耦合腔體在大功率短波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

1、耦合腔體在大功率短波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用    【摘要】本文通過(guò)對(duì)比耦合腔體在國(guó)外以及國(guó)內(nèi)大功率短波發(fā)射機(jī)中的發(fā)展應(yīng)用，對(duì)耦合腔體的結(jié)構(gòu)以及原理，并通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的腔體的特性阻抗，低端工作頻率時(shí)等效電感和高端工作頻率時(shí)的等效電感進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)耦合腔體發(fā)射機(jī)腔體常見(jiàn)故障及維護(hù)方法做了簡(jiǎn)要介紹。 【關(guān)鍵詞】大功率；短波發(fā)射機(jī)；耦合腔體；故障 一、傳統(tǒng)電容電感線圈諧振回路 現(xiàn)代大功率短波發(fā)射機(jī)高末級(jí)功率放大器，通常采用一只大功率陶瓷四極管單邊放大電路，其調(diào)諧回路通常采用可變陶瓷真空電容，調(diào)諧電感線圈組成的形網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)行網(wǎng)絡(luò)主要起諧振，濾波阻抗變換的作用

2、，在性網(wǎng)絡(luò)后面再接一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)射機(jī)輸出阻抗變換。由于短波發(fā)射機(jī)工作在3MHz-30MHz的高頻范圍，在發(fā)射機(jī)末級(jí)功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮末級(jí)調(diào)諧線圈的結(jié)構(gòu)，布局以及分布電容的影響，大電流接點(diǎn)的接觸，冷卻散熱等問(wèn)題。傳統(tǒng)調(diào)諧線圈在使用中存在的一個(gè)問(wèn)題是：在發(fā)射機(jī)工作在頻率的低端時(shí)，比如3.9MHz，調(diào)諧電感使用的圈數(shù)很多，而在高端頻率工作時(shí)，比如26.1MHz時(shí)，線圈的圈數(shù)又使用的非常少。即使將不用的線圈逐圈短路，但是被短路部分的線圈，其等效引線電感會(huì)影響正在使用的線圈，對(duì)電子管陽(yáng)極呈現(xiàn)出高頻高阻抗，這種情況產(chǎn)生的高次諧波影響末級(jí)放大器的效率，情況嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生寄生震蕩，造成發(fā)射機(jī)工作不

3、穩(wěn)定。 二、耦合腔體在短波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用 1.20世紀(jì)80年代，美國(guó)首先將腔體耦合技術(shù)應(yīng)用于大陸公司生產(chǎn)的420C型500KW短波發(fā)射機(jī)上。耦合腔體也稱為耦合電感，其優(yōu)點(diǎn)是克服了傳統(tǒng)電感線圈的弊端，將不用的電感屏蔽在無(wú)磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)，同時(shí)線圈接觸點(diǎn)的接觸問(wèn)題也得到了有效解決。20世紀(jì)90年代，我國(guó)引進(jìn)了一批美國(guó)大陸公司的420C型短波發(fā)射機(jī)，基于耦合腔體的種種優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)在后期設(shè)計(jì)制造的發(fā)射機(jī)，比如，航天部23所SW-150，北廣科技公司TBH522等發(fā)射機(jī)，廠家在發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中高周末級(jí)也仿制了美國(guó)大陸公司耦合腔體的形式。 2.高末級(jí)的腔體結(jié)構(gòu)。美國(guó)大陸公司420C發(fā)射機(jī)調(diào)諧腔體其結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)4500m

4、m，寬1219.2mm，高914.4mm的長(zhǎng)方體，四周圍用銅板覆蓋，中心用兩個(gè)外徑為227mm的銅管構(gòu)成調(diào)配線，腔體截面圖，見(jiàn)圖1，在腔體中有一個(gè)可以前后移動(dòng)的短路板（隔離板），此短路板可以根據(jù)工作頻率不同，調(diào)整短路板的位置，短路板可以用作頻率預(yù)置，將不用的部分短路，并封閉在腔體之外，使之不起阻抗反射作用。短路板四周銅板，短路板與兩根銅管之間都裝有彈簧壓力接點(diǎn)，接點(diǎn)為氣動(dòng)可壓縮彈簧接點(diǎn)，短路板需要移動(dòng)時(shí)，用氣泵推動(dòng)氣缸壓縮彈簧使接點(diǎn)打開(kāi)，短路板裝在兩六棱形軌道上，靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾筒拉繩來(lái)移動(dòng)短路板，實(shí)現(xiàn)無(wú)磨損移動(dòng)改變電感量，短路板到位后，去掉氣動(dòng)壓力，壓力彈簧使接點(diǎn)接觸。短路板四周共有50

