摘要 本文从发射机的原理入手，首先介绍了进口TSW2500型500kW短波发射机，然后详细介绍该发射机调谐系统的构成、各元器件作用及功能，接着对发射管工作状态进行分析，提出最佳调谐工作点的确定方法，阐述调谐原理及自动调谐实现方法。最后提出国产500kW短波发射机自动调谐系统的设计方法。
关键词短波发射机；自动调谐；原理；设计
中图分类号G22 文献标识码A文章编号 1674-6708（2014）113-0094-02
0 引言
瑞士THALES公司生产的TSW2500型500kW短波发射机是目前世界上最先进的机型之一，该型发射机运行稳定，操作方便，自动化程度高。该机型自动调谐系统是该发射机核心系统之一。该系统能够准确、快速地将发射机射频输出网络调整到3.2MHz~26.1MHz间任意给定的频率上，并且能对上述频率进行跟踪调谐，使发射机达到500kW满功率输出。然而进口一部发射机的费用相当大，于是我们通过对其进行深入研究，进行了国产化改造，配套研制出一套国产500kW短波发射机的调谐系统。
1 短波发射机调谐方法
调谐所面向的对象是发送设备的高频功率放大部分。发射机中的缓冲级、中间功率放大级、末级功率放大级，都是高频功率放大器。理论上屏极槽路在谐振时呈现纯电阻Roe，但是在实际工作中，如果更换使用频率就存在着如何调整槽路电感或电容值以实现谐振的问题。一般机器上常有栅流（Ig1）和屏流(Ia)的直流电流表。下来我们讨论利用Ig1和Ia来调整槽路到谐振位置。
首先看一下屏极槽路失谐情况下有什么变化。屏极槽路失谐时对工作频率来说槽路呈现的不是纯阻抗，而是还有一个电抗分量，容抗或者感抗屏流脉冲是受栅压和屏压控制的，这时，由这个脉冲分解出来的屏流基波分量Ia1与栅压也不完全相同，如果槽路是纯阻抗，屏压ea与栅压eg刚好反相，而现在槽路阻抗中有电抗成分，由Ia1与槽路阻抗形成的屏压就不能和栅压eg反相，而存在一个相位差。这样eg大和ea小就不能同时出现，如图1所示。
图1 电子管栅流、屏流关系示意图
由上图可以看出，ia的最大值Im不在ea小时出现，而是在比ea小还要大一些的屏压时出现。这就使Im值在屏极槽路失谐时大于谐振时的值，造成失谐时屏流的直流分量Ia0比正调谐时的屏流直流分量大，致使输入功率P0增加。同时，由于在屏压较高的区域内流通较大的脉冲屏流，屏极的损耗也显著增加。此时槽路阻抗的绝对值小于谐振时的纯阻抗Roe，致使Ua减小，输出功率降低。
再分析栅流情况，栅流脉冲流通的区域当屏极槽路正调谐时是在ea小的附近，而在失谐时则在比ea小更高的屏压区域，此时电子管阴极发射的电子受到较高屏压的影响不但总数增加（Im增大），而且流到栅极的电子比正调谐时还要少，这就造成了Igm比正调谐时小，反映在栅流表上即为Ig0变小。
这样我们就得出了一个很有用的结论：当屏极槽路由正调谐变为失谐时，Ia0上升Ig0下降，屏耗Pa增大，输入功率Po增加，输出功率P出下降，屏极效率也下降。利用这个特点，可以调谐屏极槽路的可调元件如：真空电容或电感。当调谐时观察电子管屏流和栅流表值，屏流最小，栅流最大时的点即为正调谐点。
图1是在仅仅变动槽路中电感或电容值时，屏流直流分量在正调谐点附近变化趋势的曲线。如果我们改变槽路的负载状况，例如加重或减轻输出级和天线馈电线的耦合，增加或减少输出功率，在这些情况下，调谐曲线又有什么变化呢？曲线的变化趋势仍是相同的，即正调谐时Ia0最小，Ig0最大。不同点是Ia0的数值有变化，当负载加重，输出功率增加时，由于谐振阻抗Roe数值变小，Im上升，Ia1和Ia0均上升，使得正调谐点的Ia0值比负载未加重，输出功率未上升。我们在发射机高频末级可以发现，若将天线馈电线甩开，调谐屏极槽路到谐振点，此时屏流直流表读数比正常工作值小很多，但在正调谐点附近屏流直流分量的变化趋势仍按照图2的规律变化。因此在调谐时要时刻注意屏流直流分量、屏耗和输出功率值，防止屏耗过大损伤电子管。
2 国产500kW短波发射机自动调谐系统的设计
