耦合腔體在大功率短波發(fā)射機中的應用

1、耦合腔體在大功率短波發(fā)射機中的應用    【摘要】本文通過對比耦合腔體在國外以及國內(nèi)大功率短波發(fā)射機中的發(fā)展應用，對耦合腔體的結(jié)構(gòu)以及原理，并通過簡單計算，對兩種不同結(jié)構(gòu)的腔體的特性阻抗，低端工作頻率時等效電感和高端工作頻率時的等效電感進行了對比，對耦合腔體發(fā)射機腔體常見故障及維護方法做了簡要介紹。 【關(guān)鍵詞】大功率；短波發(fā)射機；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)射機高末級功率放大器，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，這個行網(wǎng)絡主要起諧振，濾波阻抗變換的作用

2、，在性網(wǎng)絡后面再接一個T型網(wǎng)絡進行發(fā)射機輸出阻抗變換。由于短波發(fā)射機工作在3MHz-30MHz的高頻范圍，在發(fā)射機末級功率放大器設(shè)計時，要充分考慮末級調(diào)諧線圈的結(jié)構(gòu)，布局以及分布電容的影響，大電流接點的接觸，冷卻散熱等問題。傳統(tǒng)調(diào)諧線圈在使用中存在的一個問題是：在發(fā)射機工作在頻率的低端時，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，比如26.1MHz時，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，其等效引線電感會影響正在使用的線圈，對電子管陽極呈現(xiàn)出高頻高阻抗，這種情況產(chǎn)生的高次諧波影響末級放大器的效率，情況嚴重的會產(chǎn)生寄生震蕩，造成發(fā)射機工作不

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

4、m，寬1219.2mm，高914.4mm的長方體，四周圍用銅板覆蓋，中心用兩個外徑為227mm的銅管構(gòu)成調(diào)配線，腔體截面圖，見圖1，在腔體中有一個可以前后移動的短路板（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，接點為氣動可壓縮彈簧接點，短路板需要移動時，用氣泵推動氣缸壓縮彈簧使接點打開，短路板裝在兩六棱形軌道上，靠驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動帶動滾筒拉繩來移動短路板，實現(xiàn)無磨損移動改變電感量，短路板到位后，去掉氣動壓力，壓力彈簧使接點接觸。短路板四周共有50

5、個接點，上下長邊共裝有28個接點，左右短邊共裝有22個接點，短路板與每個銅管之間裝有12個接點，每個接點直徑為20mm，表面鍍銀，每個接點可通過33A的高頻電流，每根銅管可通過電流為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)射機在設(shè)計高周槽路時，采用的是大陸公司420C發(fā)射機的耦合腔體的形式，在設(shè)計尺寸和結(jié)構(gòu)上與大陸公司發(fā)射機大致相同。 北京廣播設(shè)備廠設(shè)計的TBH521型發(fā)射機時也借鑒了大陸公司的耦合腔體的末級槽路調(diào)諧形式，不過，北廣在腔體的結(jié)構(gòu)和上都做了一些改變，腔體長度縮短為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)射機腔體內(nèi)，短路板四周對地接點采用簧片式形式，中間兩根銅管圓周上安裝的彈簧接點的數(shù)量使用的氣缸與美國大陸公司生產(chǎn)的發(fā)射機是有區(qū)別的，在實際使用中，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的傳動方式上，北廣發(fā)射機最初設(shè)計時采用了齒條傳動的形式，而沒有采用大陸公司拉線式軸承傳動的方法，但是經(jīng)過實踐證明，齒條傳動容易出現(xiàn)兩邊齒條不同步現(xiàn)象，再一個傳動力矩過大，經(jīng)常出現(xiàn)卡死等機械傳動故障，為消除上述問題，近幾年北廣生產(chǎn)的TBH522發(fā)射機放棄了齒條傳動方案，采取了與

7、大陸公司相同的拉線軸承傳動方式，在腔體制造方面，當初在TBH521上采用的鋁合金腔體，經(jīng)過實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，實則它與腔體還有區(qū)別，如圖所示，耦合腔體是兩導管形成的調(diào)配線，四周有隔離板。終端有一活動短路板將不用部分短路在無磁場處，最大程度消除射頻發(fā)射。當四周隔板與導管距離很近時，導體對地影響不能忽略，形成形電感見圖2，由圖2可見，不但兩管之間有感抗XL2，而且每邊對地也有另一感抗XL1。 耦合腔電感的計算： 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中來看，a，b兩導管之間有阻抗Z，a，b對地分別又有

8、阻抗We，a，b兩導管間特性阻抗為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） 因沒有現(xiàn)成的We計算公式，可以近似為等面積的圓截面，根據(jù)核算誤差確實較小，其等面積半徑R=的圓截面，當兩截面間D，d相等時，近似單端對地阻抗為We=60ln，而一導管對另一導管實際阻抗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為活動板到腔體口的距離，Zl為自終端長度為l處的阻抗，Zr為終端阻抗，Zo為特性阻抗，a=，為計算波長，相角=al。 當腔體終端短路時Zr=0，代入上式則： Zl=Zo，求L1，L2時 jXL1=jWetgal（） L1=（uh）， jXL2=jZtgal（） L2=（uh）。 4.實際耦合腔電感粗算 （1）大陸公司420C500KW（SW-150A短波機相同） a=914.4mm，b=1219.2mm，n=304.8mm，D=609.6mm，d=11266.7mm，Wo=58.882，We=81.37。 當l=3.8m，

10、f=3.9MHz時： jXL1=j26.1；L1=1.069uh；jXL2=j136.675；L2=5.59218uh 當l=0.575m，f=26.1MHz時： jXL1=j26.44；L1=0.1616545uh；jXL2=j138.448；L2=0.84647uh （2）北廣TBH522機 a=1000mm，b=1250mm，D=400mm，n=425mm，d=180mm，Wo=76.7，We=143.55 當l=3.8m，f=3.9MHz時： jXL1=j46.04；L1=1.8338uh；jXL2=j105.56；L2=4.319uh。 當l=0.575m，f=26.1MHz時： 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。導管距離級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、耦合腔體常見故障 在大功率短波發(fā)射機末級射頻功放級采用耦合腔體組成調(diào)諧網(wǎng)絡，解決了一些調(diào)諧線圈式諧振網(wǎng)絡不能解決的射頻反饋和接點接觸問題，對大功率短波發(fā)射機射頻放大系統(tǒng)穩(wěn)定帶來了幫助。同時腔體耦合器的使用對維護也增加了新的項目：（1）機械故障，有傳動銷釘斷，拉線斷，等故障，應在腔體常用頻率位置做好標記，有助于正確回復實際位置；（2）腔體接點由于要承受高頻大電流，接點容易打火燒壞，應定期檢查接點接觸情況，壓力不足或接觸不好易造成接點燒壞，腔體及時清潔，對打火部位用用細砂紙打磨；（3）由于腔體短路板接點打開靠氣壓驅(qū)動，氣路也是故障多發(fā)點，應經(jīng)常檢查氣管，氣缸有無漏氣，