100kW发射机调频发射系统的设计实践探究
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作者: 万学军
摘要：随着时代的发展，人们物质文化生活水平的提高，带动了无线通信行业的发展进步，使得调频发射机逐渐出现并广泛的应用。调频发射机作为当前调频广播中的重要组成部分，其性能的高低对于调频广播的稳定以及可靠性有着极其重要的影响，甚至还会影响到广播的播出质量。本文从100kW发射机调频系统着手，从调频发射系统概况出发，分析调频发射系统的构成，探究100kW发射机调频发射系统的设计以及实践。
关键词：100kW 发射机 调频发射系统 设计
中图分类号：TN948.53 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）04-0000-00
随着社会经济的快速发展，为人们带来了更加丰富的物质文化享受，调频广播作为当前人们接受信息的重要途径之一，在新形势之下，社会对于调频广播的发射性能提出了更高的要求，因此，调频广播要想实现长远可持续发展，就需要实现自身的创新。而100kW发射机作为调频广播发射中最为常用的一个设备，在新时期，要想实现长远的发展，就必须要不断进行调频发射系统的改进，提升调频发射技术，为公众带来高质量的调频广播，促进调频广播行业能够获得可持续发展。
1 调频发射系统的概况
以某发射台为例，探究100kW发射机调频系统的设计。一直以来，该发射台都承担着省级区域电视广播无线发射的重要任务，随着电视广播步入到了数字化时代，该发射台又在原有的功能和任务的基础，承担了为千家万户提供高清数字电视节目的发射任务。但是由于使用寿命的逐渐缩短，该发射台调频发射系统的天馈线逐渐发生了老化，导致功率发射的任务无法得到有效的满足，尤其是近些年以来，广播节目数量的增加，使得原有调频系统已经无法满足当前发展形势的需要，因此，需要对现有的调频发射系统进行有效的创新改造，以便于为当前调频广播的发展提供必要的保障。
经过长时间的改造，改造之后的调频发射系统的天馈线由以往的四层四面单馈50kW的功率，逐渐增加到了当前四层四面双馈100kW功率的容量；多工器也逐渐升级成为了总功率80kW的八工器；所采用的8+1控制系统也逐渐弥补了以往系统中所带有的N+1系统，实现了系统同轴倒换，使得任何一个主机发生故障之时，都能够便捷的接入假负载，大大提升了检修过程当中的便利性[1]。
2 调频发射系统的构成
调频广播的发射台主要是由节目传输系统、发射机、天馈线、多工器以及供电系统等部分共同构成的。该发射台的调频机房所拥有的节目信号来源主要有4种类型，都是以AES/EBU等数字音频的方式进行传输的，这其中有两条线路是经过环线光缆进行传输，而另外则是利用数字微波传输以及采用卫星接收的方式，由于这四种不同类型的传输方式，使得广播节目的信号源显得十分的安全。在广播的过程当中，音频信号能够通过特定的分配，使得每一个节目的信号源都能够实现自动化的切换，为正在工作的信号线路提供了安全性的保障，当播出的信号经过处理进入到发射器当中之后，再经过调制、放大，最终输入到八工器当中所对应平率的发射口，经过和其他发射信号混合之后，经过天馈线进行发射，并且在信号发射的各个环节都有着监测点，一旦信号发射出现异常现象，所对应的监测系统就会发出示警[2]。
2.1 组合型的全频带八工器
在对原有调频系统进行改造更新的过程当中，由于要求改发射台需要具备广播8套调频节目的功能，而为了尽可能的降低系统设计中的花费，节约投入资金成本，这8套调配节目需要使用同一副发射天线，这就需要一个八工器，确保每个发射通道都具有10kW功率的容量，实现8套电视节目信号的合成。在进行技术方案制定的过程当中，由于国内对于八工器的研究并不是十分的成熟，因此，在进行设计的过程当中，该发射台根据自身的实际需求以及客观的条件，对设备的结构、需求以及相应的技术参数进行了详细的调整规划，最终，设计出了一套由一组星型双工器以及6个桥式单元共同构成的全频带八工器，节约了系统设计的研发资金，有效的提高了设备的利用效率[3]。
其中，该八工器中的每一个桥式单元都是由2组协振腔、2只3dB耦合器以及弯头吸收负载等部分共同构成，其主要的工作原理如下所示：
