不平衡—平衡转换器在发射机的应用
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【摘要】本文介绍不平衡—平衡转换器指数线的长度计算和指数线输入端补偿电感的计算，并详细阐述了在发射机输出窗口到馈线入口端之间安装不平衡—平衡转换器，该不平衡—平衡转换器采用电感补偿环路型（Balun）以实现50—300的阻抗转换和阻抗匹配。
【关键词】不平衡—平衡转换器；指数线；电感补偿环路型
The Application of Unbalanced To Balanced Converter On The Transmitter
Cheng Bao-quan
Abstract：This article describes the calculation of the length of the exponential transmission line and the calculation of the t inductor compensation in input of the exponential transmission line，and described in detail unbalanced to balanced converter is installed between the output of the transmitter to the input of the feeder，it is by the inductive loop-based compensation（Balun）to achieve impedance conversion and impedance matching from 50 to 300.
Key words：unbalanced to balanced converter；the exponential transmission line；inductive loop-based compensation
1.指数线
馈线分同轴馈线和平衡馈线。同轴馈线也称为不平衡馈线，它的轴线式高压火线，周围的导线或金属管为地，与轴芯线间用介质填充。平衡馈线也称边联架空明线，它的特性阻抗眼线处处都一样，也称均匀传输线。均匀传输线有有损耗和无损耗传输线之分。工程上作为理想传输线已足够精确。理想传输线也就是通常所说的馈线，特性阻抗是它的重要电气指标之一。所谓特性阻抗就是电压入射波与电流入射波之比，它跟导线的粗细、导线间的距离有关，与工作频率无关，与馈线长短无关。线径越粗、线数越多同电位侧导线越密、异点位侧之间导线越窄，特性阻抗越低。
指数线是阻抗不均匀的传输线。当它沿线各点的特性阻抗逐渐变化，例如，由高到低或由低变高时就能达到阻抗变换的目的。图1是指数线馈线示意图。由图1看出，在X=0处，馈板高度由大a1渐变到X=L处小a2，而板间距却由X=0处小D1渐变到X=L处大D2。这表明X=0处线粗、线间距窄，X=L处线细、线间距宽，所以阻抗由低变高。阻抗由低变高或由高变低如果按指数规律变化，这种馈线称为指数线。
指数线馈线总长度为L米，它由若干段不同高度的金属板拼接起来。离发射机向负载方向X米处任一截面见图2所示。
当金属板的厚d远小于馈板高度a，即d
（1-1）
若a=400㎜；D=65㎜
代入（1-1）式得指数线始端的特性阻抗Z入=50Ω
若a=133㎜；D=360㎜
代入（1-1）式得指数线末端的特性阻抗Z出=300Ω
因此，当金属板的高度a由400㎜变为133㎜，金属板之间的距离由65㎜变为360㎜，指数馈线两端的特性阻抗由对称50Ω按指数规律渐变为对称300Ω。
利用（1-1）式可以得指数线始端的特性阻抗Z入和离始端x远处任一末端的特性阻抗Z出。为了标明是无损耗指数线，始端和末端的特性阻抗分别用WO替代Z入，Wx替代Z出。它们的关系为：
（1-2）
式中b是指数线变换常数，它等于；x离指数线始端向负载方向任一距离。当着距离等于指数线长度L，末端的阻抗变为WOebL。
1.1 指数线的特性
在指数线理论中，我们知道在指数线上向负载方向的离始端x远处的电压入射波：
（1-3）
电流入射波：
（1-4）
式中，为一待定系数，为指数线。
始端阻抗，可用W0代之。离电源的负载方向任一X处的特性阻抗：
以（1-3）式、（1-4）式代入，得：
（1-5）
式中，为入射电压波与入射电流波之间的相位差，其中，为相位常数，为指数线扩展（或变换）系数，为反射系数，VSWR为指数线上驻波比，它是行波系数K的倒数。
由（1-3）式、（1-4）式知，电压幅值随x增大而按指数而增大，电流随x增大而按指数而减少，所以，在指数线始端x=0处，，电压幅值最大，电流幅值则最小。
而指数线始端的特性阻抗：
（1-6）
指数线末端的特性阻抗：
（1-7）
式中，是入射电压波与入射电流波之间的相位差：
（1-8）
