DF500A型500kW短波发射机自动调谐系统原理分析及改进建议

陈畅

（国家新闻出版广电总局2024台）

摘要：DF500A型500kW短波发射机是我国自主研发的短波发射机，通过几年的安装调试，发现了一些影响稳定的设计弊端，本文详细分析了该机型自动调谐系统的工作原理，从设计和使用的角度对系统存在的不足之处进行了分析和说明，并提出了改进建议，希望对DF500A型500kW短波发射机的稳定运行有所帮助。关键词：进口 国产 500kW 短波发射机 自动调谐系统

1 前言

DF500A型500kW短波发射机是国内近几年刚刚研制的机型，也是目前国产最大功率的短波发射机，在研制过程中以DF100A型短波发射机为基础，借鉴其它型号进口短波发射机的设计优势，对发射机的各大系统进行了重新设计。得益于高性能器件和控制理念的快速发展，对其控制系统进行了全新开发，同时根据设备运行的需要，最后形成了以C#+SQL开发的上位机和以CPLD+ARM开发的下位机组成的控制系统，上位机负责与上下级系统的数据交换和数据存储，下位机负责控制命令的执行。在发射机的运行过程中，发现新开发的控制系统基本能够满足设备运行的需要，但依然存在一些问题需要改进。其中，调谐系统作为发射机自动运行时的核心系统，对发射机的稳定运行起到了至关重要的作用，因此，本文从该机型调谐系统的工作原理入手，结合系统运行情况，分析调谐系统存在的问题，并提出了的改进建议，希望能够提高该机型的运行稳定性。2 自动调谐系统的工作原理自动调谐程序分为粗调、细调和升功率三个部分，以下分别进行介绍：2.1 粗调当下位机接收到上位机发送的频率指令或调谐失败重试指令时，自动调谐系统首先开始启动粗调程序，根据天线程式和方向信息从热播数据库中选择对应频率的调谐数据，将各路驱动单元的位置调整到预置调谐位置，同时调用相位误差、调谐步长、屏压屏流等工作参数。如果数据库内没有存储预置的工作频率，则系统从出厂数据库中调用对应频率的调谐数据，如果仍没有对应数据，则系统根据出厂数据自动采用内插法在相邻的两个预置频率之间通过计算获得调谐数据（此算法对MS开关的处理为选择较近频率的MS开关状态），当调谐元件到达相应的位置后，粗调结束，发射机合高压，封锁音周，开始进入细调阶段。2.2 细调细调分为前级细调和末级细调两个步骤，以下分别描述其工作过程。前级自动细调步骤：前级屏压与末级栅偏压供电正常，激励释放后，自动调谐程序根据前级鉴相器的相位值进行细调（前级自动调谐只参考鉴相值，而不参考发射机表值），鉴相器的两路信号分别从宽频带放大器输出端和高前电子管屏极耦合得到，分别经过低通滤波器后送入鉴相器，鉴相器经过处理后输出±4V范围的信号，对应±100⁰的相位范围，同时为了消除因调制对信号造成的影响，信号在输入放大器后由一个三阶低通滤波器进行滤波，滤波器在40Hz时最小衰减大于60dB。信号经过进一步放大、校正和补偿后调谐控制器，当检测到的鉴相值大于程序内部设定的误差值200（此值程序内固化，不能通过用户界面修改）时，说明存在严重的匹配或信号采样问题，系统直接报告调谐失败，重新启动自动调谐程序进行调谐尝试。