农村有线广播长馈线的阻抗匹配（一）
1970/01/01 19:07 点击：1661 / 回复：0
杨学林
阻抗匹配是农村有线广播工作中的一项很重要的工作。广播网路中各部分的阻抗相互之间如果不匹配，将造成扩音机工作失常和喇叭声音减小，甚至损坏机件。本文将着重谈谈10公里以上农村有线广播长馈线送端和终端阻抗匹配的原理和方法。对于10公里以内的短馈线的阻抗匹配以后另作介绍。
一、几个阻抗的基本概念
长馈线的阻抗匹配，主要是指扩音机输出阻抗、馈送线特性阻抗和馈线终端负载阻抗这三者之间的匹配。现将这几个阻抗的基本概念先讲一下。
1．扩音机输出阻抗：这是指扩音机输出端所要求配接的阻抗。只有当扩音机输出端所接的实际负载阻抗与扩音机输出阻抗相同时，才能使扩音机末级功率输出级正常工作，输出最大的不失真功率。
农村有线广播系统所用的扩音机，其输出型式有两种：一是定阻抗式；一是定电压式。定阻式扩音机输出端要求配接的阻抗欧姆数，已在输出端子上标明了；而定压式扩音机，虽然只标出了输出功率和输出电压，但可以由下面公式（1）推导出相应的输出阻抗的公式（2）：
PCH=VCH2／ZCH（瓦） （1）
ZCH＝VCH2／PCH（欧） （2）
式中：PCH、VCH、ZCH分别为扩音机的输出功率、输出电压和输出阻抗。
例如：TY250／1000型扩音机，其每个250瓦机层的输出功率为250瓦，输出电压为120伏。其相应的输出阻抗值为
ZCH＝1202／250=57.6欧。
对于定阻式扩音机来说，因为输出功率和输出阻抗已知，也可以用（1）式推导出和相应的输出电压的公式为：
VCH=Pi√PCH ∙ ZCHCH ∙ ZCH
2．线路特性阻抗：农村有线广播的传输线一般都是架空明线。这种线路在构造上来说都是均匀传输线，即线路上每点的电磁性质都是一样的。均匀传输线的电磁性质，不论单线或双线回路，都是由电阻R、电感L、电容C、电导G这四个参数来决定的。图1是一小段均匀传输线的等效电路。对于无限长均匀传输线来说，就可以认为它是由无限多这样的小段串联构成的。由这种无限长均匀传输线的四个参数R、L、C、G，对所传输的某种频率f的广播信号所构成的阻抗，也就是线路上每点的电压和电流的比值，就叫做线路的“特性阻抗”。由于无限长均匀传输线每点上的电压和电流的比值都是相同的，所以每点上的特性阻抗也都是一样的。
实际上，农村有线广播所使用的传输线都是有限长的。但对于有限长线路来说，只要在它的终端接上和线路特性阻抗值相等的负载阻抗，那么不论线路多长，在线路每点上测得的阻抗值也都是固定不变的。所以终端匹配的有限长线路的性质和无限长线路一样。由此可知，在有线广播馈线中，当它的终端接上适当的阻抗ZC时，则不管线路多长，在线路始端所测得的阻抗值固定不变，且等于终端所接的阻抗ZC。此阻抗就是线路的特性阻抗。
（4）特性阻抗是由R、L、C、G和f几个参数决定的，经过数学推导可以得出下面的计算公式
式中：ZC是特性阻抗；ω=2πf，f为频率；j表示ZC之值为一复数，在计算中不但有大小而且还有相角。
由于R、L、C、G这四个参数随着传输线路的不同情况而有所变化，所以各种传输线的特性阻抗值也是不同的。从（4）式可以看出：同样粗细的铁线和铜线、比较，由于铁线的R和L比铜线大，其特性阻抗值也比较大；同样粗细、同样材料的双线回路和单线回路比较，由于双线回路的R和L比单线回路的大，G和C比单线的小，所以它的特性阻抗比单线的大；双线回路线间距离越大，以及单线回路线条架设离地面越高时，由于L增大，C减小，特性阻抗值也就越大；此外，对同样材料的线路来说，线径越粗，由于R和L减小而C增大，特性阻抗也就越小。