（1）3dB耦合器。该八工器当中的3dB耦合器总共拥有4个端口，其分别为输入端、耦合输出端、直通输出端以及隔离端等，当长度为1/4λ之时，而且两路输出的端口有着良好的匹配之时，从输入端进行输入的过程当中，耦合输出端以及直通输出端各占据一半的输出功率，然而，在实际情况之下，直通输出端与耦合输出端相比较而言，信号的相位往往会滞后约90度，并且隔离端不会有信号输出的现象。但是，这两路输出的通道很难在实际工作的过程当中做到完美的匹配，总会出现一定的反射现象，因此，这就使得隔离端也会存在着一定的功率，这就需要连接一个吸收负载[4]。（2）谐振腔。所谓的谐振腔主要指的就是带通滤波器，在100kw发射机调频发射系统设计的过程当中，通常采用二段是耦合窗型的双腔式谐振腔，其主要是由两只同轴式谐振腔共同装配而形成的，这两者之间的耦合主要采用的是固定式耦合窗进行实现，在实际应用的过程当中，仅仅需要调整谐振腔之中导体的长度就能够实现频率的调节。（3）带通桥式单元。在八工器的改良当中，带通桥式单元主要是由2组谐振腔、3只3dB耦合器以及弯头吸收负载等共同构成，其中所使用的2组谐振腔带通的频率都是相同的，这就可以使得第一个输入口的信号能够被第一个3dB耦合器进行等分之后，进入到第二个谐振腔，而第二个3dB耦合器的功能与第一个是完全相反的，能够将上次等分的信号在输出端进行合成之后再次输出。当在第二个输入口进行信号输入的过程当中，会被第二个3dB耦合器进行等分，由于谐振腔带通的频率和输入信号不相符合，会导致所输入的信号被分别反射回来，进而再次经过第二个3dB耦合器进行合并之后，传输到输出口[5]。
2.2 8+1智能倒换系统 8+1智能倒换系统设计及应用，能够使得调频广播实现安全的播出，并且在播出的过程当中能够实现自动化的控制，这一系统在设计的过程当中，主要需要加强对协议转换器、中心控制单元、天线和音频总控器以及四通同轴倒换开关等软硬件的重视，借助这样的系统，能够确保该发射站播出8套调频节目的任何发射机出现故障，都只能够实现自动化的检测，并对故障机所播放的节目以及频率进行自主的判断，实现信号源以及频率的自动化调整，启动后备机器进行代替，从而确保调频广播节目能够实现正常的播出。
该结构在正常的情况之下，调频广播节目所采用的8个频率主要是经过各自所对应的SPINNER四通同轴倒换开关输入到八工器当中，而输入的信号能够通过八工器进行合并之后，通过天线进行发射，当这个时候，5kw的备用发射机所输出的信号源能够通过8个四通同轴倒换开关进行相互之间的连接，实现与假负载之间的相互输送[6]。
（1）协议转换器以及中心控制单元。在8+1倒换系统的设计过程当中，所有的8台主发射机以及1后备机工作情况都需要通过协议转换器与8+1倒换系统的中心控制单元实现连接。其中，协议转换器主要用于对100kw发射机所发射的数据进行分析，以及贯彻落实中心控制单元所发布的控制指令，一般来说，协议转换器主要是借助数据线以及发射机的采用端口实现两者之间的连接，并且将所采集到的发射机的数据通过网络传输到上层计算机当中，并接受上层计算机所发布的命令实现对发射机的控制。而中心控制单元作为整个系统当中的核心所在，会对每一台发射机配备相应的通道控制单元，实现对发射机的监测。在实际的运作过程当中，中心控制单元会间隔300ms对主备机上的数据进行收集，并根据系统设计中所制定好的规则，对是否满足主备的倒换进行自主的判断。在检测的过程中，当发现主机的功率减低到预设值以下之时，系统就会发布命令进行备机的锁定，当锁定成功之后将主机关闭，实现主备的倒换，从而确保调频广播的正常进行[7]。