当鉴相器小于内部设定值时，系统启动自动细调，当鉴相值大于80（此值可以通过用户界面修改）时，说明此时发射机状态离最佳调谐状态较远，调谐系统以较大步长（步长值可以通过用户界面修改）驱动调谐单元（MP2电机）进行快速调谐，当检测到的鉴相值小于80时，系统以较小步长（此步长值可以通过用户界面修改）使调谐单元进入慢速高精度调谐阶段，当调谐达到最小鉴相值时，系统判定最后的鉴相值，如果此值小于50（此值可以通过用户界面修改），标志自动调谐成功完成，否则报警自动调谐失败。前级自动调谐只通过调整MP02单元完成，在调谐过程中为了防止电机偏移设定的粗调位置过大，产生不可预计的损害，自动调谐程序对电机的偏移量进行了限定，只允许电机在粗调值的±200（此值程序内固化，不能通过用户界面修改）数码范围内调整，如果在此范围内鉴相值无法调整到50以内，系统也会报警自动调谐失败。末级自动调谐步骤：前级调谐完成后，PSM调制器按程序开通功率模块，末级屏压逐渐上升，同时开通帘栅模块，按程序释放帘栅压，当屏压逐步升到10kV时停止，开始进入末级自动调谐阶段。与前级调谐判断失败不同，末级调谐主要判断高末屏流值，当屏流值不在设定范围内（25A~32A，此值程序内固化，不能通过用户界面修改），则系统报警失败，重新启动自动调谐程序。当屏流在正常范围内时开始末级自动细调。末级细调分为调谐和调载两个步骤，首先通过鉴相器完成调谐部分，当鉴相值大于80时，系统以较长的步长驱动调谐单元MP11进行快速调谐，根据鉴相值的正负信号来进行正调谐或者负调谐，鉴相值小于80时改为较小的步长进行慢速精细调节，当调谐达到最小鉴相值时，系统根据鉴相值判断调谐是否成功，小于50成功，与前级细调一样，误差值和步长值都可以根据系统情况通过用户界面进行修改。调谐完成后开始调载，调载依靠采样的屏流完成，根据存储的屏流参考值，系统以给定的步长（此步长值可以通过用户界面修改）驱动调谐单元（高频10MHz以上调MP10，低频10MHz以下调MP5）来匹配输出端阻抗，当屏流值达到存储的参考值时（允许有一定的误差，误差值在程序内固化，不能通过用户界面修改），调载完成，否则报警失败，重新启动整个自动程序。由于调载时对调谐会产生影响，为了保证工作状态最优化，调载完成后系统再次通过末级鉴相值检查调谐状态，当发现鉴相值不在范围内时，通过驱动调谐单元进行细调谐，完成后末级细调完成进入最后的升功率阶段。最后的细调谐是为了发射机状态更好，稍有偏差发射机也可以正常运行，所以为了保证播出，系统对最后的细调谐采取了时间限制，在限定时间内如果细调谐无法完成，系统会停止细调谐而执行下一步的升功率步骤。在屏压升到10kV时，为了防止因外电电压波动或采样原因导致屏压未能准确停留在10kV而缺少参考的屏流值或参考值偏差较大，在系统设计时对每个预存频率又分别存储了9kV和11kV屏压下对应的屏流参考值，这样末级细调时只要屏压在9kV和11kV之间，都可以通过三个电压值计算出对应的屏流参考值，使调谐适应能力大大增强。2.3 升功率细调完成后系统完成最后的升功率步骤，根据500kW发射机的典型值，末级屏压14kV、末级屏流40A、输出功率500kW，系统在升屏压过程中监测这三个值，只要有一个测量值达到典型值，则停止升屏压，解锁音周，自动调谐结束，发射机开始播音。

