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数字调幅发射机输出网络原理与调试技术
lizhansong95 发表于 2007/12/7 14:37:38 2759 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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数字调幅中波发射机输出网络原理
与调试技术
摘要:数字调幅中波发射机输出网络是将功率合成器输出的低阻抗转换为50Ω输出阻抗，这个阻抗变换网络由带通滤器和阻抗匹配网络两部分组成。由带通滤波器完成射频放大器产生的基波电压的输出，而滤除其杂波；阻抗匹配网络是将馈线阻抗调整为功率合成器的输出阻抗。
关键词: 带通滤器、阻抗匹配网络、调试
引言
输出网络的功能是完成阻抗变换，即输出网络的输入阻抗与高末槽路谐振阻抗相匹配，输出网络的输出阻抗与馈线阻抗相匹配。只有阻抗匹配才使发射机的能量得到有效的传输，负载获得最大的有效功率。输出网络能使发射机输出的高频能量在馈线中得到最佳传输。为发射台安全优质播出提供必要条件。
一.带通滤波器
我们知道，数字调幅中波发射机功放桥工作于开关状态，输出电压波形如图1所示，其富里叶级数分解:
图1
式中，第一项是基波，其余为奇次高次谐波，而没有偶次谐波分量，三次谐波振幅最大，随着谐波次数的增高而振幅减小。为了抑制谐波向外辐射，全固态中波发射机设计了仅让基频通过的带能滤波器。但是，为了保持较好的稳定性，防止调制边频造成负载变化的影响，滤波器的Q值取得较低，这就使该滤波器对三次谐波的抑制程度不大。为了达到必要的滤波度，又在阻抗匹配网络中加设了三次谐波滤波器，进一步加强对三次谐波的抑制作用。
图2所示，为DM10中波广播发射机输出网络原理图。图中L101、C101、C102、L102、C103组成带通滤波器，L103、L104、L105、C104组成T型阻抗微调电路，其中L105和L104为三次谐波陷波器，L107为可调电感线圈为调制监视器提供射频输出电平的取样信号，E101为放电球。
图2 DM10中波广播发射机输出网络原理图
图3
其原理分析：图中左边为带通滤波器，是由二阶带通滤波器综合改进而得来的。图3为二阶带通原型，Rb为功率输出阻抗，Rc是天馈线经阻抗匹配的等效阻抗，这里Rb=RC=RO各元件计算式为：
L1=Ra1/ωc
C1=1/ω02L1
C2=a2/Rωc
L2=1/ω02C2
式中ωc=2πfC，fC为 "3dB带宽"的频率，ω0=2πf0，f0为工作频率。网络元件标称常数值如下表：表中Rb/RC的值除1以外，其他1/2、1/3、1/4、1/8等均为近似值。
Rb/RC 1 1/2 1/3 1/4 1/8
a1 1.414 0.448 0.276 0.199 0.094
a2 1.414 2.346 4.828 6.274 1.976
滤波器的阶数越多，通带更趋于平坦，阻带衰减更陡。但是，随着阶数越高，在发射机网络中，元件伏安量普遍较大，元件相互之间有影响，调试难度也加大，通常选用二阶带通为宜。而实际上还要根据发射机的输出功率，计算出各元件的电流、电压及伏安量。若遇到并联回路元件的电流过大时，可以变更L2来加以调节，如图4所示。以升高输出电压来减小回路电流。因为功率是恒定的, 电压越高电流越小。
图4
实际调整时，是调L1使之和C1及M个合成变压器的漏感及引线的分布参数发生串联谐振，使功放桥的负载为纯电阻。电路的阻抗变换关系为：
Rb=(L2-2/L2-1+L2-2)2Rc
式中，Rc是天馈线经阻抗匹配后的等效阻抗，其值应为50Ω，Rb为各功放桥的共同阻抗。