另外，线路特性阻抗的大小还和传输的广播信号的频率f的高低有关。随着频率f的增高，线路特性阻抗的绝对值将平滑地减小。为了供大家进行线路匹配计算时参考，现将不同线径的铁线回路（架设高度离地面4米）在1000赫时的各项数据列于表1。
3.线路终端负载阻抗：对于二级馈电线路来说，它的终端负载阻抗就是各用户的总并联输入阻抗；对于三级馈电线路来说，就是各支馈线的总并联输入阻抗或各支馈线和当地部分用户线的总并联输入阻抗。
现以二级馈电线路为例，谈一谈终端负载阻抗的计算方法。二级馈电线路只有馈送线和用户线两级。它的终端负载就是各用户线所带的喇叭。用户线一般都很短，喇叭都是沿着用户线并联搭挂的。这种情况下用户线本身的阻抗很小，对输入阻抗的影响不大，可忽略。因此，各用户线的总输入阻抗就可以近似地认为是各用户线所带喇叭的总并联阻抗。一般舌簧喇叭和压电喇叭的阻抗，如以1000赫音频信号来计算都在9000欧左右，终端负载阻抗值便可由下式求出：
ZZH=9000／N（欧）（5）
式中：N为喇叭只数。例如：某路馈送线终端各用户线上共带喇叭300只，其终端负载阻抗就等于：
ZZH=9000/300=30欧
上述扩音机输出阻抗、线路特性阻抗和线路终端阻抗，在图2所示整个广播网路中，是通过选用适当的馈送变压器和用户变压器使它们互相匹配。这就是阻抗匹配的基本要求。
二、为什么要进行阻抗匹配
1．扩音机输出端阻抗匹配的目的：这主要是使扩音机末级功率输出级能够正常工作。当馈送线的总输入阻抗与扩音机的输出阻抗互相匹配时，扩音机才能输送给馈送线最大不失真的功率。这是为什么呢？下面我们作一些简要的分析。
图3为一末级功率输出级的简单线路和等效电路。图中Eg为栅极输入音频信号电压；μ为输出管放大系数；RP为输出管内阻：RL表示负载阻抗，下面用ZL进行计算；IP为屏流；ERL为输出到负载上的音频电压。根据欧姆定律知道，此时屏路中的屏流为：
IP=μEg／（RP+ZL）
在负载上得到的音频电压为：
EZL=μEgZL／（RP＋ZL）
负载上得到的音频功率为：
PZL=EZL·IP= ·μEgZL μEg
RP+ZL RP+ZL =μ2Eg2(RP-ZL)2Z1L+4RP(瓦）（6）
我们知道，一定型号的电子管的μ和RP是固定数值，如果Eg也是定值，那么输出功率的大小完全决定于ZL和RP的大小，而且只有当RP=ZL时（6）式的分母最小，这时末级功率输出管输出到负载上的功率PZL才最大。
但是，一般负载阻抗都设计得并不等于电子管的内阻，因为等于内阻时固然输出功率最大，可是要产生严重的失真。所以，为了减小这种失真，一般用三极管作音频功放时负载阻抗值都设计得比内阻高，而五极管和集流管用的负载阻抗都比内阻低。这时的负载阻抗值就叫做“最佳负载阻抗”。在最佳负载阻抗时，可以保证电子管有适当的功率输出，失真度也不超过一定的数值。
那么，怎样才能使扩音机末级屏路得到所要求的最佳负载阻抗呢？这是靠末级屏路里的输出变压器变换阻抗的作用来达到目的。末级功率管屏路里加了输出变压器以后，屏路的负载阻抗大小就取决于输出变压器初、次级圈数比和次级所接实际负载阻抗的大小，而输出变压器初、次级的圈数比在扩音机出厂以后就固定了，它设计得当输出变压器次级接上和扩音机输出阻抗相等的实际负载阻抗时，由次级反射到初级功放管屏路里的阻抗，就正好是设计时所要求的那个最佳负载阻抗值。因此，在输出变压器次级接上和扩音机输出阻抗值相等的实际负载阻抗，就可以达到扩音机输出端阻抗匹配的目的。