其中，，，，VSWR为指数线上驻波比。在线上任一点可为常数，与指数线长度无关，它的大小决定扩展系数、工作频率和传播介质的导磁系数和介电常数。
对于一个固定长度的指数线，当频率增高时，因、、、，频率再增高，以至最后可略而不计；频率降低时，波长加长，频率再降低，，当某一波长使增至时，始端特性阻抗=(cos+jsin)=j为一纯电抗，线上将呈现纯驻波，引波系数很小，VSWR很大，反射系数趋于1，不能给负载传送功率。欲使负载获得最大功率，越小，即越小，系数扩展缓慢。这时，指数线就很长。
1.2 指数线的长度
对于=0的情形，以PDM50KW南斯拉夫发射机为例，要求50转换为300，VSWR=1.2，频率5.9-17.9MHZ。
设，，，。并设满足=0要求，那么。
=
长为L的指数线输出端特性阻抗
上式两边取自然对数
L=
这么长的指数线，施工有一定困难和难度，应设法加以缩短。
2.指数线输入端补偿电感
指数线缩短时，对于，因不变，要求不变，即2L不变。而L要缩短自然是要增大。在=中，为常数，增大意味p增大。在中，p的增大则意味VSWR也增大。在短波波形，可允许从1.1增大到1.54。
设L变小为L'，变大'。其乘积仍不变，即2L=2 L''。
今按经验（从）取′==0.0408
则L′==
指数线得到缩短了，但指数线长度缩短，引入了项，因为
====-18.3。
2.1 指数线输出端的特性阻抗
以′、L′、代入得
指数线正常工作时，要求输出端的阻抗等于馈线始端的输入阻抗。而馈线末端与天线匹配良好时，馈线始端的输入阻抗等于或接近于馈线特性阻抗300，所以
可见指数线缩短使得在它的末端出现了一个与线特性阻抗300相串联的容抗，其电容量为C=。串联接入指数线末端时应装2只C1=544pf的电容，因两串联电容的电容量恰为272pf。
2.2 指数线输入端的特性阻抗
Y=
指数线正常工作时，始端特性电量等于或接近于馈线特性电量，即Y= 为电导G与电纳B之和，其中G=0.02，B=0.00661。可是电阻的倒数时电导，容抗的倒数是电纳，因此-
可见，指数线缩短，在其输入端出现了与同轴线50相并的容抗，应用感性予以抵消。
2.3 指数线输入端补偿电感的计算
（1）先计算由r1、r2导体组成的二线式不对称平衡馈线的特性阻抗 见图3所示。
导体1的电位
（2-1）
导体2的电位
（2-2）
两导体的电位差
以（2-1）（2-2）代入经简单整理得
（2-3）
由电容的概念，两导体之间的电容
（2-4）
导体的特性阻抗
架空明线，空气介质填充，空气介质的导磁常数亨/米，空气介质的介电常数法/米。所以，从而
（2-5）
(2)计算补偿电感感抗为，环路不对称线是半径铝绞线和半径不平衡馈管。此二导体的中心距离D=832mm，见图4所示。以此代入（2-5）式，得线径不对称馈线特性阻抗为
令环路线终端短路，其长度为s，那么，由传输线理论，终端短路短截线的输入阻抗为感性即
要补偿的容抗是151，因
所以151=
即
亦
从而
3.环路补偿形式的Balun
发射机高末级的输出阻抗是不平衡50，馈线特性阻抗是对称平衡300。在馈线末端与天线匹配好的情况下，馈线始端的输出阻抗等于馈线特性阻抗。因此，从发射机输出窗口到馈线入口端之间必须安装不平衡—平衡转换器，以实现50—300的阻抗转换和阻抗匹配。
目前，不平衡—平衡转换器计有电感补偿环路型、TBH-521型（150KW机用）和420 C型（500KW机用）三种。就其变化和发展来说，总是与指数线对平衡转换和阻抗变换一并考虑。
电感补偿环路型主要由同轴馈管和指数线两部分组成。指数线末端BB处并接一长度为S、终端短路、小于最高频率四分之一波长短截线，呈感性补偿了指数线缩短而出现的与同轴线50相并的电容。指数线末端CC处用两只与馈线特性阻抗相串联，使之与指数线输出端特性阻抗相等，见图4所示。
电感补偿环路型做在室外、悬挂较高、不易被人碰到，结构简单、实用，广为美国、德国采用。
电感补偿环路型缺点在于：不对称50同轴馈线接与对称平衡50馈线连接。同轴线处导体内壁的电流在开口Q处分为两路，一路流到指数线，另一路沿同轴线处导体外壁流向地方产生发射频辐射，其大小由图4的Q点对地的阻抗决定，设法加大此阻抗可使电流减少。为此，可外加一名叫平衡口的长四分之一工作波长金属环形套筒，套筒F端与同轴线处导体短路。这样，电流到达Q点时将遇到短路线，输入阻抗无穷大处，导体外壁的电流为零。但在使用频率很多的短波形，操作起来又是相当困难。所以，有高频驻波泄漏，造成辐射是电感补偿环路型平衡转换器的不可避免的主要缺点。
参考文献
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[3]郭宝玺.模块式中波发射机的几个问题[J].北京:广播与电视技术,1999(10):168-172.
作者简介：程保权（1970—），男，陕西洋县人，国家广电总局五九四台工程师。