图5
图5所示为DM10数字中波发射机带通滤波器的简化原理图。其中L2=L2-1+L2-2+L2-3，C3对应的负载阻抗也随L2变比的增加而变化。L2的抽头用来设定合成阻抗值，从而设定功放桥正确的负载阻抗值。功放桥的工作阻抗是一个复数阻抗，合成阻抗值也是一个带容抗性质的复数阻抗。将L2的抽头调到朝地的一端，结果使上述阻抗变大。L1用来设置功放桥工作阻抗的电抗部分。功放桥通常要求一个负值电抗负载，其大小取决于工作频率并涉及机器的具体性能。
二、阻抗匹配网络
功率合成器的输出口阻抗等效到发射机输出的负载阻抗通常不会正好等于馈线波阻抗。匹配网络的作用，就是把馈线阻抗调整为合成器的输出阻抗。T、π 网络都能胜任这种职责，而对固态机而言，该网络不仅要阻抗匹配，而且还要有抗雷击作用。因为固态机的功放电路里会产生过大的瞬态电压、电流，因而容易把功放模块烧坏。通过计算机仿真实验，设计网络时选择恰当元件值，控制负载短路时等效到功放侧（功率合成器输出端）的等效负载阻抗的电抗性质和阻抗值，就可以对功放模块进行有效的保护。
具体的做法是在输出网络中把阻抗匹配网络设计成相移-45度网络，当负载短路时功放侧的等效阻抗呈感性。实际上，短路通常是铁塔基部出现雷击放电时引起的。因此，为了有效防止雷击对功放模块的损坏，还必须保证在塔短路时，发射机输出口处也是短路状态。这样还要在天调网络中附加相移网络，使这两点的相位差为180度的整数倍，从而达到防雷效果。
图6
1.T型匹配网络
阻抗匹配网络如图6a所示，串臂L4的作用是调载，L3的作用是调谐，并臂L5、C4串联谐振于三次谐波频率，构成三次谐波陷波器，其目的是在带通滤波器的基础上进一步加强对三次谐波的抑制。对基波来说，L5、C4串臂等效为电容 Cˊ4，等效电路如图6b所示，是一个T型匹配网络。下面对图6c的等效电路进行分析计算。
Q=XL/R=tg?
?为半边电路的相移角，整个网络相移角为2?。
Rˊ=(1+Q2)R/Q
XC=（1+Q2）/R
当R短路时，如图6d所示XL直接与二个Xc并联等效为电抗，其值为QR（1+Q2）/（1-Q2）。这个等效电抗再与左侧电感串联，其电抗值为X=2Q/（1-Q2）R。
如果整个网络的相移角为-450，则 X=(2tg?/1-tg2?) ×R=Rtg450=R, 也就是说，如果上述T网络的相移角为-450，且负载阻抗R为50Ω，当输出短路时，网络的等效阻抗由纯阻50Ω转为感抗50Ω。
阻抗匹配网络可以选用这种相移角为-450度的T网络。各元件在工作频率时的阻抗值为： XL4=XL3=QR=50×tg22.50=20.7Ω
Xc=R(1+Q2)/Q=141.4Ω
XL5=Xc/16=8.8375Ω
Xc4=9×XL5=9×8.8375=79.5Ω
再用XL5 、Xc4计算出L5、C4的值。
2.π型匹配网络
图7a所示Л型网络也是一种常用的阻抗匹配电路。如果求对象阻抗均为R，相移角为? 时，则：X1=±Rctg?/2 X2=(2 Rtg ?/2)/1-tg2 ?/2
X1、X2取上面符号时，?为负值，输出相位滞后，反之超前。当?=450 时，若输出端如图7b所示被短路,该电路的等效阻抗也为jR
图7c和d是两种用于固态机输出网络的实用电路，图7c中L3和C3并联谐振于三次谐波，对工作频率而言呈电感性，与两个C1构成低通型л网络；图7d是一种高通型л网络，L2、C2串联谐振于三次谐振，对工作频率呈容性且容抗与C1相等。
图8为DX-50中波发射机输出网络的原理图，图中L1、C1、L2、C2组成带通滤波器，同时L2、C2又与C3、C4、C5、L3组成л型阻抗匹配网络。其中L3、C5是串联谐波于工作频率呈容性，为载波输出提供通路，同时与C3并联谐振于三次谐波频率上，更好地抑制三次谐波，对工作频率而言此并联回路呈感性。C4的作用是调载，C1的作用是调谐。