例如某型扩音机末级功率放大管用的是两只FU－5（805）电子管作乙类推挽放大。在电子管手册中查得：两只FU－5作乙类推挽放大时的最隹负载阻抗要求为6700欧姆；从这种扩音机的说明书中查到：输出变压器的初级绕组是2410圈，次级绕组是224圈，扩音机输出阻抗是57.6欧。如果我们根据设计要求在其输出端配接以57.6欧的负载，根据变压器变换阻抗的关系式，由次级反射到初级屏路里的阻抗为57.6×（2410／224）2=6718欧。这与上述要求的6700欧接近，可见已满足了最佳负载阻抗的要求。
现在再看一下，当扩音机输出部分阻抗不匹配时，会对扩音机的工作产生哪些影响？
首先我们假设，馈送线的总输入阻抗比扩音机输出阻抗低很多（即负载很重），那么由输出变压器次级反射到初级功放管屏路里的阻抗，也一定比设计时要求的正常负载阻抗低很多。例如上例中如接入负载为20欧时，则反射到初级的阻抗值为20×（2410／224）2=2332欧，比6718欧低很多。
功放管屏路里其他条件不变，负载阻抗一降低，屏流就要随着上升。当这样一个超过正常值很多的屏流通过功放管内阻时，就要在管内消耗很大电力，以致超过了末级功放管的最大屏耗，使它的屏极发红而损坏。相反，如果负载很轻，即所接负载比扩音机输出阻抗高很多，那么屏路里的负载阻抗也提高很多，如其他条件不变，屏流就要减小，但由于负载阻抗很高，即使一个比较小的屏流通过时也会在负载两端产生很高的音频电压。这对于没有加负反馈或反馈量不深的扩音机来说，由于限制不了这种输出电压的升高，就会使输出变压器初级线圈的绝缘击穿而损坏。
2.线路终端阻抗匹配的目的：同上述一样，只有当馈线终端所接的负载阻抗与馈送线本身的特性阻抗匹配时，馈线才能对其终端所接的负载输送最大的功率。这是线路终端匹配阻抗的主要目的。另外一个目的是要消除反射波的影响。所谓“反射波”就是传送到馈线终端未被负载吸收而又反送回来的音频电波。
当音频信号在无限长均勾线上传输时，随着距离的增加，电压波和电流波逐渐减小，一直到能量全部消耗完尽为止，是不会再反射回来的。当在终端匹配的有限长均匀线路上传输时，电能送到线路终端全部被负载吸收，也不会反射回来。在这种情况下，线路对所传送的音频信号是均匀衰减的，线路上每点的电压与电流的比值（即特性阻抗）也是固定不变的。
当音频信号在终端不匹配的有限长线路上传输时，情况就不同了。此时音频信号的电压波和电流波传播到线路终端，遇到一个与线路特性阻抗不相等的负载，就象声波在传播中遇到了墙壁一样，一部分被吸收，一部分又被反射回来。被反射回来的这部分就叫“反射波”。当线路终端阻抗越不匹配时，产生反射波的情况越严重。
由于反射波的产生，音频信号在线路上往返传送，就能使电能的传输衰耗增大，传输效率降低，终端负载得到的电力减小，喇叭音量减弱。另外，由于一条传输线上同时存在入射波和反射波，这两个波在线路的某些地方相位相同就互相叠加，而在另一些地方相位相反就互相抵消一部分。这样就使得线路上各点的电压、电流分布不随线路长度而递减，产生了一处高起一处低落的现象。在线路上形成了电压和电流的驻波，使传输的音频信号产生严重的相位失真，由于驻波的存在，线路上各点的电压与电流的比值也不相等，线路的输入阻抗不再等于特性阻抗。均匀传输线的特性受到了破坏。为了消除反射波的影响，就必须作好线路终端的阻抗匹配。(河南省广播事业局杨学林)
文章:youk [1970/01/01 19:07]
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