DX-200中波发射机电压驻波比取样电路工作原理及调整

崔立忠 刘 博

（国家新闻出版广电总局523台、国家新闻出版广电总局953台）

【摘要】 本文通过公式推导，定量定性地论述DX-200中波发射机天线电压驻波比取样电路工作原理，并结合实际电路详细介绍天线电压驻波比取样电路调整方法，提出维护建议。【关键词】 电压驻波比射频功率取样板定向耦合器调整保护

1 前言

调幅广播发射系统以广播发射机为核心, 包括用于功率传输的馈线系统，以及负责高频电磁能量转换为电磁波辐射到自由空间的天线。DX-200系列全固态中波数字调幅发射机是我国大功率中波发射机的主要机型，其功放级化整零，由224个场效应管组成的功放模块串联合成调幅波。整机效率高，运行稳定，是世界先进的中波发射机。由于场效应管耐电压过荷能力低，当天线与馈线阻抗不匹配或馈线与发射机阻抗不匹配时，高频能量将不能全部馈送到天线，部分产生反射折回，反射电压与发射机输出电压会叠加在一起，发射机末级功放场效应管将承受较大瞬间过电压，很容易烧毁。因而发射机与天馈线的匹配情况关乎发射机的工作稳定，发射功率的高效传输，辐射范围的可靠覆盖。本文重点介绍天线电压驻波比取样电路工作原理，并结合实际电路进一步介绍天线电压驻波比取样电路调整方法，加深对天线电压驻波比取样电路工作原理的理解。

2 DX-200中波发射机天线驻波比取样电路工作原理

2.1 天线驻波比概念及公式中波发射天线通常建立在离广播发射机非常远的地方，馈线完成两者之间的功率传送，图1为发射机能量传输方框图。

图1发射机能量传输方框图

驻波比是衡量广播发射机与天馈线系统匹配程度的重要参数之一，传输线上电压和电流以波的形式传播，沿传播方向传播的波称为入射波，沿传播反方向传播的波称为反射波。在任一点的电压或电流均由入射波和反射波叠加而成。定义传输线上任意一点反射波电压与入射波电压之比为电压反射系数Γ，即

假设发射机内阻为R_I，传输线特性阻抗为R_O，负载阻抗为纯阻性R_L，则发射机天馈线系统的反射系数可表示为：

当 R_O=R_L，则Γ=0，称为匹配状态。当 R_L> R_O，Γ为正值；R_L< R_O时，Γ为负值。如果R_L为开路或短路状态，则Γ分别等于+1或-1，称为全反射。在阻抗匹配状态下，高频能量全部传送给负载，不存在反射。这时，沿传输线各个位置上的电压振幅相等，不存在驻波，称为行波状态。而在失配时，由于存在反射波，反射波与入射波的叠加结果，就使得馈线上的各个点的振幅，存在有规律的起伏，称为驻波状态，如图 2 所示。

图2沿传输线各点电压分布

定义传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比为电压驻波比，用SWR表示：

由于传输线上电压是由入射波电压和反射波电压叠加而成的，因此电压最大值位于入射波和反射波相位相同处，而最小值位于入射波和反射波相位相反处，即：

由此可知，当|Γ|=0，即传输线上无反射时，驻波比SWR =1；当|Γ|=1，即传输线上全反射时，驻波比SWR→∞，因此SWR取值范围为1≤SWR＜∞。式4还可改写为：

2.2 天线驻波比取样电路工作原理DX-200中波发射机天线驻波比采用定向耦合器进行取样，从射频输出处拾取信号，射频电流、射频电压拾取示意图，如图3所示。1.射频电流取样：射频铜棒与射频电流取样线圈（铁氧体芯电感）T₄构成弱定向耦合器，根据安培环路定理（右手定则），可知通过射频棒上的交变电流产生交变磁场；根据法拉第电磁感应定律，可知在交变的磁场作用下，即穿过回路所包围面积的磁通量发生变化时，T₄两端会产生交变的感生电动势，感应电动势与穿过T₄的磁通量对时间变化率的负值成正比，感应电动势在T₄这个回路中将产生交变的感生电流i。2.射频电压取样：C₆是采用距离射频铜棒一段距离的铝板构成平板电容，将射频电压耦合到射频功率取样板上。

