匹配電路的設(shè)計

馬躍 李海峰

（海裝駐北京地區(qū)第八軍事代表室 北京市 100000）

1 概述

1.1 主要指標(biāo)

匹配電路主要實現(xiàn)發(fā)信機(jī)輸出阻抗與天線反饋阻抗的匹配，將輸出功率最有效地傳送到天線上，根據(jù)發(fā)信機(jī)整機(jī)方案，確定了匹配電路主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）承載功率：≥1000kW；

（2）頻率范圍：甚低頻；

（3）冷卻方式：自然冷卻；

（4）匹配阻抗：輸入8Ω/輸出10Ω；

1.2 匹配電路組成

匹配電路由2 個可調(diào)電感線圈、1 個電容裝置和1 個開關(guān)裝置組成。

2 匹配電路原理

2.1 電路原理

信號功率由一電路傳輸至另一電路時，阻抗匹配非常重要，即要獲得最大的功率輸出，發(fā)信機(jī)輸出的阻抗必須等于天線的阻抗。甚低頻發(fā)信機(jī)匹配電路的作用主要是將發(fā)信機(jī)功率放大器輸出阻抗值變換的與假負(fù)載的阻值相等，以便設(shè)備首先在假負(fù)載上進(jìn)行阻抗匹配，獲得了最大的功率后，再連接天線進(jìn)行調(diào)試，以達(dá)到在天線上輻射功率最大的目的

匹配電路設(shè)計主要是設(shè)計將圖1 中的輸入阻抗R1 變換為阻抗R2 輸出的匹配網(wǎng)絡(luò)，R1 為發(fā)信機(jī)功放分系統(tǒng)的輸出阻抗，R2 為代替天線用于日常維護(hù)、調(diào)試發(fā)信機(jī)的假負(fù)載阻值，L1、L2 為可調(diào)電感裝置，C 為電容裝置。

為滿足發(fā)信機(jī)全頻段工作的需要，根據(jù)頻率的范圍將發(fā)信機(jī)的發(fā)射頻率分為高、中、低三個波段，發(fā)信機(jī)工作時調(diào)節(jié)可調(diào)電感裝置L1、L2 和增大或者減小電容裝置C 的電容量達(dá)到功放分系統(tǒng)輸出阻抗與假負(fù)載阻值（設(shè)定10Ω）匹配，匹配電路具體的設(shè)計電路原理圖見圖1。

發(fā)信機(jī)工作在不同的頻段阻抗匹配所需要的電容值不同，低頻段需要的電容值最大，高頻段需要的電容值最小。發(fā)信機(jī)工作在高頻段時使用電容裝置是C11；發(fā)信機(jī)工作在中頻段時使用電容裝置是C11 和C12，波段開關(guān)K11 接通；發(fā)信機(jī)工作在低頻段時使用電容裝置是C11、C12、C13，波段開關(guān)K11、K12 同時接通。匹配電路采用T 型結(jié)構(gòu)，具有阻抗匹配快速可靠、調(diào)整快速簡便、設(shè)計和制造工藝成熟。

2.2 匹配電路參數(shù)計算

根據(jù)匹配電路計算公式：

大功率發(fā)信機(jī)匹配電路設(shè)計經(jīng)驗選定Q 值為3～5，設(shè)定R1=8Ω，R2=10Ω，計算出匹配電路可調(diào)線圈和電容裝置參數(shù)如表1所示。

圖1：匹配電路原理

圖2：匹配電路測試設(shè)備連接圖

3 主要器件設(shè)計

3.1 電感裝置設(shè)計

3.1.1 電感裝置形式選擇

匹配電路中有2 個可調(diào)電感裝置，可調(diào)電感裝置為滿足甚低頻發(fā)信機(jī)全頻段阻抗匹配的要求，電感需在100uH 到610uH 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，選用了柱型可調(diào)電感裝置。

柱形可調(diào)電感裝置則通過內(nèi)部轉(zhuǎn)子線圈和外部固定線圈的自感和相互間的互感產(chǎn)生電感，并通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子線圈使轉(zhuǎn)子線圈和定子線圈相互間的互感發(fā)生變化，從而改變整個線圈的電感量。柱形可調(diào)電感裝置的電感量可根據(jù)設(shè)計的要求在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，滿足發(fā)信機(jī)全頻段阻抗匹配的需要。

根據(jù)匹配線圈的電感參數(shù)確定可調(diào)電感裝置采用轉(zhuǎn)子線圈與定子線圈串聯(lián)的電氣連接方式。串聯(lián)可調(diào)線圈最大值計算公式：

串聯(lián)可調(diào)線圈最小值計算公式：

匹配線圈需要傳導(dǎo)的電流為400A，由于屬于大功率的電感設(shè)備，單位面積的傳導(dǎo)電流選5A/mm2，則繞制線圈的勵磁線50mm2使用2 根。

