DF100A&418E/F系列短波發(fā)射機(jī)諧波濾波器調(diào)測方法探究

潘會蘭，梁高峰，汪洋

（國家廣電總局2022 臺，新疆 喀什 844400）

0 引 言

DF100A&418E/F系列短波發(fā)射機(jī)作為無線局主力機(jī)型，廣泛應(yīng)用于各個發(fā)射臺站，射頻系統(tǒng)中諧波濾波器作為重要的甚高頻濾波裝置，對安全播出穩(wěn)定有著舉足輕重的作用，多年來因諧波濾波器故障導(dǎo)致停播事故屢見不鮮，現(xiàn)對諧波濾波器雙端口調(diào)測方法進(jìn)行科學(xué)探究。通過實(shí)際調(diào)試，數(shù)據(jù)分析，上機(jī)應(yīng)用，其穩(wěn)定性顯著提高，故障率顯著降低，值班人員壓力明顯減輕。

1 諧波濾波器原理及計算：

1.1 諧波濾波器的工作原理

為了達(dá)到濾除諧波的目的,DF100A&418E/F 系列短波發(fā)射機(jī)之諧波濾器采用兩節(jié)π 網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)組成，π 網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)是一種特殊的低通濾波器，即使基波通過，而濾除諧波，此外,它還具有選頻和阻抗變換功能,DF100A 型發(fā)射機(jī)濾波器采用兩節(jié)輸入和輸出阻抗均為75 Ω 的90°π 型網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)組成，它相當(dāng)于經(jīng)過兩節(jié)低通濾波器,將高末級π-倒L 型網(wǎng)絡(luò)RF 中的高次諧波(其中主要是二次諧波)進(jìn)一步地濾除，使殘波輻射指標(biāo)達(dá)到規(guī)定要求，該濾波器的另一特點(diǎn)是點(diǎn)頻式窄帶濾波器，即隨著不同的工作頻率，該濾波器具有不同的工作點(diǎn)，保證基波阻抗不變(75 Ω)，而可靠地濾除諧波，因此調(diào)整和維護(hù)該濾波器的關(guān)鍵問題是如何在3.2 MHz 至26.1 MHz 的頻率范圍內(nèi)，始終保證其基波阻抗等于或接近75 Ω，使其Vswr＜1.1,這樣設(shè)備才能穩(wěn)定工作，且殘波輻射指標(biāo)達(dá)到規(guī)定要求。諧波濾波器原理如圖1所示。

圖1 諧波濾波器原理圖

圖1中C2=C2′ +C2″；F=3.2 MHz～26.1 MHz；λ=93.75 m～11.5 m；網(wǎng)絡(luò)的Q值取1，|Xc3|= |Xc1|= |XL2|=|XL1|= 75 Ω；|Xc|=37.5 Ω；C2=2C3=2C1。

L1、L2兩只盤香式電感，與三只可變真空電容同調(diào)，由于C2=2C1=2C3，因此換頻吋C2與C1（C3）之同轉(zhuǎn)速比為2:1,故其機(jī)械設(shè)計和凋整吋需保證2:1 的特殊要求。

1.2 諧波濾波器計算

高末級工作在丙類狀態(tài)，此時電子管的板流i為余弦脈沖。在板流中除含有直流和基波分量外，還含有各次諧波分量。從本文電子管工作狀態(tài)的計算中可知，各次諧波分量為：Ia2=12.23A，P2ω=5 608.98 W；Ia3=7.15 A，P3ω=1 917.09 W。

為了使高末級輸出的諧波功率小于50 mW，必須對各次諧波進(jìn)行濾除和衰減。其中時二、三次譜波的衰減量A2，A3為：

高末級槽路對二次諧波的衰減量一般為-30～-40 dB；對三次諧波的衰減量為-45～-55 dB。經(jīng)計算，槽路(π-倒L)對二次諧波的衰減量為-38 dB 左右，對三次諧波的衰減量為-52 dB 左右。因此若僅采用槽路對二次諧波進(jìn)行衰減和慮除，不能達(dá)到要求，還相差-13 dB。為此采用諧波濾波器，對諧波(尤其是二次諧波)繼續(xù)進(jìn)行衰減，使其諧波功率輸出達(dá)到小于50 mW 的要求。

