短波廣播發射天線交換系統更新的技術探討

■ 新疆廣播電視局五二三臺：楚閎斐

隨著近年來科技的飛速進步，廣播發射事業迎來了高質量發展的蓬勃前景，安全播出作為節傳事業第一生命線，尤其對大功率短波發射臺站來說，傳輸的安全性、高效性、可靠性將是必然技術要求。天線交換開關作為廣播傳輸中天饋線系統的重要組成部分，是發射機傳輸中的重要一環，是安全播出的重要保障，隨著工作運行中不斷實踐，短波發射臺的室外天線交換開關也越來越多地被改造為運行穩定可靠的室內天線交換開關[1]。

本臺于2018年、2023年對兩個發射機房天線交換系統分別實施了改造，將改造前后發射機端的反射功率和駐波比數據進行比對，以測試數據為依據把頻點的變化分成三種情況進行分析，一種情況是：反射功率和駐波比均變小，大部分頻點屬于這種情況，這也是實施天線交換系統升級改造的最終目的，我們還可對平衡轉換器和諧波濾波器適當調整，將該頻點的駐波比進一步變小，改善發射機指標參數；第二種情況是：反射功率和駐波比均變大，我們依然可通過適當調整平衡轉換器和諧波濾波器的技術參數使反射功率和駐波比變小，造成此類現象一般是由于天線或饋線在該頻點上的電抗分量在發射機輸出端呈現出較大的變化，致使發射機輸出端和饋線不能滿足阻抗匹配導致發射機失諧，反射功率增大，發生這種情況的頻點數量較多，也是日常運行中較常見現象；第三種情況是：改造前和改造后發射機與饋線阻抗都不可調配，這是由于天線在該頻點阻抗出現異常致使與發射機阻抗嚴重不匹配，無法從發射機端對阻抗進行調配，只能對天線進行調配以解決阻抗匹配問題，在實際運維中出現此類情況較少見。以下專門就第二種情況進行分析和討論。

1. 從傳輸線理論進行分析

1.1 問題的產生

天線在某些頻點會呈容抗或呈感抗，將導致饋線在發射機輸出端的特性阻抗也呈現偏容抗或偏感抗，呈現出的電抗性質和大小，不僅與天線有關，還與天線到發射機之間的饋線路徑長短有關。

室外天線交換開關相互之間的連接饋線（如圖1所示）和室內交換開關之間的連接饋線（如圖2所示）距離過近均會或多或少地在饋線中引入容抗或感抗，饋線引入的容抗或感抗與天線的容抗或感抗在發射機輸出端相疊加，導致發射機輸出端阻抗與饋線阻抗不能實現匹配，影響發射機的傳輸效率。

圖1 室外天線交換開關之間連接饋線

圖2 室內交換開關間的連線饋線

天線交換系統改造前，我臺是通過調整平衡轉換器和諧波濾波器的參數進行補償，完成發射機和天饋線系統的阻抗匹配，使發射機達到可能的最佳工作狀態；天線交換系統改造后，天線、交換開關及連接饋線引入的容抗或感抗發生了改變，天饋線系統在發射機輸出端呈現的特性阻抗與發射機的輸出阻抗不能獲得匹配，導致反射功率和駐波比變大[2]。

1.2 電抗分量的產生

（1）來自天線的電抗分量。任何一副天線都不可能呈現出理想的純阻狀態，并且，由于天線在架設施工中存在的設備、施工人員、地形以及環境等因素的影響，常常會導致天線在某些頻點的電抗分量產生較大的偏離。

（2）來自饋線的電抗分量。一是由于饋線的距離動輒幾百米，因此饋線經常會分若干段進行連接，段與段之間的連接在實際中就會引入感抗或容抗；二是在饋線路徑彎曲時也會引入一定的電抗；三是饋線對外輻射也要帶來一定的電抗。以上種種因素都會導致天線在某些頻點的電抗分量產生較大的偏離。

（3）來自天線交換系統的電抗分量。在天線交換系統中，天線交換開關之間的連接饋線也會帶來一定程度的電抗分量。

1.3 改造前后電抗分量的變化及形成

天線交換系統改造后，天線到發射機之間的饋線路徑變短了，來自天線的電抗分量也因此發生了變化，原理如圖3所示。

圖3 阻抗圓圖

當天線在某個頻點的電抗分量一定，在圖3的阻抗圓圖上找到該歸一化的位置，以這個位置到圓心的距離為半徑，沿順時針方向，每轉一圈就相當于向發射機移動了一個波長，因此當饋線路徑的長度發生改變時，天線的電抗分量也會發生變化。

天線交換系統改造后，由于采用了阻抗特性更好的天線交換開關和更加規范的連接饋筒來連接開關如圖4所示。

圖4 改造后規范交換開關連接饋筒

來自天線交換系統的電抗分量也因此發生了變化，原有的饋線連接跳籠帶來的感抗消失了，而新交換開關產生的電抗被引入了。

1.4 問題的解決

從以上的分析看出，天線交換開關改造后，發射機天饋系統的電抗分量發生了較大改變，等效到發射機輸出端口的電抗值也隨之發生了較大變化，為使發射機輸出特性阻抗與天饋系統的特性阻抗獲得阻抗匹配，必須將發射機的輸出電抗進行適當調整。這一問題在實際工作中較易解決，我們一般是通過調整平衡轉換器和諧波濾波器的電感和電容的參數進行補償，以改變發射機和饋線的特性阻抗，使發射機的阻抗與負載的阻抗獲得匹配。