当阻抗匹配网络的元件值因调配需要而稍许偏离设计时，只要偏离得不多，网络仍具抗雷性。
图7
图8
三、末槽元件Q值与稳定性的关系
组成末槽的电感线圈和电容器的Q值以及元件间接触电阻对末槽工作的稳定有影响。电感线圈多用紫铜管绕制而成，其Q值与导体横截面积大小有关。电容器的Q值与介质材料与制作工艺的好坏有关。谐振槽路的Q值就由这两种元件的Q值决定，并取决于Q值低的那个元件。元件间的接触是否良好，也影响谐振槽路的Q值。Q值越低,槽路并联谐振时的等效电阻越小，消耗的功率越大。同时，将导致元件温度上升，而温升将使元件的参数值发生变化，致使槽路失谐，引起场效应管的工作电流增大，并形成恶性循环，严重影响功放桥的正常工作，造成机器工作的不稳定。因此，必须选择Q值合适的元件，并保证元件间连接处接触良好。
四、DM10中波广播发射机输出网络的调整
输出网络一般不需要重新调整，除非需改必变发射机的工作频率。如需调整检测通常采用冷调法。（具体按预置表中要求预调到要求的阻抗值）。在调整前必须确认已断开了发射机的全部电源，并且用通地棒将所有加过交流电或高频电压的地方进行通地放电，并且在无其它干扰频率的情况下进行调整。
1.三次谐波器L105、C104
断开L105与L104、L103的连接的铜皮，将高频电桥接至L105与地之间。调整L105使其谐振于工作频率的三次谐波（谐波时阻抗最小）。
2.带通滤波器L102、C103
断开连接到L103的铜皮，以及接到C101的馈电螺栓上的铜皮。将高频电桥接到C103的上端与地之间，使L102与C103并联谐振于载波频率的位置（并联谐振时阻抗最大）。调整时，松开L102与C103连接点，左右滑动接点，寻找谐振方向，向阻抗增大的方向移动，使之达到最佳位置。注意，由于L102靠近后板，必须盖上后板测量，确定L102、C103的谐振位置，否则有大约4KHZ的误差。尽量做到误差最小为宜。
L102、C103谐振时，其谐振阻抗为2500Ω以上。这个阻抗与损耗有关，功率等级越高，这个阻抗值要求越大。
3.T网络的调谐和调载
重新将L102、C103与L103连接起来，断开连接L101-C101铜皮，接上50Ω假负载。将高频电桥接到L102的后端。
⑴先将L103和L104转到右侧直到限位为止，使其电感量为最小值。
⑵分别调整负载线圈L104,调谐线圈L103，使其读数趋于（50+J0）Ω， 注意分别反复调整两线圈，并且每次不超过去1/4圈。
⑶要注意到T网络的相移是45度，其中有一个50Ω谐振伪点。
⑷正确的办法是将调载线圈的初始位置设置到最小的电感量位置，可用线圈顶部的抽头设置电感值。然后调整电感（可用测量电感量的办法或将反射表调到0）。第二次指示50Ω的点是正确位置。
⑸重新将铜皮接到L101、C101的螺栓上。断开功率合成器输出端与L101的连接，将高频电桥接到L101与地之间，调整时，请参考出厂预置表中有关功放合成阻抗的数量。该输出对带通滤波器应为4Ω左右。
4.发射机接通天线后，天线阻抗经馈线等效到发射机输出端的阻抗通常不会正好是50Ω,因此，还必须让机器加电进行热调。热调时，用发射机上多用表的驻波反射指示作为调谐和负载的指示，将输出网络调整到正确位置。实际调整时，升功率使模块导通18-19块之间。此时输出功率为10KW，功放电流在48-52A之间，同时，细调调谐、负载，使功率最大，电流最小，同时驻波反射也最小为止，工作十几分钟，注意观察机器运行情况，检查模块出风是否过热。如无过热就算正常。如果模块导通了18-19块，功率始终调不到10KW说明槽路没调正常，应重复上述调试过程，直到正常为止。