M2W100KW中波广播发射机输出滤波网络的调整

郑俊英

(国家新闻出版广电总局554台)

摘要：文章对汤姆卡斯特公司生产的模块式中波调幅广播发射机为基础，对其输出滤波匹配网络从形式上做了说明，对输出滤波网络的功能包括滤除二次和三次谐波并将射频台阶的低输出阻抗转换为50欧姆输出阻抗从原理上进行了描述，重点对改频调试过程中使用网络分析仪对整个网络的实际调整过程和网络元件对网络滤波和输出参数的影响进行了详细的论述。在日常维护中对其中两个输出线圈微调做了简单介绍。关键词：M2W 发射机 滤波 调整1 引言
模块式中波调幅广播发射机（Modular Medium Wave Amplitude modulation Transmitter）简称M2W 调幅发射机。它是汤姆卡斯特（Thomcast）公司九十年代生产的全固态数字化调幅中波广播发射机。这种发射机实现了全机晶体管化，和美国哈里斯（Harris）公司生产的DX系列发射机一起，统称为固态发射机。这种发射机取消了传统的高电平音频功率放大器，直接用数字化音频信号控制末级射频功率放大器实现高电平调幅。M2W发射机用完全一样的射频功率放大台阶（RF Stage简称ST）产生发射机的输出功率。四个ST组成一个功率放大模块组。不同数目的功率放大模块组可以组成10KW-125KW不同发射功率等级的发射机。如M2W100KW发射机有20个功率放大模块组即80个ST组成。不同功率等级发射机的控制系统和电源通路是一样的，音频处理和监测通路也一样，在发射机的音频输入和控制通路部分，将输入的模拟音频信号转化为16Bit的数字音频信号，用数字音频信号去控制射频功率放大台阶的循环导通，产生发射机输出的功率。相对于电子管式发射机来说，固态发射机的工作电压很低，在相同输出功率的情况下，固态发射机的输出阻抗就远远低于电子管发射机的输出阻抗。发射机的射频功率放大台阶用4组CMOS场效应管组成桥式电路，控制CMOS场效应栅极的为频率为发射机载波频率的矩形波信号，因此，功率放大台阶输出的为矩形波信号，为得到需要的正弦调幅波，需要很好的输出网络滤除谐波，得到以输入音频信号为包络的调幅波。

图1 输出滤波网络

2 输出滤波匹配网络M2W发射机功率放大台阶的输出接到各自的铁氧体变压器初级，所有变压器的次级串联合成提供发射机输出电压。M2W发射机的输出网路将射频台阶输出的低阻抗转换为50欧姆输出阻抗，用于匹配天线阻抗，同时滤除二次、三次谐波电压，产生基波电压。其滤波网络如图1所示。由带通滤波器和低通滤波器组成。其中L1、C1用于电抗补偿，L5、C5组成Γ网络，L2、C2、L3、L4和C4组成π网络。其功能有实现电路匹配和通带，可以工作在整个中波频段；完成谐波辐射抑制，残波辐射的技术指标符合ITU-R 329-6的规定，对于M2W100KW发射机，其残波辐射小于等于50毫瓦；微调的灵活性，当天线引起输出变化时，为了微调，网络将L1和L3线圈中间加装了一个短路板，通过短路板与线圈的角度改变线圈值，达到微调输出网络阻抗与天线阻抗匹配的目的。M2W发射机输出网络的并臂C2和L2用于串联谐振于发射机工作频率的三次谐波，C4和L4串联谐振于发射机工作频率的二次谐波频率，加强谐波抑制。因为L、C串联阻抗为Z=jXL-jXC，当载波频率低于谐振频率时，支路呈容抗。所以，这两个串联并臂用于滤出发射机三次和二次谐波，对于工作频率它们均呈现容抗，和串联臂上的元器件一起，用于带通和阻抗匹配。输出网络采用瓷饼电容和线圈组合而成。其频宽比一般的带通滤波器要宽，主要是滤除射频的谐波及组合音频信号残波。为了与天线阻抗匹配装有低通滤波器，既有防雷的作用，又与50O欧姆馈线输出阻抗匹配。M2W发射机输出网络功率合成器的初始端PORT1直接接地，不同于DX发射机功率合成器的初始端通过云母电容和线圈并联谐振于发射机的工作频率。功率合成电路的初始端不同，直接导致发射机输出网络形式有很大差异，DX200发射机的输出网络为一个简单的倒L网络，实现了滤波和阻抗匹配。3 630KHZ输出网络的调试因为原发射机工作频率不是630KHZ，需要调整发射机的输出网络以满足工作频率的要求。3.1准备工作断开发射机功率合成器始端与地的连接，如图1的PORT1端；发射机射频输出端，如图1中PORT2位置安装变径，便于连接网络分析仪；根据工作频率检查滤波网络的电容值、电感值；将电感线圈的L1、L3的金属盘旋转到45°位置，便于以后调整中微调；断开发射机输出网络的自动接地装置；核对石墨放电球间距；发射机用隐屏控制，隐屏比用户屏的控制更深入。3.2调试步骤
连接射频放大台阶到控制系统的电缆并保证可靠；取下给射频台阶供电的VDD电源保险；保证所有射频放大台阶安装到位；关闭所有机箱门；合发射机总电源Q1和控制电源FS2；通过隐屏控制发射机切换到待机STBY状态。连接网络分析仪。