2.1 系统设计思想
通常情况下，在手动调谐发射机时，屏流指示没有方向性，屏流偏离最小点，只能说明失谐而不能说明是向哪一个方向失谐（容性或感性），不能用于自动调谐。
然而我们可以利用谐振曲线的相位关系。在正调谐点时屏压与栅压之间的相位差是180°而在失谐时则偏离180°。但是如何判断相位偏差？我们需要设计一个鉴相器电路，采集电子管屏极与帘栅极电压，并对其进行比较。当二者的相位差是180°时，鉴相器输出为零，此时达到调谐点；而当相位差小于或大于180°时，鉴相器输出相位相反的电压，此时处于失谐状态。鉴相器输出的电压就即为“误差信号”，误差信号经过滤波加工、放大后用于驱动伺服器件（调谐电动机）来调整可变电容器或可变电感器，直到调谐正确，误差信号变为零为止。
然而以上利用鉴相器调谐也是存在着缺陷：首先，相位特性曲线在谐振点附近变化非常尖锐，而在远离谐振点处又很不敏感。因此这种方法的有效性就仅限于在谐振点附近的一个较窄的频带，而且由于捕获区内敏感度太高，往往会使伺服系统工作不稳定。其次，鉴相器只是有助于调谐而不能有助于匹配，因为只要负载是纯阻，鉴相器的输出就是零，不管这一纯阻的大小如何。因此，如果单靠鉴相器来控制自动调谐，有时就难免出现差错。
所以我们引入粗调谐概念解决第一个问题。粗调的任务就是将各调谐器件调到基本正确的位置，也就是说调到谐振点附近。使调谐网络的工作状态置入鉴相器的捕获带之内，然后利用鉴相器进行细调。
对于阻抗匹配问题的解决方法是在输出电路中再接入一个鉴阻器与鉴相器配合，保证输出电路得到正确的调谐与匹配，仅当调谐与匹配都正确时相位和阻抗才不产生误差信号，而当误差信号达到零时自动调谐步骤就完成了。
2.2 自动调谐系统设计
调谐系统之所以能自动完成，就是因为它本身是一个闭环控制系统，自动调谐系统工作在闭环状态下。大致可用图2 所示。
图2 自动调谐闭环系统方框图
在图2中：
放大器——指伺服放大器。是伺服电机的驱动单元，控制伺服电机的转动。
执行元件——指的是伺服电机、传动器和减速装置等。
被调元件——指可变真空电容、可变电感器和调谐线等。
主控单元——用来接收、执行上位机指令及各调谐元件位置信号，向放大器提供误差信号的装置。
在粗调时，误差信号指的是:由随动电位器（与被调马达一起联动的多圈电位器）上取样电压与EPROM存储器送出的位置电压信号相比较，经过比较放大后得出误差信号。
在细调时，误差信号指的是由鉴相器、鉴阻器给出的误差信号。
在伺服放大器输入端，有一个用运算放大器搭接成的误差放大器。对粗调来说，它相当于一个比较放大器（同相端输入的是随动电位器的信号；反相端输入的是计数译码器中EPROM存储器送出的D/A转换信号），经比较放大器比较放大后，送出误差放大信号，对于细调来说，它又相当于一个同相放大器，同相端输入的信号是由鉴相器或鉴阻器给出的误差信号，反相端被接地，经同相放大后送出误差信号。
不管是比较器还是同相放大器，只要误差放大器输出的电压足够大（超过门限值），就会驱动电机转动，被调元器件也会跟着转动，直到放大器输出电压小到规定范围以下（小于）时，电机和被调元件将停止转动，这时调谐完成。
在发射机完成自动调谐后，调谐系统还会在负载阻抗发生变化时，根据输出功率、屏压的变化等调整发射机匹配网络输出阻抗，即调整末级槽路的3∏网络的输出阻抗和天馈线的阻抗相匹配（第三∏网络的输出阻抗要达到50Ω，然后通过平衡不平衡转换器及指数线变为天线输入阻抗300Ω），以使发射机效率达到最佳。
3 结论
本文是作者结合多年来维护进口大功率发射机的技术积累，提出的国产500kW大功率短波发射机自动调谐系统的设计方法。对日常维护工作和发射机故障处理提供了理论支持，希望能对同行提供有价值的参考。此自动调谐系统已经研发成功，在我台国产500kW备机上使用，通过了我局专家组的验收，为国家节约了大量的资金，具有非常可观的经济效益。
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