图3射频电流、射频电压拾取示意图

射频功率取样板由射频电压、射频电流取样电路、VSWR故障相位检测电路组成。图4为DX-200中波发射机天线电压驻波比取样电路原理图。

图4DX-200天线电压驻波比取样电路原理图

图4中，射频功率取样板通过C₆感应的射频电压取样信号通过R₁₀经过电容分压获得，可由S₄开关所接固定电容C₂₁、C₁₆，作为幅度粗调，可变云母电容C₂₆作为幅度细调，达到工作所需的幅度，再送到驻波比检波变压器T₁初级线圈和S₅开关所接的三只电容组成的LC并联调谐电路，电容C₂₇及幅度调整电路总阻抗记为X_A。通过T₄耦合出的射频电流取样信号，经R₄电阻将电流信号转变为电压信号，送到下面的并联LC移相网络，由S₆开关所接固定电容C₁₄、C₁₂、C₁₀、C₈，作为相位粗调，可变云母电容C₂₅作为相位细调，通过对电容的调整，达到改变电流取样信号相位和幅度的作用，整理后的电流取样信号加在T₁初级线圈的另外一端，电阻R₁及相位调整电路总阻抗记为X_B。
图4中，射频功率取样板通过C₆感应的射频电压取样信号通过R₁₀经过电容分压获得，可由S₄开关所接固定电容C₂₁、C₁₆，作为幅度粗调，可变云母电容C₂₆作为幅度细调，达到工作所需的幅度，再送到驻波比检波变压器T₁初级线圈和S₅开关所接的三只电容组成的LC并联调谐电路，电容C₂₇及幅度调整电路总阻抗记为X_A。拾取的电压信号和电流信号分别加到T₁初级线圈两端，为减少电压和电流取样信号间的相互影响，T₁初级线圈（1kHz下，实测57.8μH）通过其初级绕组电感，以及C₂、C₅、C₁三只电容的调整，调谐于发射机工作频率的并联谐振点上，为射频电压，电流取样信号提供一个高阻抗的隔离。T₁次级线圈连接一个全波整流电路和滤波电路，直流输出可以在测试点TP₁₆上测量。根据传输线理论，可知在射频输出铜棒上任一点电压和电流都是入射波和反射波的矢量和。设入射波电压为E_f，反射波电压为E_r，传输线特性阻抗为Z₀，角频率为ω，电波在导体中的传输速度为ν，设发射机输出网络输出至射频电流取样线圈处的铜棒长度为Xm，这样X点的电压E_X、电流I_X传输方程式为：

假设射频铜棒与T₄之间的互感为M，T₄电感量为L（1kHz下，实测0.37mH），当RF铜棒上有高频电流I_X通过时，在T₄上产生的感应电动势为e，这个电动势e在T₄及R₄∥-jX_B（表示R₄与-jX_B并联）中形成高频电流I₁，这样：

因为ωL>> R₄∥-jX_B，所以：

设：

则：E_B=bI_X

平板电容器C₆与C_X组成电容分压器，实测C₆=0.3pF，C_X上分得的电压为E_A；根据电容分压公式可推导出E_A表达式：

设：

则：E_A=aE_X

把式（12）、式（13）代入式（14），可得：

在发射机匹配良好时（如：在测试负载上工作时），准确调整取样电路，使取样电压与取样电流幅度相等，这样下列等式成立：

所以：

通过上述等式，可知高频变压器T₁初级线圈之间电势差为反射波电压2Ka倍，T₁次级线圈经过CR₁₀、CR₈二极管检波，反射波电压被分离出来，作为表征天馈线匹配情况的天线零点电压值，送到驻波比保护电路中。2.3 天线驻波比保护电路工作原理当发射机输出阻抗与负载匹配时，反射电压为零，通过调整使得在T₁初级两端的两路射频取样信号等幅同相，T₁初级绕组就不会有电流流过，次级输出的电流就接近于0，取样出的电压也就是0。如果负载电阻变化了，T₁初级两端信号的电压幅度关系就改变了；如果馈线阻抗变化了，两路取样信号的相位关系也就改变了，只要取样的相位和幅度有一个发生变化，T₁初级绕组上就会形成电压差，产生电流，T₁次级绕组中就会感应出电流，全波整流电路就会输出一个直流电压，此信号分两路，一路以实际模拟量输出，送到发射机前面板上，作为天线零点示数。另一路与合适的门限值（一般设为2V）比较，超限时，将有驻波比故障高电平信号输出，处理情况分两种：一种情况是单次驻波时，输出一个20ms 的负脉冲，控制发射机射频封锁，关断功放；如果再不出现VSWR 故障，则发射机恢复正常播出；第二种情况是连续驻波时，发射机将逐次降功率直至停机。

