短波广播发射天线交换系统更新的技术探讨

■ 新疆广播电视局五二三台：楚闳斐

随着近年来科技的飞速进步，广播发射事业迎来了高质量发展的蓬勃前景，安全播出作为节传事业第一生命线，尤其对大功率短波发射台站来说，传输的安全性、高效性、可靠性将是必然技术要求。天线交换开关作为广播传输中天馈线系统的重要组成部分，是发射机传输中的重要一环，是安全播出的重要保障，随着工作运行中不断实践，短波发射台的室外天线交换开关也越来越多地被改造为运行稳定可靠的室内天线交换开关[1]。

本台于2018年、2023年对两个发射机房天线交换系统分别实施了改造，将改造前后发射机端的反射功率和驻波比数据进行比对，以测试数据为依据把频点的变化分成三种情况进行分析，一种情况是：反射功率和驻波比均变小，大部分频点属于这种情况，这也是实施天线交换系统升级改造的最终目的，我们还可对平衡转换器和谐波滤波器适当调整，将该频点的驻波比进一步变小，改善发射机指标参数；第二种情况是：反射功率和驻波比均变大，我们依然可通过适当调整平衡转换器和谐波滤波器的技术参数使反射功率和驻波比变小，造成此类现象一般是由于天线或馈线在该频点上的电抗分量在发射机输出端呈现出较大的变化，致使发射机输出端和馈线不能满足阻抗匹配导致发射机失谐，反射功率增大，发生这种情况的频点数量较多，也是日常运行中较常见现象；第三种情况是：改造前和改造后发射机与馈线阻抗都不可调配，这是由于天线在该频点阻抗出现异常致使与发射机阻抗严重不匹配，无法从发射机端对阻抗进行调配，只能对天线进行调配以解决阻抗匹配问题，在实际运维中出现此类情况较少见。以下专门就第二种情况进行分析和讨论。

1. 从传输线理论进行分析

1.1 问题的产生

天线在某些频点会呈容抗或呈感抗，将导致馈线在发射机输出端的特性阻抗也呈现偏容抗或偏感抗，呈现出的电抗性质和大小，不仅与天线有关，还与天线到发射机之间的馈线路径长短有关。

室外天线交换开关相互之间的连接馈线（如图1所示）和室内交换开关之间的连接馈线（如图2所示）距离过近均会或多或少地在馈线中引入容抗或感抗，馈线引入的容抗或感抗与天线的容抗或感抗在发射机输出端相叠加，导致发射机输出端阻抗与馈线阻抗不能实现匹配，影响发射机的传输效率。

图1 室外天线交换开关之间连接馈线

图2 室内交换开关间的连线馈线

天线交换系统改造前，我台是通过调整平衡转换器和谐波滤波器的参数进行补偿，完成发射机和天馈线系统的阻抗匹配，使发射机达到可能的最佳工作状态；天线交换系统改造后，天线、交换开关及连接馈线引入的容抗或感抗发生了改变，天馈线系统在发射机输出端呈现的特性阻抗与发射机的输出阻抗不能获得匹配，导致反射功率和驻波比变大[2]。

1.2 电抗分量的产生

（1）来自天线的电抗分量。任何一副天线都不可能呈现出理想的纯阻状态，并且，由于天线在架设施工中存在的设备、施工人员、地形以及环境等因素的影响，常常会导致天线在某些频点的电抗分量产生较大的偏离。

（2）来自馈线的电抗分量。一是由于馈线的距离动辄几百米，因此馈线经常会分若干段进行连接，段与段之间的连接在实际中就会引入感抗或容抗；二是在馈线路径弯曲时也会引入一定的电抗；三是馈线对外辐射也要带来一定的电抗。以上种种因素都会导致天线在某些频点的电抗分量产生较大的偏离。

（3）来自天线交换系统的电抗分量。在天线交换系统中，天线交换开关之间的连接馈线也会带来一定程度的电抗分量。

1.3 改造前后电抗分量的变化及形成

天线交换系统改造后，天线到发射机之间的馈线路径变短了，来自天线的电抗分量也因此发生了变化，原理如图3所示。

图3 阻抗圆图

当天线在某个频点的电抗分量一定，在图3的阻抗圆图上找到该归一化的位置，以这个位置到圆心的距离为半径，沿顺时针方向，每转一圈就相当于向发射机移动了一个波长，因此当馈线路径的长度发生改变时，天线的电抗分量也会发生变化。

天线交换系统改造后，由于采用了阻抗特性更好的天线交换开关和更加规范的连接馈筒来连接开关如图4所示。

图4 改造后规范交换开关连接馈筒

来自天线交换系统的电抗分量也因此发生了变化，原有的馈线连接跳笼带来的感抗消失了，而新交换开关产生的电抗被引入了。

1.4 问题的解决

从以上的分析看出，天线交换开关改造后，发射机天馈系统的电抗分量发生了较大改变，等效到发射机输出端口的电抗值也随之发生了较大变化，为使发射机输出特性阻抗与天馈系统的特性阻抗获得阻抗匹配，必须将发射机的输出电抗进行适当调整。这一问题在实际工作中较易解决，我们一般是通过调整平衡转换器和谐波滤波器的电感和电容的参数进行补偿，以改变发射机和馈线的特性阻抗，使发射机的阻抗与负载的阻抗获得匹配。