（2）天线和音频总控器以及四通同轴倒换开关。在8+1倒换系统的设计过程当中，天线控制器主要是用在对四通同轴倒换开关的使用状况进行控制，并与控制设备进行相互配合，从而实现自动切换主备机天线；音频切换器在设计的过程当中，与控制设备相互配合，能够保证音频切换的自动化；而中心控制单元能够利用天线和音频总控器实现对8个倒换开关状态的检测，确保主备机信号源选择的正确性。以107.0MHz调频广播节目为例，分析发射机发生故障之后，主备机自动倒换的过程。当107.0MHz调频广播节目所对应的发射机出现故障之后，8+1倒换系统当中的中心控制单元会对该故障进行自动的检测，并通过天线和音频总控器发布出相应的命令，确保备机中的频率能够调整到107.0MHz，而信号源也会自动切换到107.0MHz所对应的音频当中，同时，对该频率进行控制的主发射所对应的四通同轴开关会发出指令，使其自动发生倒换的行为，从而实现主备机之间的倒换，将调频广播节目转移到备机上进行播出，备机的信号则经过倒换开关传输到八工器所对应的107.0MHz的输入口。而发生故障的主发射机则通过107.0MHz的四通同轴开关进行倒换，再依次经过104.5MHz，101.6MHz，99.6MHz以及96.8MHz的四通同轴开关，最终输入到假负载当中，为主发射机的维修提供便利的条件[8]。
2.3 双主馈大功率天馈系统
一般来说，天馈系统是保证发射台调频广播节目实现安全播出的一个重要的继电，由于发射台主要是由一座调频广播发射塔、一幅天线构成，为了能够防止因为需要对天馈线进行必要的维修而影响到调频广播的正常播出，根据发射台的实际情况，设计出了双主馈且100kw功率容量的天馈系统。这一系统是由天线开关板、主馈线、功分器、反馈线以及四层四面双偶极子天线等部分共同构成，该系统采用了两根主馈，并且主馈天线上半分为2个半副，每一个半副都是二层四面，并且2根主馈与上下半副天线实现了连接，当某一个半副天线发生故障需要进行检查维修之时，能够经过开关板的倒换，采用另外完好的半副天线播放调频广播节目，极大的提升了调频广播节目播出的可靠性。
对于天线开关板而言，在该天馈系统当中，天线开关板的具体作用就在于实现了八工器的分流输出，并进过2根馈线分别输送到半副天线当中，并借助开关板当中的U-Link实现了故障情况之下采用半副天线的半功率播出，使得调频广播节目播出的可靠性大幅度得到提升。该系统当中的主馈是两根空气绝缘的同轴电缆组成，当主馈输入到功分器的过程当中，每一个功分器都会首先一分为二，进而再一分为八，通过这样的方式，使得两个主馈实现了32个输出的目标，能够与四层四面双偶极子天线当中的32个输入端口实现连接，其中与其他类型的泡沫绝缘电缆相比较而言，空气绝缘同轴电缆本身具有较高的柔韧性、较好的抗压性，能够承受的功率较高，并且在纵向均匀度上也显得十分的出色，能够实现对发射台辐射区域的覆盖，使得调频广播节目的播放质量得到明显的提升。
3 结语
综上所述，随着时代的发展，调频广播要想获得长远的发展，就需要加强对自身调频发射系统的改造设计，100kw发射机调频发射系统作为一种新型的发射系统，实现了8+1智能倒换系统、组合型全频带八工器以及双主馈大功率天馈系统等多种技术的相结合，实现了对以往调频系统的创新，提高了调频广播的可靠性，带动了调频广播的发展，为辐射区域的听众提供了更高质量的收听享受。
参考文献
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[2] 张雯，靳永亮.无线调频发射系统的设计[J].产业与科技论坛，2014（7）：72-73.
[3] 马天佑.调频发射系统的改进与设计[J].科技创新导报，2014（21）：79.
[4] 钱启龙，郑红哲，丁清槐等.100kW调频发射系统设计与实践[J].电声技术，2012（6）：72-78.
[5] 卢鹰.调频发射系统的改进与设计[J].湖南工业职业技术学院学报，2010（3）：21-23.
[6] 何波，刘育松，谭旭等.110kW调频多工系统的设计与实现[J].广播与电视技术，2013（11）：136-139.
[7] 杨鹏飞，李刚，继国等.无线语音发射系统的设计与实现[J].电子设计工程，2015（1）：54-57.
[8] 李晓龙，裴海红，赵远等.论构建完善的调频发射系统[J].现代商贸工业，2015（14）：208-209.
收稿日期：2016-03-01
作者简介：万学军（1973―），男，吉林桦甸人，本科，毕业于长春理工大学，高级工程师，现就职于国家新闻出版广电总局九五三台，研究方向：广播发射。
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