短波廣播發(fā)射機平衡轉換器工程實現原理

田曙光

【摘 要】本文簡介了信號傳輸及平衡-不平衡轉換基本原理，重點闡述在短波發(fā)射傳輸系統中發(fā)射機與天饋線系統之間的平衡轉換器，及其完成射頻信號不平衡到平衡轉換、阻抗變換的工作原理與工程實現。

【關鍵詞】平衡信號；非平衡信號；平衡轉換器；原理

0 前言

平衡轉換器是連接平衡傳輸系統與非平衡傳輸系統的設備。在模擬電子通信系統中，不同的系統單元為了達到同其它級設備相連接，常常需要把放大器輸出的不平衡信號轉換成平衡信號，這樣，就要使用平衡-不平衡轉換器，以把不平衡的信號或電路系統轉換成平衡的信號或電路系統；反過來也是可行的，平衡-不平衡轉換器也可以把平衡狀態(tài)的信號線路系統轉換成不平衡系統。同時，在通常的工程實際應用中，也會要求實現一定的阻抗變換，以達到不同系統間的阻抗相匹配。短波廣播發(fā)射機平衡轉換器就是實現發(fā)射機功率放大器系統與天饋線傳輸系統之間信號平衡轉換及系統阻抗變換的設備。

1 信號的平衡傳輸及轉換

1.1 平衡傳輸

在信號的傳輸過程中，如果信號被傳輸系統直接傳送，那么可以稱這樣的信號為非平衡信號，如果把原始信號反相，然后同時傳送反相的信號和原始信號，那么這組信號就可以稱之為平衡信號。也就是說在模擬信號線路中，電平信號的傳輸可以分為兩大類，一是平衡傳輸，其在平衡單元的輸入或輸出端口有兩根并聯的導線組成輸入輸出線，一根傳輸0°信號，另一根傳輸的是信號幅度與前者相等，相位相差180°的反相信號，這樣，大小相同的電流在兩根導線中方向相反地流過，即電流數值相等、但方向相反。另外，一種就是所謂的不平衡傳輸，其中一端線路接地，一端線路傳送信號。平衡線路描述的是兩根信號線，而不平衡端描述的則是導線與地線/地平面?；蛘呖梢赃@樣認為：平衡線路以信號線作為回流路徑，而不平衡線路以地作為回流路徑。

不平衡傳送，一根作為參考地，一根為信號。高頻時，常采用同軸電纜，對電波干擾，有較強的抗干擾作用，對防止對外干擾，也有一定作用，但結構不平衡，對抗磁場干擾能力差。其優(yōu)點是和其他設備連接簡單，工程成本低。而平衡式的傳送方式，由于其在傳送過程中，兩條線路會同時受到相近的外部的干擾，變化相同，具有共模抑制的優(yōu)點，因此更加抗干擾，不易受外界因素如交流聲、其他串音、電器設備噪聲等的干擾。對電場、磁場也有較強的抗干擾性。

1.2 平衡轉換器

由于信號采用平衡傳輸的方式具有較強的抗干擾性，因此在電子通信領域的很多場合，都被廣泛采用。而實際應用中的很多信號源或通信傳輸單元都是不平衡的信號或系統，這樣，就必須使用平衡-不平衡轉換器實現不同系統單元間的連接，即所謂的平衡轉換器。

在發(fā)射臺的傳輸系統中，發(fā)射機信號源單元輸出的信號一般為單邊的不平衡信號，而信號傳輸發(fā)射的天饋線系統需要的是平衡信號，因此需要使用射頻信號平衡轉換器，將發(fā)射機產生的不平衡信號轉變?yōu)槠胶庑盘?。另外，還需實現發(fā)射單元的輸出阻抗與天線輸入端的阻抗匹配，因為這兩者如果不匹配，則將產生駐波（輸出信號沒有經過天線發(fā)射出去而返回到了發(fā)射單元），影響發(fā)射機輸出功率，嚴重失配時甚至可能損壞發(fā)射單元設備。因此，平衡轉換器有兩個作用，阻抗變換和非平衡-平衡轉換。

平衡轉換器的作用除了平衡-不平衡變換之外，同時還視其形式、結構，可以進行1：1、4：1、6：1、9：1、25：1等比值的阻抗轉換。按天線理論，偶極天線屬平衡型天線，而發(fā)射機輸出的同軸饋管屬不平衡傳輸，若將其直接連接，則同軸饋管的外層就有高頻電流流過（按同軸電纜傳輸原理，高頻電流應在電纜內部流動，外皮是屏蔽層，是沒有電流的），這樣一來，就會影響到天線的輻射 （可以想象成電纜的屏蔽層也參與了電波的輻射）。因此，就要在天線和同軸饋管之間加入平衡-不平衡轉換器，把流入電纜屏蔽層外部的電流扼制掉，也就是說把從振子流過電纜屏蔽層外皮的高頻電流截斷。

要達到這樣的目的，有多種辦法：一種是高頻開路法，即在電纜屏蔽層外皮1/4波長處外接一根1/4波長的套筒（等效于1/4波長的開路線），因1/4波長開路線對于該頻率視為開路，就達到截斷高頻電流的作用。這種辦法對工作帶寬窄、頻率低時，1/4波長套筒就顯得很長，較適合大功率高頻率使用。