图2 谐波频点图

3.3二次、三次谐波调整利用网络分析仪5061B进行网络调整。首先对网络分析仪进行开路、短路和接50欧姆标准件校准。然后断开发射机功率放大合成单元的接地端，接网络分析仪的A端口，断开发射机输出网络的输出端，如图1所示，即C5和L5的公共端，接网络分析仪的B端。因为网络要滤除二次和三次谐波信号，需要先调整二次和三次谐波的串联谐振网络。 630KHZ输出网络的电容C1为7500PF，用三个2500PF/10KV瓷饼电容并联，C2为4500PF，用三个1500PF/10KV瓷饼电容并联，C4为6000PF，为四个1500PF/10KV电容并联，C5为2个1500PF/10电容并联。可见，吸收二次、三次谐波的电路采用了较大电容，可以使二次、三次谐波得到最大程度的衰减。网络调整是在电容固定的情况下进行的。线圈电感量用短路夹子调整，短路夹子位置应靠近接地端。要求二次、三次谐波相对于基波的衰减量不小于50dB。用安捷伦E5061A网络分析仪调整网络，网络分析仪设置：①测量项目S21，②采样点数选择800，③扫描频率从300HZ开始，至15次谐波结束，④输出格式选择Log Mag选项，⑤扫描功率电平设为10dBm。先调整二次谐波陷波电路。反复调整L4短路卡子的位置，使1260KHZ信号幅度-55.7dB，再次调整L2短路棒位置，使1890KHZ信号幅度为-53.57dB，与基波信号幅度-1dB的差值均小于-50dB，满足谐波要求。在实际工作中，考虑到工作温度对电容器的影响，电容器的热膨胀使电容量减小，所以，在冷态调整网络时，应保证二次/三次谐波频点位于相应谐振频率的右侧。当电容量变小时，频点刚好回到凹陷点上，使衰减最大。3.4匹配阻抗调整当谐波满足要求后，将图1中PORT2的位置接一个50欧姆标阻。PORT1位置接网络分析仪的A端。重新设置网络分析仪参数，测量项目选择S11，采样点数仍选择800，扫频范围设为开始300HZ，到10次谐波止，输出格式显示为R+jX选项，校准电缆后测量。在Smith阻抗圆图上查看S21阻抗为8-j30，距离标称22+j22有差距。调整L3和L1短路棒位置，短路棒位置应靠近滤波器输出端，电感L1主要影响阻抗虚部多一些，电感L3对实部和虚部均有影响，主要影响阻抗的实部。短路棒的位置影响线圈的电感量，当短路棒靠近边缘时，互感小，短路棒越是靠近线圈中间位置，线圈的电感量会变大。最后的阻抗值对于标称值的相对误差在±2%以内即可。最后测得网络S21阻抗为22.4+j22，满足发射机参数要求。这时，需要检查二次、三次谐波抑制电路，保证谐波抑制量不小于50dB。否则，要反复调整谐波抑制电路、阻抗匹配电路，使二者同时满足调试要求。3.5调试结束调试结束后，恢复功率合成器的始端PORT1接地，拆除发射机射频输出端的变径，将发射机的射频输出接假负载，恢复输出网络的自动接地装置，对调试好的电感线圈位置做标记并拍照，记入测试报告中。4 日常维护日常维护中，因为天气变化会导致天馈线系统的阻抗发生变化。比如夏天高温天气使馈线松弛，这些参数变化会使发射机面板上工作参数发生变化，特别是发射机的合成器相角。多注意发射机各种工作测量值，进一步了解发射机的运行状况，为及时发现异态提供第一手资料。如果相角偏离45度较多时，应该重新对天馈线系统进行测量调整，或者检查射频放大台阶的输出合成与滤波网络的匹配问题。如果在确定天馈线系统参数都不变的情况下，可以调整L1（微调）、L3（粗调），改变网络参数与天馈线匹配，满足发射机功率的可靠、高效传输。L1、L3的微调开关在输出网络机柜的侧壁上，用发射机专用工具调整。调整他们会对入射功率、反射功率和合成器相角有影响。