图1 自动化调谐流程图

3 系统分析及改进建议DF500A型发射机的射频输出网络参考进口发射机，采用了3π结构，此结构与以往的国产发射机不同，以往发射机在调谐回路可调元件少，调谐思路固定，而新机型末级网络可调元件多，每个π选用的Q值不同，会导致各频率的调谐点差异较大，因此在调谐时需要多个元件位置配合，更需要自动调谐时根据鉴相和负载的情况调节最后一级π网络来实现调谐和调配，因此调谐难度相比之前发射机要大，自动调谐系统的设计也需要调谐能力更强。在设计自动调谐系统时采用的是DF100A发射机的思路，因此在工作中也表现出一些优缺点，主要分析如下：从之前工作原理分析可见，自动调谐过程基本按照手动调谐步骤完成，属于过程控制，这也是之前DF100A发射机自动调谐系统的设计思路，优点是工作过程比较直观，对每个频点的调谐比较细致，但从实际运行和以安全播出的结果来看，此系统存在一些可以改进的地方。系统采用上位机加下位机模式，下位机属于一个独立的系统，按照上位机发送的命令顺序执行，使用中发现，当下位机在执行调谐指令时，上位机发送停止或换频指令，此时下位机需等待之前的指令执行完后再响应，不仅用户体验差，而且无法满足安全播出的需要，尤其在有限的换频时间里，只要命令稍有差错就会耽误很多时间，甚至造成系统混乱死机等。在无法更改架构的前提下，与厂家交流后提出几个可行的改进建议：一是提高上下位机之间的通信速度，二是增加或提高一些指令的级别，通过中断方式干预系统的运行。调谐系统采用在10kV电压处一次调谐的模式。此模式在使用中发现存在2个问题：1、10kV时的调谐状态不能等同于满功率时的调谐状态，从实际使用中看，10kV时表值稍有偏差会导致满功率时表值偏差很大或10kV表值正常但因状态不好导致满功率时表值偏差很大；2、对于偏离调谐点较大的频率，系统需要通过较大幅度的调节末级输出网络来找到调谐点，但此时，由于10kV时电流电压较大，调谐过程中经常会出现由于电流越限保护而使调谐被迫终止的情况，大大降低了自动调谐的成功率，也使末级网络的优势得不到充分发挥。厂家最初在5kV时设计了一次调谐，但后来由于整个调谐时间过长而取消了5kV的调谐点，从以上分析看，采用5kV的调谐点对系统工作有诸多优点，建议在系统改进时参考。如果增加5kV的调谐点，那10kV的调谐点还保留吗？建议取消，5kV的调谐点已经可以将较大偏差的频点找回，那10kV调谐点的意义已经不大，而是将二次调谐点设置在满功率时，此时系统可以根据负载情况进行微调，使发射机满足最后的满功率运行要求。目前系统在满功率判断为三个参考值（屏流、屏压、功率），达到一个即可，从实际使用看不够严谨，首先对于高频频率，14kV的屏压不能完全达到满功率指标，而且当频率状态不好时，发射机屏耗很大，40A的屏流可能仅有400kW的功率，因此在满功率时设计二次调谐很有必要。设计时没有选择在满功率时进行二次调谐，同时对屏流值的保护设定了较小的范围，都是出于安全方面的考虑，但因此损失了调谐的成功率，从实际使用看，只要调谐过程中电压电流不超过器件的额定值，则不会明显导致器件的损坏，从另一方面说，调谐状态的好坏可能更影响器件的寿命。因此建议放宽保护门限，包括调谐时元件的调节范围，以保证调谐的成功率。厂家在设计自动调谐时，按照以前的方式调节，尤其是末级调谐时，根据表值来调谐，同时严格遵守采用一路元件调谐，另一路元件调配，从实际使用时发现，这种方法一方面调谐速度过慢，另一方面对于已存储的频率也经常需要较长时间的调谐，而对于计算出调谐数据的频率，往往长时间找不到调谐点。同时，在调机阶段手动存储频率过程中，比较重视单个频率调谐点的寻找，却容易忽略全频段内数据的一致性问题，频率数据比较独立，导致自动调谐时难以保证调谐的成功。因此可以改变设计的思路，从结果出发，更多依赖鉴相器进行调谐，当鉴相值输出越小发射机状态越好，屏耗低，效率高，最后参考输出功率，保证满功率输出，因此从结果出发设计可能更容易把握调谐的关键点。

4 总结

DF500A型500kW短波发射机是最新研制的国产机型，在控制系统的研发中，厂家采用最新的控制平台，在硬件上有了质的飞跃，系统更稳定、更灵活，但调谐系统的设计仍采用以往的思路，忽略了此机型可调元件多、末级网络比以往机型更复杂的不同之处，因此导致自动调谐系统不够灵活，使用时速度较慢，能力不够强，不仅导致调谐失败次数多，而且有些频率因为状态不好而无法正常运行，影响了发射机的播出质量。目前，安装和试运行过程中反映出的一些问题，已经根据设备特点和运行的需要进行了初步改进，保留优点，改进不足。希望通过这些改进使自动调谐系统有更优越的性能，满足发射机安全播出的需要。

5 参考文献

1.type TSW2500 Broadcast transmitter User Manual

2.DF500A型500kW短波发射机技术说明书

联系电话：0454-6079031

手机：15303688787

邮箱：6244466@163.com

编辑：中国新闻技术工作者联合会