2. 从滤波器的原理进行分析——结合100kW短波广播发射机

2.1 谐波滤波器

独立看谐波滤波器的组成如图5所示。

图5 谐波滤波器原理图

A端口与发射机的输出连接，B端口与平衡转换器连接，C1、C2、C3是3个可调真空电容，L1和L2是2个可调电感，组成了完整的谐波滤波器。

实际中我们把谐波滤波器分解成4个最小半波节滤波器如图6所示。

图6 最小半波节谐波滤波器

谐波滤波器图5与分解后最小半波节谐波滤波器图6中的参数有以下对应关系：

C1=C1

L1=L11+L12

C2=C21+C22

L2=L21+L22

C3=C3

由图6可看出，将谐波滤波器的电感L1、L2分别分解为两个电感L11、L12及L21、L22，将C2分解为C21、C22，由C1与L11、C21与L12、C22与L21、C3与L22组成4个最小半波节谐波滤波器。

2.2 分析

（1）当天线和馈线的电抗分量在B口呈现感抗时分解图如图7所示。

图7 谐波滤波器B口呈现感抗分量的分解图

Lz是天线和馈线在发射机输出端的等效电感，等效后如图8所示：

图8 谐波滤波器B口呈现感抗分量的等效图

等效后的C3与C31和C32的算术关系为C3=C31+C32

这时必须把C3调大，使C31与原来的C3相等，这样才能使谐波滤波器有效滤除谐波，同时还能使传输系统匹配良好，这种情况谐波滤波器的参数一般变化不大，也很容易调谐，当C32＞C3，这时谐波滤波器也无能为力，无法完成对谐波分量的有效滤除，只有调整天线才能实现匹配。

而对于C32和Lz组成的网络，其谐振点必须落在滤波器的截止频率之外。

设C32与Lz构成的低通网络的转移函数为¯A，通过分析C32与Lz构成的低通网络进行电路分析，得到：

在转移函数¯A的幅度降低到一半时的频点，就是C32与Lz构成的低通网络的截止频率，令|¯A|=1/2，得到C32与Lz构成的低通网络的截止频率：

（原滤波器的上截止频率）

即，当Lz小于时，较大幅度调整谐波滤波器的参数L2和C 3 就可以实现发射机与天馈线匹配；当L z 大于时，这时谐波滤波器无能为力，只有调整天线才能实现匹配。不可调配的频点有一个共同的特点，就是分布在天线的截止频率附近。

（2）当天线的电抗分量在B口呈现容抗时，分解图如图9所示。

图9 B口呈现容抗分量的分解图

然后将滤波器等效为如图10所示，原来的4个半节滤波器变成了5个半节滤波器，且满足：C3=C31+C32。

图10 B口呈现容抗分量的等效图

如果要保证滤波器原来的通带宽度和特性阻抗不变，就必须使C32与Lz构成的并联谐振网络的谐振频率fz落在截止频率fc以内，比如说，滤波器原来使用的滤波范围是3 MHz ～11 MHz，上截止频率是fc=11 MHz。对于C32与Lz构成的并联谐振网络，它必须具有较小的Q值，才能保证在短波这种较宽的频率范围内都满足阻抗匹配的要求，这种低Q值的网络一般在实际中难以实现，所以，一旦天馈线等效到发射机输出端口的等效阻抗呈容性时，很难通过调整发射机的谐波滤波器来实现系统匹配。

3. 经验交流

天线交换系统的改造，实质上是改变发射系统原有的阻抗匹配状态并通过相关匹配元件进行系统调整建立新的阻抗匹配状态。实际中，馈线跳笼处的阻抗是不连续的，我们使用网络分析仪主要就是对馈线跳笼处的阻抗进行调整，使其达到最佳传输状态，再调整谐波滤波器和平衡转换器的参数进行补偿，使所有的频点尽量获得匹配，这样，发射机的输出状态才会最佳。

需要提醒的是，千万不要通过改变室外馈线局部跳笼距离的宽窄来改善匹配问题，否则，就会造成少数频点的匹配问题得到一定的改善，而其他大多数频点的匹配状态则会变差，我们不能为获得少数频点的匹配而牺牲大多数频点的匹配，得不偿失。天馈线系统一旦经过变动，就必须对发射机重新进行调试，使发射机与天馈线特性阻抗重新获得匹配。

4. 结束语

大功率短波发射天线交换系统改造至今已运行一段时间，现天线切换操作顺畅快速，实现了初定的设计目标，改善了发射机与天馈系统的指标性能，切实解决了实际工作中存在的发射机与天馈系统的匹配问题，提升了天线切换操作效率，避免了因人为切换操作而造成的事故，提高了传输设备的安全性、稳定性和可靠性，确保了台站的安全播出工作。