淺談小功率短波發(fā)射臺天饋線系統(tǒng)故障分析

吾買爾江·麥麥提

（新疆廣播電視局9166臺，新疆莎車，844700）

0 引言

籠型全向短波天線是目前小功率短波發(fā)射臺使用的主流天線，該類天線用50Ω的饋線與短波發(fā)射機相連接[1]。天饋線的性能對于廣播發(fā)射臺站覆蓋效果有著至關(guān)重要的作用，尤其是天饋線系統(tǒng)的電壓駐波比（VSWR）指標對發(fā)射效率影響極大，當電壓駐波比（VSWR）過大時，為了保證滿功率播出，發(fā)射機會出現(xiàn)負荷過重，甚至可能會導(dǎo)致發(fā)射機功率放大單元、電源部分故障。可見，電壓駐波比（VSWR）是衡量天饋線系統(tǒng)性能的重要指標，而且天饋線一般情況下均裸露在室外，不像發(fā)射機房，不能嚴格控制溫度、濕度等環(huán)境因素，因此天饋線系統(tǒng)是發(fā)射臺站最容易受到環(huán)境因素的薄弱環(huán)節(jié)。因此，想確保發(fā)射臺站的安全播出，做好天饋線系統(tǒng)的日常維護和調(diào)試工作顯得尤為重要。

1 電壓駐波比（VSWR）及其對發(fā)射效率的影響

電壓駐波比（VSWR）是指駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比，也可以用以下等式表示駐波比：

其中，VSWR電壓駐波比，Pr反射功率，Po入射功率，VSWR最小值為1。

在不考慮其他損耗的前提下，根據(jù)上式可以換算出，當電壓駐波比等于2時，Po=9Pr。此時，為了滿功率播出，假設(shè)滿功率要求9kW，此時發(fā)射機實際輸出功率10kW，換言之，此時發(fā)射機額外輸出1kW的功率才能達到9kW的滿功率播出，發(fā)射機功率放大單元多1kW的負荷。

天饋線某一個頻率點上的最大駐波比，可根據(jù)發(fā)射機功率放大單元最大輸出功率Pm和發(fā)射臺站滿功率Pf要求來確定。Pm代表該部發(fā)射機功率放大單元最大輸出功率，因此下面不等式成立。

假設(shè)該部發(fā)射機功率放大單元最大輸出功率Pm=3kW，發(fā)射臺站滿功率要求Pf=2kW，那么允許最大反射功率Prm=Pm-Pf=1kW，根據(jù)公式（1）計算出該頻率點上的最大電壓駐波比不應(yīng)該高于5.828。當然這是不考慮發(fā)射系統(tǒng)中的諧波濾波器以及線路的其他損耗時的理論值，實際工作中，天饋線系統(tǒng)該頻率點上的電壓駐波比應(yīng)該比5.828還要小。

表1 電壓駐波比（VSWR)與反射功率和輸出功率比的關(guān)系表

由此可見，隨著電壓駐波比（VSWR）的增大，反射功率所占的比例增大，為了滿足滿功率要求，發(fā)射機負荷變大，從而導(dǎo)致整個發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射效率降低。也就是說，為了達到同樣的輸出功率，電壓駐波比大的發(fā)射系統(tǒng)中的發(fā)射機需要輸出更多的功率，而且這多出來的功率無法通過發(fā)射天線有效輻射出去，以反射波得形式存在，它的作用是抵消輸出功率、產(chǎn)生額外的電能浪費、在極端情況下，破壞發(fā)射系統(tǒng)。因此可以得出結(jié)論，廣播發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的駐波，對發(fā)射系統(tǒng)沒有任何好處。所以，小功率短波發(fā)射臺中，應(yīng)盡量降低天饋線系統(tǒng)的電壓駐波比指標。

2 測量天饋線系統(tǒng)電壓駐波比（VSWR）和故障部位判斷

安立Site Master S331E緊湊型手持式電纜與天線分析儀2MHz~4GHz的范圍內(nèi)，可以測量天饋線電壓駐波比（VSWR）[2]。針對小功率短波發(fā)射臺，調(diào)整合適的頻率范圍，并且利用安立校準配件（型號為ICN50B）進行一次校準，圖1~4為各種典型狀態(tài)下的駐波比圖示例。

如圖1所示，正常情況下的天饋線駐波比在不同的頻率狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的駐波比值，而且駐波比值基本保持在2.0以下。如圖2所示，天饋線系統(tǒng)駐波比雖然在不同的頻率狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的駐波比值，但是駐波比值普遍遠高于2，基本在20-50之間，其中值得一提的是，出現(xiàn)兩個頻率點上的異常值，是因為空中存在同頻電磁波或者諧波導(dǎo)致的。在這種狀態(tài)下可以根據(jù)公式（1）計算出反射功率和輸出功率比值在0.819~0.923 ，按0.923計算，一部滿功率要求為10kW的發(fā)射機，實際輸出功率應(yīng)該達到19.23kW時才能達到滿功率要求10kW的，滿功率工作時，此時發(fā)射機功率放大單元負荷幾乎翻了一番，極有可能因超負荷工作而出現(xiàn)故障。如圖3所示，校準器理論上是理想的負載，因此各頻率點上的駐波比值幾乎等于1 。圖4中，當天饋線出現(xiàn)開路時，與圖3相反，各頻率點上的駐波比值非常大。

圖1 天饋線正常時駐波比圖

圖2 天饋線故障時駐波比圖

圖3 校準時的駐波比圖

圖4 饋線開路時的駐波比圖

實際工作當中，使用安立Site Master S331E緊湊型手持式電纜與天線分析儀，從天饋線系統(tǒng)不同的關(guān)鍵點掃描天饋線系統(tǒng)的駐波比圖，根據(jù)駐波比曲線，可以判斷天饋線系統(tǒng)的故障點。圖5為小功率短波發(fā)射臺天饋線系統(tǒng)的關(guān)鍵點示意圖。