2. 從濾波器的原理進行分析——結合100kW短波廣播發射機

2.1 諧波濾波器

獨立看諧波濾波器的組成如圖5所示。

圖5 諧波濾波器原理圖

A端口與發射機的輸出連接，B端口與平衡轉換器連接，C1、C2、C3是3個可調真空電容，L1和L2是2個可調電感，組成了完整的諧波濾波器。

實際中我們把諧波濾波器分解成4個最小半波節濾波器如圖6所示。

圖6 最小半波節諧波濾波器

諧波濾波器圖5與分解后最小半波節諧波濾波器圖6中的參數有以下對應關系：

C1=C1

L1=L11+L12

C2=C21+C22

L2=L21+L22

C3=C3

由圖6可看出，將諧波濾波器的電感L1、L2分別分解為兩個電感L11、L12及L21、L22，將C2分解為C21、C22，由C1與L11、C21與L12、C22與L21、C3與L22組成4個最小半波節諧波濾波器。

2.2 分析

（1）當天線和饋線的電抗分量在B口呈現感抗時分解圖如圖7所示。

圖7 諧波濾波器B口呈現感抗分量的分解圖

Lz是天線和饋線在發射機輸出端的等效電感，等效后如圖8所示：

圖8 諧波濾波器B口呈現感抗分量的等效圖

等效后的C3與C31和C32的算術關系為C3=C31+C32

這時必須把C3調大，使C31與原來的C3相等，這樣才能使諧波濾波器有效濾除諧波，同時還能使傳輸系統匹配良好，這種情況諧波濾波器的參數一般變化不大，也很容易調諧，當C32＞C3，這時諧波濾波器也無能為力，無法完成對諧波分量的有效濾除，只有調整天線才能實現匹配。

而對于C32和Lz組成的網絡，其諧振點必須落在濾波器的截止頻率之外。

設C32與Lz構成的低通網絡的轉移函數為ˉA，通過分析C32與Lz構成的低通網絡進行電路分析，得到：

在轉移函數ˉA的幅度降低到一半時的頻點，就是C32與Lz構成的低通網絡的截止頻率，令|ˉA|=1/2，得到C32與Lz構成的低通網絡的截止頻率：

（原濾波器的上截止頻率）

即，當Lz小于時，較大幅度調整諧波濾波器的參數L2和C 3 就可以實現發射機與天饋線匹配；當L z 大于時，這時諧波濾波器無能為力，只有調整天線才能實現匹配。不可調配的頻點有一個共同的特點，就是分布在天線的截止頻率附近。

（2）當天線的電抗分量在B口呈現容抗時，分解圖如圖9所示。

圖9 B口呈現容抗分量的分解圖

然后將濾波器等效為如圖10所示，原來的4個半節濾波器變成了5個半節濾波器，且滿足：C3=C31+C32。

圖10 B口呈現容抗分量的等效圖

如果要保證濾波器原來的通帶寬度和特性阻抗不變，就必須使C32與Lz構成的并聯諧振網絡的諧振頻率fz落在截止頻率fc以內，比如說，濾波器原來使用的濾波范圍是3 MHz ～11 MHz，上截止頻率是fc=11 MHz。對于C32與Lz構成的并聯諧振網絡，它必須具有較小的Q值，才能保證在短波這種較寬的頻率范圍內都滿足阻抗匹配的要求，這種低Q值的網絡一般在實際中難以實現，所以，一旦天饋線等效到發射機輸出端口的等效阻抗呈容性時，很難通過調整發射機的諧波濾波器來實現系統匹配。

3. 經驗交流

天線交換系統的改造，實質上是改變發射系統原有的阻抗匹配狀態并通過相關匹配元件進行系統調整建立新的阻抗匹配狀態。實際中，饋線跳籠處的阻抗是不連續的，我們使用網絡分析儀主要就是對饋線跳籠處的阻抗進行調整，使其達到最佳傳輸狀態，再調整諧波濾波器和平衡轉換器的參數進行補償，使所有的頻點盡量獲得匹配，這樣，發射機的輸出狀態才會最佳。

需要提醒的是，千萬不要通過改變室外饋線局部跳籠距離的寬窄來改善匹配問題，否則，就會造成少數頻點的匹配問題得到一定的改善，而其他大多數頻點的匹配狀態則會變差，我們不能為獲得少數頻點的匹配而犧牲大多數頻點的匹配，得不償失。天饋線系統一旦經過變動，就必須對發射機重新進行調試，使發射機與天饋線特性阻抗重新獲得匹配。

4. 結束語

大功率短波發射天線交換系統改造至今已運行一段時間，現天線切換操作順暢快速，實現了初定的設計目標，改善了發射機與天饋系統的指標性能，切實解決了實際工作中存在的發射機與天饋系統的匹配問題，提升了天線切換操作效率，避免了因人為切換操作而造成的事故，提高了傳輸設備的安全性、穩定性和可靠性，確保了臺站的安全播出工作。