2 測試連線

E5061A 型網(wǎng)絡(luò)分析儀原理接線圖，如圖2所示。

圖2 原理接線圖

3 測試前諧波濾波器安裝定位

3.1 真空電容器（8C1、8C2、8C3）

選取電容按照“三同”原則，盡量選則同一品牌，同一型號，同一批次電容；凡由于電感打火等原因下機(jī)的諧波濾波器或是新電容上機(jī)調(diào)試前，必須按照要求對電容進(jìn)行打壓試驗(yàn)，方可上機(jī)安裝；選取不同品牌電容（國產(chǎn)：昆山維安盛；進(jìn)口：瑞士康邁特）進(jìn)口電容和國產(chǎn)圈數(shù)不同，進(jìn)口電容50 圈，每一圈約20 pF，國產(chǎn)電容57 圈，每一圈約17 pF；測試真空電容器最小容值和最大容值，并數(shù)據(jù)記錄。

3.2 盤香電感（8L1、8L2）

20 MHz 位置時，電感在1 圈加10 厘米處，白色轉(zhuǎn)動滾輪支撐正對窗口，校準(zhǔn)1 000 數(shù)碼。

3.3 諧波濾波器高低限行程

安裝時脫開電容8C1、8C2、8C3，利用直流穩(wěn)壓源高低限走完諧波行程,如圖3，一般諧波全行程為45～54 圈之間為合理圈數(shù)范圍（特殊情況除外），限位片為5～6 片（符合2.3 MHZ～26.1 MHZ 短波全頻段），所說的全行程是指符合8C2圈數(shù)范圍，8C1、8C3為8C2的?圈數(shù)。根據(jù)實(shí)際測試，全程小于45 圈提早限位，無法兼顧高頻和低頻頻率，大于54 圈會由于電容（8C2）無余量，造成拉脫或抱死，造成個別頻率無法開出。如圖3所示。

圖3 諧波濾波器高低限位行程

3.4 限位片數(shù)量

根據(jù)實(shí)際測試，每一片限位片為9 圈（指8C2電容轉(zhuǎn)動圈數(shù)，8C1、8C3為8C2的?圈數(shù)）限位片高低限位一般為45～54 圈。（根據(jù)諧波工藝和實(shí)際測量為準(zhǔn)），限位片增減根據(jù)實(shí)際使用電容而定。電容限位片數(shù)量的選擇：進(jìn)口電容（瑞士康邁特50 圈）選擇限位片為5 片，全程45 圈。如果限位片大于5 片，應(yīng)相應(yīng)去掉1 片，國產(chǎn)電容（江西維安盛57 圈）選擇限位片為6 片，全程54 圈。如果限位片大于6 片，應(yīng)相應(yīng)去掉1 片，原因是每增加一片限位片，諧波濾波器行程增加9 圈，即54 圈，超出電容（8C2）圈數(shù)容易造成脫口電容或電容抱死；如果限位片小于5 片，則濾波器行程36 圈，造成高低過早限位，高頻和低頻開不了。

4 調(diào)測步驟

調(diào)試輸入端/輸出端阻抗75 Ω 等效為50 Ω 進(jìn)行調(diào)試如圖4所示。

圖4 調(diào)測標(biāo)準(zhǔn)圖

根據(jù)定位好的各元器件，做好標(biāo)記（理論值定位），網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置以及校準(zhǔn)情況，按鍵盤上的Save/Recall 鍵，進(jìn)入Recall 子菜單，選擇已設(shè)置好的對應(yīng)的文件，按鍵盤上Marker 鍵，輸入20 MHz，按Enter 確認(rèn),根據(jù)測試要求開始進(jìn)行測試調(diào)整。

根據(jù)20 MHz 理論值計算，電容器8C1、8C2、8C3和盤香電感8L1和8L2手動預(yù)定位：（1）電容器8C1、8C3預(yù)定位：電容器最小值逆時針方向轉(zhuǎn)，國產(chǎn)電容維安盛：6圈（106 pF）；進(jìn)口電容瑞士康邁特：5 圈（106 pF）。（2）電容器8C2預(yù)定位：電容器最小值逆時針方向轉(zhuǎn)，維安盛：12?圈（212 pF）；瑞士康邁特：10?圈（212 pF）。（3）盤香電感8L1和8L2預(yù)定位：盤香電感內(nèi)側(cè)在1 圈加10 公分處，白色轉(zhuǎn)動滾輪支撐正對窗口，滾輪內(nèi)倒數(shù)第二圈。