5、個(gè)接點(diǎn)，上下長(zhǎng)邊共裝有28個(gè)接點(diǎn)，左右短邊共裝有22個(gè)接點(diǎn)，短路板與每個(gè)銅管之間裝有12個(gè)接點(diǎn)，每個(gè)接點(diǎn)直徑為20mm，表面鍍銀，每個(gè)接點(diǎn)可通過(guò)33A的高頻電流，每根銅管可通過(guò)電流為33×12=400A的高頻電流，腔體工作頻率為3.9MHz-26.1MHz。 航天部23所生產(chǎn)的SW-150A短波150KW發(fā)射機(jī)在設(shè)計(jì)高周槽路時(shí)，采用的是大陸公司420C發(fā)射機(jī)的耦合腔體的形式，在設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)上與大陸公司發(fā)射機(jī)大致相同。 北京廣播設(shè)備廠設(shè)計(jì)的TBH521型發(fā)射機(jī)時(shí)也借鑒了大陸公司的耦合腔體的末級(jí)槽路調(diào)諧形式，不過(guò)，北廣在腔體的結(jié)構(gòu)和上都做了一些改變，腔體長(zhǎng)度縮短為395mm，寬度調(diào)整為

6、1250mm，高度調(diào)整為990mm，中間兩根紫銅管直徑調(diào)整為180mm，在TBH521型發(fā)射機(jī)腔體內(nèi)，短路板四周對(duì)地接點(diǎn)采用簧片式形式，中間兩根銅管圓周上安裝的彈簧接點(diǎn)的數(shù)量使用的氣缸與美國(guó)大陸公司生產(chǎn)的發(fā)射機(jī)是有區(qū)別的，在實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)簧片式結(jié)構(gòu)雖然接觸面積增大，接觸也比較良好，但故障率卻有所增加，另外在腔體短路板移動(dòng)的傳動(dòng)方式上，北廣發(fā)射機(jī)最初設(shè)計(jì)時(shí)采用了齒條傳動(dòng)的形式，而沒(méi)有采用大陸公司拉線式軸承傳動(dòng)的方法，但是經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，齒條傳動(dòng)容易出現(xiàn)兩邊齒條不同步現(xiàn)象，再一個(gè)傳動(dòng)力矩過(guò)大，經(jīng)常出現(xiàn)卡死等機(jī)械傳動(dòng)故障，為消除上述問(wèn)題，近幾年北廣生產(chǎn)的TBH522發(fā)射機(jī)放棄了齒條傳動(dòng)方案，采取了與

7、大陸公司相同的拉線軸承傳動(dòng)方式，在腔體制造方面，當(dāng)初在TBH521上采用的鋁合金腔體，經(jīng)過(guò)實(shí)踐后也改為紫銅板腔體。 三、耦合腔體的理論分析 耦合腔體電感大陸公司稱作腔體CAVI-TY，實(shí)則它與腔體還有區(qū)別，如圖所示，耦合腔體是兩導(dǎo)管形成的調(diào)配線，四周有隔離板。終端有一活動(dòng)短路板將不用部分短路在無(wú)磁場(chǎng)處，最大程度消除射頻發(fā)射。當(dāng)四周隔板與導(dǎo)管距離很近時(shí)，導(dǎo)體對(duì)地影響不能忽略，形成形電感見(jiàn)圖2，由圖2可見(jiàn)，不但兩管之間有感抗XL2，而且每邊對(duì)地也有另一感抗XL1。 耦合腔電感的計(jì)算： 1.基本概念 根據(jù)腔體截面，可以求出單端特性阻抗Wo，單從圖2中來(lái)看，a，b兩導(dǎo)管之間有阻抗Z，a，b對(duì)地分別又有