圖5 小功率短波發(fā)射臺天饋線系統(tǒng)關(guān)鍵點示意圖

其中，a點為饋線與發(fā)射機連接處，b點為饋線與調(diào)配箱連接出，c點為調(diào)配箱與天線連接處。

排查天饋線故障部位的基本方法是，將分析儀分別連接a，b，c三個點，根據(jù)三個點測量出來的駐波比圖，可以判斷天饋線系統(tǒng)的故障部位。根據(jù)測量的駐波比圖的，故障部位判斷如表2所示。

表2 天饋線系統(tǒng)各關(guān)鍵點測量的駐波比圖狀態(tài)表

表2 中，“正?！贝頊y出來的電壓駐波比圖與圖1或者圖3類似，“異?！贝頊y出來的電壓駐波比圖與圖2或者圖4類似。

如表2所示，四種狀態(tài)下的故障點定位方法：表2中的狀態(tài)1說明天饋線系統(tǒng)無故障；表2中的狀態(tài)2說明故障點在a、b兩個點之間的饋線上，這時按順序，先檢查a、b點的接頭，確定接頭無異常后檢查饋線拐彎弧度比較小的部分；表2中的狀態(tài)3說明故障點在a、b兩個點之間的饋線或者是調(diào)配箱上。這時把b點接頭斷開，從a點再測量饋線開路狀態(tài)下的電壓駐波比圖，如果與圖4相似，可以進一步判斷為故障出現(xiàn)在調(diào)配箱，這時主要檢查b點調(diào)配箱接頭和c點調(diào)配箱接頭有無松動、虛接、腐蝕、斷裂等現(xiàn)象。如果天饋線開路狀態(tài)下的電壓駐波比圖與圖2類似，說明故障點在饋線上，處理辦法與狀態(tài)2相同；表2中的狀態(tài)4說明故障點在天線上，這時確保放電球距離符合標準后，優(yōu)先檢查連接調(diào)配箱與天線體的銅皮有無松動、虛接、腐蝕、斷裂等現(xiàn)象，尤其是調(diào)配箱與地網(wǎng)之間連接用的銅皮，因長時間在地下，容易造成腐蝕而導(dǎo)致接觸不良，排除故障時主意觀察。如果存在腐蝕、斷裂等現(xiàn)象，把連接點上的鐵銹清理干凈后，更換相同尺寸的銅皮。

3 駐波產(chǎn)生的原因和改善方法

駐波指的是振幅、頻率、傳播速度都相同的兩列波，在同一直線上沿相反方向傳播時疊加而形成的一種特殊的干涉現(xiàn)象。在廣播發(fā)射系統(tǒng)中，如果匹配良好，負載阻抗等于饋線特性阻抗，不產(chǎn)生反射，只有入射波，沒有反射波，饋線各處電信號的幅度相等，成行波狀態(tài)。如果匹配不好，負載阻抗不等于饋線的特性阻抗，將產(chǎn)生反射，此時電纜中既有入射波，也有反射波，入射波和反射波迭加，使得沿饋線中一定距離電壓或電流幅度呈周期性變化，某一些地方幅度最大，另一些地方幅度最小，形成駐波，幅度最大值和最小值之比就叫駐波比。行波狀態(tài)下，由于饋線各處電信號幅度相等，駐波比等于1，形成駐波后，駐波比總大于1 。實際工作中無法做到完全匹配，只能盡可能降低駐波比，把天饋線系統(tǒng)的駐波比控制在合理的范圍之內(nèi)。

對于短波廣播發(fā)射系統(tǒng)來說，駐波比是衡量發(fā)射系統(tǒng)匹配程度的另一個量[3]。圖5中的a、c兩個接觸點輸入側(cè)和輸出側(cè)的阻抗不匹配引起駐波，匹配程度越好，駐波比越小，發(fā)射系統(tǒng)效率越高，匹配成都越差，駐波比越大，發(fā)射系統(tǒng)的效率越低。a、c兩個點之間連接一個調(diào)配箱目的就是讓天線c點輸入阻抗、輸出阻抗相匹配，從而降低駐波比。通過調(diào)整調(diào)配箱電容的值可以調(diào)整c點輸出阻抗，調(diào)整時注意人體離天線不易很近，因為這會影響測出來的駐波比圖。對于寬帶短波天線，全頻段范圍之內(nèi)，很明顯很難做到全頻段內(nèi)所有頻率點上的電壓駐波比都符合要求，只能根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)的要求和分類，適當調(diào)整某一短波段的電壓駐波比，使該部發(fā)射機發(fā)射效率最佳。

4 結(jié)束語

根據(jù)10余年在小功率短波發(fā)射臺從事技術(shù)工作的經(jīng)驗，輻射頻率高的天饋線出現(xiàn)故障的幾率比輻射頻率低的天饋線出現(xiàn)故障的幾率高，其中，連接調(diào)配箱和天線的銅皮，尤其連接調(diào)配箱和地網(wǎng)的銅皮接觸點比較容易出現(xiàn)腐蝕，因此定期對天饋線系統(tǒng)進行檢查維護的同時，主意定期測量天饋線系統(tǒng)的電壓駐波比圖，并且仔細與前期保存的電壓駐波比圖進行比對，這樣可以比較客觀的把握天饋線狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)電壓駐波比指標變差，及時進行處理，這樣可以做到防患于未然，可以有效降低因天饋線系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的停播、劣播事故。