3 DX-200中波发射机天线电压驻波比调整方法

一般情况下，天线电压驻波比电路的调整应在整机调谐及负载最终确定后进行。DX-200中波发射机有低、中、高功率电平输出，对负载匹配要求比较高，为避免当功率电平逐步升高时，驻波比过荷不断动作造成无法正常工作，应按照低、中、高功率的次序，在这三挡的调谐及负载状态确定后，调整天线电压驻波比电路，使其输出为正常零点。为安全起见，应将DX-200低功率一挡的输出功率电平先确定为20kW，在这个输出功率电平上，将天线电压驻波比电路调整一次，然后将DX-200低功率的输出功率电平恢复正常。具体调整方法如下：1.结合图4，将双踪示波器通道CH1探头接在射频功率取样板TP₁₄上，通道CH2接TP₁₅上，然后将万用表打在直流5V档，红表笔接在该板TP16（天线驻波比输出）上，黑表笔接地。将板上JP3由1、2（正常位置）插到2、3（校准位置），即将电流取样电路隔离开来。2.将DX-200中波发射机开低功率，调整模拟输入板相关电位器，使发射机输出14kW功率，无调制。3.调谐天线电压驻波比检测器T₁初级线圈并联谐振：按下瞬间电压驻波比测试按钮开关S₂（并擎住），微调C₂₆，并选择S₁位置适当的组合，观察万用表电压读数，使TP₁₆获得最大电压，并联谐振已经实现，释放驻波比测试开关S₂。4.将射频功率取样板上S₇开关、JP3置于正常位置，调整双踪示波器时基旋钮，使示波器屏幕中显示两到三个周期的载波信号，两路幅度和相位会有些不同。5.使射频电压和电流取样的幅度相等：调整示波器两通道垂直幅度一致后，调整C₂₆，使示波器显示的通道2与通道1幅度尽可能一致，若不能，则调整结合S₄开关，增减电容，重新调整C₂₆，使TP₁₅、TP₁₄的信号幅度一致。标准为TP₁₆所接万用表的读数不再减小。6.调整射频电压和电流取样信号相位，使它们同相：然后调整C₂₅，使示波器显示的通道1与通道2的相位尽可能一致，若不能则结合S₆重新调整，C₂₅使之相位尽可能一致。重新调整TP₁₆处的零点到0或接近于0。7.万用表读数不再减小，此时万用表读数应该能在0.02V以下。8.调整完毕后，可以进行试验，用手按压S₂驻波比测试开关，观察发射机是否出现天线驻波比保护，以及TP₁₆处的电压是否升高。

4 DX-200中波发射机天馈线系统维护建议

天线驻波比是衡量发射机天馈线匹配状态是否正常的重要指标，发射台维护人员应十分机，应定期检查、调整天线驻波比电路，确保工作正常；定期分析发射机天线零点数据，以之为据，认真维护天馈线系统：1. 定期对馈线工作状态进行测试、调整：测试馈线垂度、馈线阻抗、馈线等指标，定期调整馈线松紧度，馈线形状完好，稳固。2.定期对发射机工作状态进行测试、调整：微调发射机输出网络调谐、调载电容，确保发射机在载波功率200kW工作时，开通102块射频放大器（按照发射机调机报告确定），确保发射机输出阻抗与馈线阻抗相匹配。3. 定期对天线系统工作状态进行测试、调整：测试天线运行阻抗，微调天调网络输出阻抗，确保天调网络输入阻抗与馈线阻抗相匹配。 参考文献：[1]广播电视发送与传输维护手册10-4分册.DX型大功率中波发射机；[2]广播电视设备维护图册（一）.DX系列发射机； 编辑：中国新闻技术工作者联合会