大功率短波发射系统天馈线阻抗匹配的解决方案

大功率短波发射系统天馈线阻抗匹配的解决方案

作者张俊谢宏张顺波

单位云南人民广播电台

摘要：本文通过由于变换频率引发短波天线驻波上升、阻抗不匹配的问题，探讨短波天线系统阻抗匹配问题的解决方案；

关键词：短波天线插入线匹配短截线匹配特性阻抗驻波

1．引言

阻抗匹配是传输线理论中的重要概念。在由信号源、传输线及负载组成的系统中，如果传输线与负载不匹配，传输线上将形成驻波。有了驻波一方面是传输线有效功率降低，另一方面会增加传输线的衰减。如果信号源和传输线不匹配，既会影响信号源的频率和输出功率的稳定性，又使信号源不能给出最大功率、负载又不能得到全部的入射功率，因此传输线一定要匹配。匹配有两种：一种是阻抗匹配，使传输线两端所接的阻抗等于传输线的特性阻抗，从而使线上没有反射波；另一种匹配是功耗匹配，使信号源给出最大功率。本文主要探讨短波天线系统中传输线之间的阻抗匹配问题。

在不匹配的短波天线系统中，传输线上会形成严重的驻波，这对发射系统的大功率传输产生的不良后果有以下几个方面：1、天线不能从发信机获得最大的有效功率；2、传输线产生天线效应，增大了传输线的损耗，降低了传输线的传输效率；3、在线上电压波腹点易发生跳火现象，破坏绝缘而造成故障；4、增加发信机输出电路的调谐困难，使发信机工作不稳定。

天线系统的失配对接收系统的影响也是很大的，这种失配不仅增加了馈线损耗，更重要的是使传输线产生天线效应，从而引入外界干扰，造成信号的信噪比下降，因此，短波天线系统的匹配是短波通信至关重要的一个问题。

2．天线系统情况概述

我台使用的是北京23所研制的50KW短波发射机，采用了同相水平反射幕天线、馈线系统主要包括了平衡转换器、天线转换开关、四线主馈传输线，如下图所示：

天馈线系统框图

在我台短波发射频率由原来的6927KHz变换为7210KHz的过程中，发现驻波值出现了明显的增大，发射系统无法调整。分析原因可能为天馈线系统出现了不匹配的问题，通过测量证实了这个问题，以下是测量数据：

从数据中看出，驻波比值偏高，需要进行天馈线匹配调整。

3．短波天线的阻抗匹配调整

短波天线的阻抗匹配问题，其基本原理是阻抗匹配的方法是在传输线和终端之间加一匹配网络，要求这个匹配网络由电抗元件构成：损耗尽可能的小，而且通过调节可以对各种终端负载匹配。匹配的原理是产生一种新的反射波来抵消原来的反射波。包括以下几个方面：1、随频率变化的天线输入阻抗与一定的馈线特性阻抗的匹配问题；2、不同特性阻抗馈线间的阻抗变换问题；

3、平衡系统与不平衡系统的转换问题。解决这些问题的主要方法，可采用短截线、插入线、指数线、阶梯线或传输线变压器。工程中，根据具体情况可采用不同的方式。

针对我台短波天线系统的实际情况，我们主要考虑采用插入线匹配或者短截线匹配法来调整。

3.1 插入线阻抗匹配法

3.1.1插入线阻抗匹配的原理

如下图所示，在馈线上串入一段特性阻抗与馈线的特性阻抗不相同的传输线，这样，在特性阻抗的跳变位置上将产生反射波，让这个反射波与原天线的反射波在插入线的终端互相抵消，使主传输线呈行波状态，这种匹配的方法叫插入线匹配法。如下图所示：

3.1.2四分之一波长插入线匹配

四分之一波长插入线匹配是指在传输线的电压波节点（或波腹点）插入一段长度为四分之一波长、特性阻抗为w1的传输线，是主传输线调至行波状态。根据无损耗传输线终端负载为任意阻抗时线上的等效输入阻抗的计算公式，可得到插入线终端的等效阻抗Zin：

式中，Zin为插入线终端的等效阻抗；Zl为插入线始端的等效阻抗；Wi为插入线的特性阻抗；ß为相移常数；L为插入线长度。

当插入线长度为L=λ/4时，有βl=2πl/λ，则Zin为：

进行四分之一波长插入线匹配时，要合理选择插入点的位置和插入线的特性阻抗w1。根据传输线理论可知，电压波腹点的等效阻抗为W/k；电压波节点的等效阻抗为Wk。分别取这两个传输线上等效阻抗为纯电阻的点作为插入线的始端阻抗Zl，并令插入线终端阻抗Zin=W，即可使主传输线匹配为行波。

如果将插入线始端选择在电压波节点，即Zl=k*W,则插入线的特性阻抗W1为：

如果将插入线始端选择在电压波腹点，即Zl=W/k，则W1为：

因k<1，可以得出从电压波节点插入，插入线特性阻抗W1低于主传输线特性阻抗W；反之，W1高于W；结论：当馈线为高阻抗（二线式600Ω）时，插入线的始端应该选择在电压波节点；如果馈线为低阻抗（四线式300Ω）时，则插入线的始端应选择在电压波腹点。

3.1.3天线输入阻抗作为插入线负载时的线匹配

根据插入线的匹配原理，插入线终端的主传输线上为行波，至天线方向仍有驻波。假如把天线的输入阻抗作为插入线的负载，则有可能是驻波的传输线减至最短。四分之一波长插入线作匹配时，要求插入线始端的负载必须是纯电阻，而天线输入阻抗不是纯电阻，故不能采用四分之一插入线在天线输入点作匹配。

这种情况下我们按照下式计算：

式中，W为馈线的特性阻抗，Ra，Xa分别为天线的输入阻抗的电阻部分和电抗部分；λ为工作波长。当根号内为负值时，公式无解，出现这种情况时，就不宜使用这种方法匹配。

推广上述概念，我们把传输线上的任意点都可视为天线的输入点，在该点插入按上式确定的插入线，可使天馈线得到匹配。

3.1.4插入线匹配法解决方案

根据插入线匹配原理，我们通过excel制作了运算表单，如下页表1-1，1-2，1-3所示：在这3个表中，赋值量部分为输入值，包括：工作频率F（KHz），测得插入参考点的负载电阻RL（欧），测得插入参考点的负载电抗XL（欧），主馈特性阻抗Z0（欧），加粗数据部分为返回值。其中，主馈特性阻抗Z0（欧）值由表2进行计算得到，表1-3对表1-2的值进行了验算，即用已知负载阻抗求算输入阻抗的算式验算其余值均为天线实测记录。