20 MHz 阻抗匹配位置：S 參數(shù)輸入端S11（圖1黃色線）和輸出端S22（圖1藍(lán)色線）阻抗調(diào)試，手動調(diào)試（正反轉(zhuǎn)）電容器8C1、8C2、8C3（切記電容器8C1、8C3同調(diào)），調(diào)試出輸入/輸出阻抗線顯示為“3”的形狀，直觀觀察輸入、輸出復(fù)數(shù)阻抗線是否重合，將輸入/輸出阻抗端調(diào)試為實(shí)部50±3 Ω；虛部0±2 Ω 要求范圍內(nèi)，若阻抗線重合較差時，電容器調(diào)整無效時，可單獨(dú)調(diào)整一邊的電感，直到重合度在允許范圍內(nèi)最佳為止（這里調(diào)整電感就是我們所稱的內(nèi)八字或外八字，即電感非平行狀態(tài)）。

20 MHz 對數(shù)幅值位置：S參數(shù)S11對數(shù)幅值(dB)調(diào)試（圖1紫色線），手動調(diào)試（正反轉(zhuǎn)）電容器8C1、8C2、8C3，觀察S11對數(shù)幅值線，三角形光標(biāo)應(yīng)該落在第一個谷底（左邊第一個谷底），一般要求調(diào)試到回波損耗≤-20 dB。

20 MHz 相位差位置：S參數(shù)輸入/輸出S21相位差（圖1綠色線），手動調(diào)試電容器8C1、8C2、8C3到相位差-180°±10 為準(zhǔn)，符合諧波濾波器相位相差-180°要求。

20 MHz 幅頻特性位置：S參數(shù)S21幅頻特性（濾波特性），手動調(diào)試（正反轉(zhuǎn)）電容器8C1、8C2、8C3，載波，二次諧波分量和三次諧波分量調(diào)測值，調(diào)試至符合要求。

20 MHz 電壓駐波比位置：調(diào)試調(diào)取電壓駐波比VSWR應(yīng)＜1.1。

20 MHz 計數(shù)器位置：脫開計數(shù)器，調(diào)整計數(shù)器到1 000數(shù)碼位置，連接可靠。

1 000數(shù)碼（20 MHz）位置：手動恢復(fù)8L1、8L2、8C1、8C2、8C3連接軸與傳動系統(tǒng)連接。

諧波濾波器高限位置隨動電位器阻值調(diào)整到1 400 Ω 左右，齒輪與諧波機(jī)械系統(tǒng)連接可靠。

注意事項(xiàng)：如果8C21 000 數(shù)碼（20 MHz）至電容最小值圈數(shù)（電容器抱死）＜1 000 數(shù)碼（20 MHz）位置到高限位置圈數(shù)，需要高限時脫開限位片進(jìn)行調(diào)整，讓限位片提前限位，防止電容抱死。一般高限位置至電容器抱死位置預(yù)留1～2圈；如果8C21 000 數(shù)碼（20 MHz）至最大值（電容器脫開）＜1 000 數(shù)碼（20 MHz）位置到低限位置圈數(shù)，需要低限時脫開限位片進(jìn)行調(diào)整，讓限位片提前限位，防止電容拉脫扣。一般低限位置至電容器脫扣位置預(yù)留1～2 圈，如圖5所示。

圖5 8C2 電容器高低限位置

直流穩(wěn)壓源連接諧波濾波器掃描頻率，理論上短波全頻段（2.3～26.1 MHZ）全程掃描，但由于諧波濾波器工藝以及各個臺站所開的低頻和高頻不同，可根據(jù)本臺站實(shí)際情況進(jìn)行掃描，做好數(shù)據(jù)記錄，存檔，如表1所示。

表1 頻率與計數(shù)器記錄表

全部頻段掃描過程中，各類指標(biāo)如不符合要求，可根據(jù)上述調(diào)測步驟重新調(diào)測，直至調(diào)測在要求范圍內(nèi)。

5 測試數(shù)據(jù)記錄

調(diào)測諧波應(yīng)將所調(diào)測數(shù)據(jù)記錄齊全，按照所調(diào)試情況進(jìn)行存檔，同時根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)，在諧波濾波器除燒壞故障外，因機(jī)械原因快速恢復(fù)諧波濾波器正常工作，通過技術(shù)手段減少因諧波濾波器故障而引起的停播事故，如表2所示。

