大功率中波天线匹配网络的仿真设计与调试
魏亮华
摘要：文章主要针对200 kw以上大功率中波发射机天线匹配网络，介绍了利用计算机软件进行仿真设计的流程，并结合实际说明测试与调整的方法。
关键词：中波天线；匹配网络；仿真
目前国内有许多200 kW-1 200 kW的大功率中波发射机，所有发射机将信号传输到天线，都需要经过匹配网络进行阻抗变换。阻抗匹配是为了保证信号或能量有效地从信号源传送到负载，从而提升能源效益。天线匹配网络的优劣，直接影响到发射机的运行状态和播出效果。由于匹配网络的设计要求高，需要考虑诸多因素，方案可选择性多、计算量大。本文介绍利用计算机仿真软件Smith和Multisim进行天线匹配网络的设计流程和实际调试方法，希望能提高效率。
1.天线匹配网络仿真设计流程
天线匹配网络设计需要考虑诸多因素，其中最重要的就是阻抗匹配、滤波和防雷电设计。天线匹配网络仿真设计流程图如图1所示。开始设计时，先把匹配网络的相关参数准备好，如载波频率、输入阻抗、输出阻抗、输出功率等，再通过计算机Smith仿真软件进行初步模拟，列出几个可选方案。为减少损耗，匹配网络一般不用电阻网络而选用电抗元件电感和电容；为防雷电，一般在匹配网络中采用电容接地的方式。下一步通过Multisim软件，对可选方案逐个进行电路仿真分析，并模拟实际运行效果，计算各节点的电流电压值，计算阻抗匹配效果和滤波效果，通过仿真仪器得出理论测量值，选出最优方案。如果第一轮设计方案都不够理想，可以在第一轮方案基础上进一步优化调整，再对优化方案逐一用Multisim软件测试比较，产生一个比较满意的设计方案。从理论上得出最优方案后，再根据实际安装后的效果，利用网络分析仪或阻抗电桥进行测试与调整，最后根据发射机实际运行情况和广播发射效果，进行最终的微调，以满足系统运行指标要求。
2.计算机仿真设计
举一个典型的例子，如图1所示，设计一个50Ω转75Ω的天线匹配网络，载波频率为1 000 kHz，输出功率为600kW，在准备好匹配网络的己知参数后，就可以开始计算机仿真设计了。先用Smith软件设计方案，再用Multisim仿真测试效果，比较得出最优方案。
3.Smith软件设计方案
史密斯圆图以作图方式解决传输线有关的计算问题，Smith圆图被广泛地应用于匹配电路的辅助设计和显示测量的数据。Smith软件的应用使得设计更加简便直观，各种元器件都组件化模型化，通过预设参数，鼠标选取组件，在图形上选择位置，即可实现设计，是解决阻抗匹配、传输线问题极为便捷的软件。设计人员常用Smith阻抗圆图进行设讥最外围单位圆为纯电抗，实轴为纯电阻，圆心为匹配点，圆图上任何一点描述的是电阻和电抗的串联，对应着一个反射系数和一个归一化阻抗z=r+jx，r为零表示短路点，r为无穷大表示开路点，x为正数表示为感性，x为负数表示为容性。
匹配网络类型一般选用r型网络或π型网络或r型网络和π型网络综合应用，通常由电容和电感两类无源元件构成，可各做一个方案，尽可能把各种满足条件的方案都列举出来，再进行性能测试比较。对于中波天线匹配网络，常采用窄带设计原则，保证电路Q值高。设计时也要考虑实际元器件的参数范围，并尽可能少用电感。电感的Q值比电容低许多，电感太大也不好加工安装；单个真空电容可选范围在500-2 000pF左右，容值太低性能不稳定，容值太高性能不可靠，可以串联分压或并联分流，通过增设可调电容，实际测试时可随时调整；设计时都要兼顾考虑，元器件尽可能要少，方便安装和调试。因此，使用Smith软件设计阻抗从50Ω转换到75Ω，有多种方式和路径可选。在这里选用一种常见模型π型网络进行说明，如图2所示。阻抗从圆点DPI（50+jr）出发，先并一个800 pF电容后阻抗变换到TP2（47-j），再串联一个7.6uH电感后阻抗變换到TP3（47+j36），最后并一个1600 pF电容实现阻抗匹配接近TP4（75+Jo），设计时阻抗有一点偏差也没关系，最终匹配需要现场测试和调试。
4.Multisim仿真测试效果
可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim拥有强大的仪器仪表组件，如数字多用表、函数信号发射器、示波器、逻辑分析仪、瓦特表、网络分析仪等常用仪器库，均可随时便捷使用。按图2所设计的电路，通过选取组件仿真元器件，搭建仿真电路，按F5运行后，可以看到仿真测试的效果（见图3）。通过仿真数据，可以发现，电压峰值都在20 kV以内，采用真空电容基本可以满足要求。但通过电容C1的电流比通过C2的电流大一倍多，且峰值过大。因此，可以优化方案，调载电容C1改用一个1 000 pF的固定电容和一个1 000 pF的可调电容并联，并把可调电容值预先调到600 pF的位置，这样既实现了分流，又给调试留有了余地。通过不同电路的效果对比，可以选取综合参数最佳的方案，仿真测试满足设计要求后，进行实际调试。
5.实际调试方法
程序仿真是非常理想的模型，仿真提供一个变化的趋势和走向，所有天线匹配网络的仿真数据与实际电路结果都存在一定的差异。仿真设计出最佳方案后，必须通过实际的测试才能确定方案的可行性。一般先进行冷态测试，再进行加电测试，最后是稳定性测试和试运行。
冷态测试时，实验使用的仪器是南京普纳科技公司的PNA3628D矢量网络分析仪和OIB-3型运行阻抗电桥，仪器测试阻抗方法可以参照相应仪器的使用说明书进行。先测天线阻抗，再逐级连接匹配网络测量调试。很多大功率中波发射机有多级匹配网络，逐级使阻抗测试值接近理论设计值。调整时，一般先调电容，电容一圈大约20 pF，顺时针旋转3～10圈，看阻抗变化趋势，不行再逆时针旋转。如果变化不大，再调整电感，每次调整都要做好记录。
冷态测试完毕后，在匹配网络的高压大电流节点贴60-100℃的温度标签，有利于观察温度变化，检测设备的稳定性；检查各项安全措施后，再加电测试。先低功率开机，查看发射机输出功率、反射功率、天线零点、网络零点等运行状态和参数，逐步加功率，并记录各表值变化情况，最后去天线发射场区，测量天线正前方约1 km位置的场强，得出实际发射效果的测试数据。如图3所示，当发现有参数偏离正常值时，就需要对匹配网络进行微调，一般是摸索性地调试，根据变化趋势来进行相应调整；常常需要进行多次细微调整，比较后才能确定最佳调整状态，使整套系统指标良好。系统需要经过较长一段时间不同外部环境的考验，通过发射机运行的实际状态和广播发射效果，才能最终判定匹配网络的优劣。
6.结语
大功率中波天线匹配网络的设计和调试是一项综合性工程，计算机仿真软件使设计更加直观方便高效。本文是笔者近几年在实际工作中的一点经验总结，不足之处还请大家批评指正。