表1：匹配電路參數(shù)表

表2：開關(guān)裝置參數(shù)表

3.1.2 電感線圈傳動裝置設(shè)計

甚低頻發(fā)信機(jī)工作時要求以最快的速度進(jìn)行阻抗匹配，線圈傳動裝置需要滿足將線圈轉(zhuǎn)子穩(wěn)定、快速地轉(zhuǎn)到預(yù)定位置。同時線圈傳動裝置每步轉(zhuǎn)過的弧度越小，則線圈電感量的取值精度越高，匹配電路的阻抗變換的越精細(xì)，越容易找到匹配點(diǎn)。因此線圈傳動裝置設(shè)計時要重點(diǎn)考慮傳動速度、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、步距精度。

本研制采用帶到位信號反饋的伺服電機(jī)加減速器的傳動方式相比三相電機(jī)加減速器，能很好的滿足線圈傳動裝置傳動速度、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、步距精度的要求。

3.2 電容裝置設(shè)計

匹配電路的電容裝置采用將三個波段的電容設(shè)計到一個電容骨架上，采用低頻段共用高頻段的電容元器件。低頻段共用高頻段電容元器件的設(shè)計方案在滿足電容裝置電氣參數(shù)的情況下盡量減少整個電容裝置使用的電容元器件數(shù)量，將電容裝置上安裝的電容元器件充分利用，減少不必要的浪費(fèi)，同時由于使用的電容元器件數(shù)量減少，整個電容裝置的骨架變小，電容裝置更加緊湊，電容器件間的串聯(lián)、并聯(lián)更加容易。

根據(jù)計算匹配電路電容裝置的對地高頻電壓約為25kV。選用耐壓值工頻20kV、容值6800pF 電容器件，設(shè)計電容裝置在留有充足富裕量的情況下需要3 并3 串的結(jié)構(gòu)，3 串后每個電容子裝置的耐壓變?yōu)榧s8kV。

單排電容元器件采用上下豎直排布，一端采用連接片并聯(lián)，安裝端作為另一端通過銅帶連接。

3.3 開關(guān)裝置設(shè)計

3.3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

開關(guān)裝置主要用于電容裝置工作時波段切換，設(shè)計采用電機(jī)加減速器作為開關(guān)通斷的驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)形式采用單刀雙擲的三接點(diǎn)開關(guān)形式來完成。

根據(jù)參數(shù)計算，匹配電路的開關(guān)裝置設(shè)計參數(shù)如表2 所示。

整個開關(guān)呈垂直形式，通過升降裝置的上下運(yùn)動帶動動接點(diǎn)完成開關(guān)裝置的通斷。開關(guān)裝置各定接點(diǎn)間的支架需要承受一定的耐壓，各定接點(diǎn)的支桿需要使用絕緣材料，支桿材料選用環(huán)氧酚醛玻璃布棒Φ40mm。根據(jù)設(shè)計參數(shù)端對端電壓為25kV，為保證耐壓并留有余量每毫米空氣按2kV/mm 設(shè)計，各定接點(diǎn)間支柱的長度取150mm，以滿足端端耐壓。

動接點(diǎn)設(shè)計時考慮了炮筒體的上端和下端存在高壓放電隱患,為避免高壓時產(chǎn)生尖端放電，做了圓弧處理。

定接點(diǎn)的設(shè)計關(guān)鍵在于保證與炮筒體接觸的導(dǎo)電簧片直徑尺寸，炮筒體直徑設(shè)計為Φ145mm，需保證動接點(diǎn)與簧片完全接觸，并有一定的壓緊力。

3.3.2 手動電動一體傳動

開關(guān)裝置通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動開關(guān)裝置的動接點(diǎn)上升或者下降，完成開關(guān)裝置的接通或者斷開，但供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障電機(jī)無法旋轉(zhuǎn)時，開關(guān)裝置需要采用手動的方式接通或者斷開應(yīng)急，設(shè)計了手動電動一體傳動裝置。

4 調(diào)試測試

匹配電路接整機(jī)測試圖如圖2 所示。

5 結(jié)束語

匹配電路在整機(jī)全頻段、滿功率調(diào)試試驗時，由于電容裝置設(shè)計時為保證設(shè)計一次成功，選用的Q 值較小，初時匹配電路使用的電容值大，導(dǎo)致頻率低端電感裝置的電感值不足，發(fā)信機(jī)輸出達(dá)不到滿功率，調(diào)整減少并聯(lián)電容器數(shù)量，達(dá)到全頻段滿功率阻抗匹配目標(biāo)。經(jīng)過研制、生產(chǎn)和試驗，各種測試檢驗指標(biāo)滿足要求。