表2 諧波濾波器調(diào)測數(shù)據(jù)記錄

諧波濾波器頻率、馬達(dá)位置測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 諧波濾波器調(diào)試數(shù)據(jù)

續(xù)表

諧波濾波器測試頻率和馬達(dá)位置曲線如圖6所示。

圖6 諧波濾波器頻率與伺服系統(tǒng)曲線圖

6 單端口與雙端口優(yōu)缺點(diǎn)對比

單端口測試數(shù)據(jù)單一，雙端口測試數(shù)據(jù)全面，易于觀察，如圖7所示。

圖7 單端口與雙端口各個參數(shù)對比圖

6.1 雙端口優(yōu)點(diǎn)

（1）雙端口顯示S21對數(shù)幅度(dB)雙端口顯示史密斯圓圖中（S參數(shù)）輸入端S11和輸出端S22阻抗對比關(guān)系，直觀觀測輸入、輸出復(fù)數(shù)阻抗線重合度，確保輸入輸出阻抗為實(shí)部50±3 Ω；虛部0±2 Ω（統(tǒng)一歸化為50 Ω），單端口只顯示阻抗關(guān)系。（2）雙端口顯示S21對數(shù)幅度(dB)，滿足回波損耗≤-20 dB，單端口不具備。（3）雙端口顯示S21相位對比，滿足相位差-180°±10，單端口不具備。

單端口測試S21幅頻特性（濾波特性）實(shí)際效果差，雙端口測試濾波效果佳，其能精確調(diào)測出載波、二次諧波分量和三次諧波分量幅度值，直觀明了。

6.2 單端口優(yōu)點(diǎn)

單端口調(diào)測方法簡單，雙端口調(diào)測方法科學(xué)全面，鍛煉了值班員動手觀察分析能力，提高維修者設(shè)備故障處理能力。

分析可得，諧波濾波器雙端口比單端口調(diào)測方法更為科學(xué)，數(shù)據(jù)更為全面，運(yùn)行穩(wěn)定性更好，可較快解決因調(diào)測偏差帶來的發(fā)射機(jī)諧波打火、反射功率頻繁切斷、3L13打火等不穩(wěn)定問題，同時在科學(xué)維護(hù)發(fā)射機(jī)方面積累了理論基礎(chǔ)，大大提高了設(shè)備穩(wěn)定性。

7 諧波濾波器調(diào)測結(jié)果分析

7.1 機(jī)械數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和記錄更加全面

本文對機(jī)械部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄和校準(zhǔn)部分進(jìn)行全面總結(jié)和完善，包括諧波濾波器高低限位行程與電容（C2）之間關(guān)系，調(diào)整限位片增減；調(diào)試中根據(jù)高限位置至電容最小值（即C2電容抱死位置）預(yù)留圈數(shù)（一般預(yù)留2～3 圈），確定低限位置到電容脫扣位置算出預(yù)留圈數(shù)(一般預(yù)留2～3圈)，防止C2電容提前抱死或脫扣。避免諧波濾波器因機(jī)械方面故障，造成停播事故，大大減輕了值班人員的勞動強(qiáng)度，提高了發(fā)射機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

7.2 測試數(shù)據(jù)更加科學(xué)

本文改變原有諧波濾波器單端口調(diào)試中，只是單一輸入端S11阻抗為調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)，無法針對輸出端阻抗、對數(shù)幅度以及相位進(jìn)行測試調(diào)整，科學(xué)維護(hù)方面不夠嚴(yán)謹(jǐn)。雙端口調(diào)試全面解決這些問題，諧波濾波器調(diào)試和使用更加精準(zhǔn)科學(xué)。

7.3 實(shí)用性強(qiáng)可操作性高

長期發(fā)射機(jī)維護(hù)過程中經(jīng)驗(yàn)積累，利用科學(xué)維護(hù)手段，解決發(fā)射機(jī)因諧波故障原因造成反射功率切斷，甚至燒壞諧波濾波器，而造成停播事故問題，通過規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)試設(shè)備，為我們后續(xù)的科學(xué)維護(hù)發(fā)射機(jī)拓展了新的思路。

8 結(jié) 論

短波發(fā)射機(jī)的維護(hù)中，諧波濾波器調(diào)整的好與否直接影響發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，針對DF100A&418E/F 系列短波發(fā)射機(jī)諧波濾波器調(diào)測方法探究具有現(xiàn)實(shí)意義和參考價值，同時不足之處大家共同討論學(xué)習(xí)。