另一種是抵消法，想辦法使流入的電流大小相等方向相反而互相抵消，應用較多的用磁環(huán)三線繞的平衡-不平衡轉換器就屬這種，這種頻帶較寬，但使用在大功率時受磁環(huán)磁飽和的限制，適合低頻率小功率使用。

再一種是變壓器法，通過高頻變壓器實現平衡-不平衡轉換，原理就像推挽輸出變壓器一樣，把雙向平衡電流變換成單向不平衡電流。變壓器可采用磁芯或空芯繞成，適用大功率使用。

還有一種是抑制法，振子經過一高頻扼流圈接電纜屏蔽層外皮，以阻止高頻電流流向電纜屏蔽層外皮，此法比較簡單，就是把電纜繞十圈左右，繞在磁環(huán)上更好，空心也沒關系，一般是頻率低多繞幾圈，頻率高少繞幾圈。

2 大功率短波發(fā)射機平衡轉換器

大功率短波廣播發(fā)射機，其核心的功率放大器件為四極真空電子管，功率放大器輸出的射頻信號是單邊的不平衡信號，而發(fā)射臺的饋線傳輸系統為平衡系統，因此需實現信號的平衡轉換以及兩個單元的阻抗匹配。這里涉及到兩個部分的轉換，一是平衡與不平衡之間的轉換，二是阻抗的變換，故此，將這類變換器稱之為阻抗-平衡轉換器更確切一些。

工程實際應用的平衡-阻抗轉換器可以有多種結構形式，在中小功率時，常用寬帶變壓器，它可以將75Ω或50Ω的單端阻抗通過寬帶變壓器，一次轉換成300Ω或600Ω的平衡阻抗，其功率等級一般在30kW以下，由于是寬帶的，就沒有調配元件，其尺寸比較緊湊，但是耐受由天饋線系統在特殊情況下引入的高電壓、大電流的能力較差。同時，由于器材原因，限制了其使用的功率。目前，常用的大功率的平衡-阻抗變換器通常采用傳輸線變換的方式，由于工作頻率在短波段，因此尺寸比較龐大。這類阻抗變換器又分為兩種：一種是室內型，全部在方形同軸饋筒中進行變換，通過適當互聯和調配，入口處的50Ω或75Ω的單端阻抗在出口處就變成了雙端平衡的300Ω或200Ω的阻抗，這類阻抗變換器尺寸長度通常在6～7m左右，其尺寸主要取決于低端的工作頻率；傳輸線式阻抗變換器的另一種形式稱之為場地型，它可以代替一段幾十米的饋線來實現阻抗和平衡的轉換。場地型指數線由于占用了饋線的長度，因此適于在平地使用，由于沒有可變的調配元件，使用要方便一些，但是由于它工作在戶外，所以要注意經常對其進行必要的維護，以提高其工作的可靠性。

2.1 功能

本文以50kW短波廣播發(fā)射機的室內方形同軸饋筒型平衡-阻抗轉換器為例，其平衡轉換器的功能是將發(fā)射機75Ω同軸饋管輸出轉換成300Ω平行對稱雙線輸出。它一是完成75Ω到300Ω阻抗變換，另一方面起到不平衡到平衡的變換作用。

2.2 技術參數

工作頻帶： 3.9MHz-22MHz

阻抗變換： 75Ω不平衡變?yōu)?00Ω平衡

輸入： 75Ω同軸線，外導體內徑Φ150

輸出： 300Ω平行雙線

駐波比：小于1.2（負載300Ω時）

2.3 工作原理

大功率短波廣播發(fā)射機平衡轉換器有幾種形式，這里我們采用的是75Ω轉為300Ω、變比為4：1，工作原理如圖1所示。

從圖1可見，由75Ω同軸線一分為二，兩個并聯分支的阻抗各為150Ω，然后將其中一條分支線的內外導體反接，這樣兩個分支線的輸出端內導體的極性是相反的，從一個內導體到外導體再到另一個內導體形成串聯，因此這兩個內導體引出來就形成300Ω的對稱平衡雙線。由于其中一條支路的內外導體反接引起不平衡饋電，其外導體的外界會引起功率傳輸和輻射，為了避免這一現象，將這個支路用鋁板包起來形成一段短路饋線，其橫截面為外矩內園的同軸線。如圖2所示。

這條短路線的長度小于傳輸信號的1/4波長，因此呈感性，為了消除其影響并按適當的電容形成并聯諧振，從而實現不平衡到平衡的阻抗變換。

2.4 設計計算

平衡轉換器的等效原理圖如圖3所示。

根據微波傳輸線設計手冊，若特征阻抗約為100Ω，查得：

經計算，頻率與射頻諧振回路中電容量、電感量的關系如表1所示：

選用兩個20-1500pf/7.5kw陶瓷可變真空電容器，要使輸出的平行對稱線的出口處相位相反，則要求兩根饋管的有效長度相等，但由于結構實現上有差異，需要通過可變補償電容器來補償。補償電容的電容量控制，在發(fā)射機調試和天線調配時，將對應各個頻段的補償電容量調試到最佳量，在實際使用時通過發(fā)射機的自動調諧裝置來實現自動補償調整。

3 結束語

大功率短波發(fā)射機使用平衡轉換器，既完成了發(fā)射機輸出信號的不平衡到平衡的轉換，同時，又實現發(fā)射機與天饋線的阻抗匹配。其結構簡單、性能穩(wěn)定，對電場、磁場也有較強的抗干擾性，而且在實際的工程實踐中易于維護，因此在短波發(fā)射機系統中有著廣泛的使用。

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