率值；按Center，输入中心值，按Span，输入跨度值，来设置中心频率值和span(跨度值)。并在设置好扫描范围后，通过轨迹上的标记点改变最大频率值、最小频率值或中心频率值，即在需要改变扫描范围的通道窗口内，将当前激活的标记点置于轨迹上新扫描范围对应的点，按Marker Fctn 键选择对应值，按Channel Next 或Channel Prev 选择需要设置固定频率的通道，按Sweep Setup，Power，CW Freq，输入固定频率值。

3.4.2 校准

校准过程应使用误差模型以消除多个系统误差。通过测量高精度的SOLT 校准件，矢网可以算出误差模型中的12 个误差项。校准的准确性取决于标准校准件的质量以及校准套件定义kit 文件中对校准件标定的寄生参数模型的准确性；使用电子校准件校准，校准件寄生参数都固化在校准件内存中，即插即用。

3.4.3 指标测量

校准完后，可接上一个良好的直通件，观察各4项s 参数幅度和相位是否准确，是否比较好的集中在smith 圆图50ohm 处，如果有异常说明校准有较大的误差需检查测试环境后再次校准，直到验证通过后方可对DUT 进行准确测量。

3.4.4 保存数据

确认数据无误后，按指定要求保存数据，完成测试。

4 验证

4.1 频率特性问题

在中波网络调配室采用加热办法，使环境温度变化20℃，用频谱仪测量频率特性，匹配网络的中心频率846 kHz 和810 kHz 漂移分别小于0.5 kHz 和0.48 kHz。带外频谱（倾斜部分）不相交，即载干比温度不再因温度漂移而下降。

4.2 损耗和效率问题

为了模拟在发射功率满载情况下，可采用环境温度加热的办法，用网络分析仪测量其损耗及变化。如图3，电磁双耦合的插入损耗为0.33 dB。变化率小于1%。如果按28 kW 计算，当前的网络效率为93%，总损耗为1.96 kW。

图3

5 结语

由于采用了电磁双耦合网络技术以及选用了低温度频率特性的无氧铜材料及真空介质电容，所用元器件承受的功率容量均增加一倍以上，同时采用串并联方式进行分流、分压处理，使得整个调配网络能承受的功率容量大大提高。配合专业软件对电感值和电容值的优化设计以及测量仪器的精度调整，使频率特性几乎接近矩形，能解决因环境温度变化而使网络产生温度漂移的问题，还可使调配网络工作更稳，网络损耗更小，提升了功率效益，强化了安全播出保障能力。