8、阻抗We，a，b兩導(dǎo)管間特性阻抗為2Wo，它等于Z與2We相并聯(lián)2We=2We*Z/（2We+Z），可以得出Z=2WeWo/（2We-Wo）， 由Z就可以求出圖2中的XL2，由We求得XL1。 2.應(yīng)用公式 根據(jù)圖截面參數(shù)其單端特性阻抗為： Wo=60lnth（D/2a）*th（n/a）/th（d/4a）*th（b/2a） 因沒(méi)有現(xiàn)成的We計(jì)算公式，可以近似為等面積的圓截面，根據(jù)核算誤差確實(shí)較小，其等面積半徑R=的圓截面，當(dāng)兩截面間D，d相等時(shí)，近似單端對(duì)地阻抗為We=60ln，而一導(dǎo)管對(duì)另一導(dǎo)管實(shí)際阻抗Z為： Z=2WeWo/（2We-Wo）。 以上只是求出腔體的截面阻抗關(guān)系，求XL1，XL

9、2，還必須與腔體所用長(zhǎng)度有關(guān)。 3.求電感值，根據(jù)傳輸線一般公式 ，設(shè)l為活動(dòng)板到腔體口的距離，Zl為自終端長(zhǎng)度為l處的阻抗，Zr為終端阻抗，Zo為特性阻抗，a=，為計(jì)算波長(zhǎng)，相角=al。 當(dāng)腔體終端短路時(shí)Zr=0，代入上式則： Zl=Zo，求L1，L2時(shí) jXL1=jWetgal（） L1=（uh）， jXL2=jZtgal（） L2=（uh）。 4.實(shí)際耦合腔電感粗算 （1）大陸公司420C500KW（SW-150A短波機(jī)相同） a=914.4mm，b=1219.2mm，n=304.8mm，D=609.6mm，d=11266.7mm，Wo=58.882，We=81.37。 當(dāng)l=3.8m，

10、f=3.9MHz時(shí)： jXL1=j26.1；L1=1.069uh；jXL2=j136.675；L2=5.59218uh 當(dāng)l=0.575m，f=26.1MHz時(shí)： jXL1=j26.44；L1=0.1616545uh；jXL2=j138.448；L2=0.84647uh （2）北廣TBH522機(jī) a=1000mm，b=1250mm，D=400mm，n=425mm，d=180mm，Wo=76.7，We=143.55 當(dāng)l=3.8m，f=3.9MHz時(shí)： jXL1=j46.04；L1=1.8338uh；jXL2=j105.56；L2=4.319uh。 當(dāng)l=0.575m，f=26.1MHz時(shí)： j

11、XL1=j40.626；L1=0.285uh；jXL2=j138.448；L2=0.6538uh。 （3）兩種腔體結(jié)構(gòu)的不同 截面的寬高比不同，420C用4：3，TBH522采用的是5：4，兩種相比較之下5：4更好一些。導(dǎo)管距離級(jí)n：D：n的關(guān)系，TBH522大致為1：1：1，而420C大致為1：2：1的關(guān)系。兩者Wo，We大致相同，TBH522稍小。 四、耦合腔體常見(jiàn)故障 在大功率短波發(fā)射機(jī)末級(jí)射頻功放級(jí)采用耦合腔體組成調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，解決了一些調(diào)諧線圈式諧振網(wǎng)絡(luò)不能解決的射頻反饋和接點(diǎn)接觸問(wèn)題，對(duì)大功率短波發(fā)射機(jī)射頻放大系統(tǒng)穩(wěn)定帶來(lái)了幫助。同時(shí)腔體耦合器的使用對(duì)維護(hù)也增加了新的項(xiàng)目：（1）機(jī)械故障，有傳動(dòng)銷釘斷，拉線斷，等故障，應(yīng)在腔體常用頻率位置做好標(biāo)記，有助于正確回復(fù)實(shí)際位置；（2）腔體接點(diǎn)由于要承受高頻大電流，接點(diǎn)容易打火燒壞，應(yīng)定期檢查接點(diǎn)接觸情況，壓力不足或接觸不好易造成接點(diǎn)燒壞，腔體及時(shí)清潔，對(duì)打火部位用用細(xì)砂紙打磨；（3）由于腔體短路板接點(diǎn)打開(kāi)靠氣壓驅(qū)動(dòng)，氣路也是故障多發(fā)點(diǎn)，應(yīng)經(jīng)常檢查氣管，氣缸有無(wú)漏氣，