轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理及運(yùn)維探析

陳成輝

(國(guó)家廣電總局東南廣播電視維護(hù)中心，福建 福州 350107)

0 引言

目前，大功率短波天線的大量使用，有效壓制了境外電臺(tái)的空中滲透能力。在無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍有效滲透的情況下，境外電臺(tái)改變了滲透方式，轉(zhuǎn)向使用小功率電臺(tái)進(jìn)行不固定頻率、不固定范圍的多點(diǎn)滲透。針對(duì)這種新的形勢(shì)變化，架設(shè)使用一種能夠達(dá)到傳輸覆蓋“精準(zhǔn)高效”的新型天線，低成本的實(shí)現(xiàn)對(duì)境外電臺(tái)的反滲透有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義。轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線擁有高機(jī)動(dòng)、寬頻帶、中等增益等特性，使其作為中遠(yuǎn)程短波信號(hào)發(fā)射載體，能夠很好地滿足使用要求。

1 轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)上總體可以將天饋線系統(tǒng)分成支撐結(jié)構(gòu)及電氣結(jié)構(gòu)兩部分(見(jiàn)圖1)。支撐結(jié)構(gòu)主要由塔桅、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及其控制系統(tǒng)、天線桁架及其絕緣構(gòu)件等組成。電氣結(jié)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、50 Ω同軸傳輸電纜、不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器、集合線以及按照結(jié)構(gòu)周期率平行排列的對(duì)稱振子陣列等組成。

圖1 轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線工作原理及技術(shù)參數(shù)

2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線工作原理

2.1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線平臺(tái)工作原理

轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線平臺(tái)根據(jù)工作情況分成5個(gè)功能區(qū)。從高頻端到低頻端依次為電信號(hào)轉(zhuǎn)換區(qū)、傳輸區(qū)、輻射區(qū)、未激勵(lì)區(qū)、降低終端反射效應(yīng)功能區(qū)(見(jiàn)圖2)。其中傳輸區(qū)、輻射區(qū)、未激勵(lì)區(qū)的位置范圍會(huì)隨著輸入電信號(hào)頻率的變化在天線上前后移動(dòng)，保持天線的電性能不變。

圖2 對(duì)數(shù)周期天線工作平臺(tái)區(qū)劃

電信號(hào)轉(zhuǎn)換區(qū)：將發(fā)射機(jī)發(fā)出的不平衡電信號(hào)轉(zhuǎn)換成平衡電信號(hào)的區(qū)域稱為電信號(hào)轉(zhuǎn)換區(qū)。該區(qū)域主要安裝一臺(tái)巴倫(不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器)對(duì)傳輸中的不平衡電信號(hào)進(jìn)行平衡轉(zhuǎn)換后對(duì)天線幕饋電。

傳輸區(qū)：振子吸收激勵(lì)電流值小于1/3最大激勵(lì)電流值的區(qū)域稱為傳輸區(qū)。根據(jù)振子容抗與電信號(hào)頻率關(guān)系XC=1/(2πfc)，振子的容抗(XC)與輸入電信號(hào)的頻率(f)成反比，輸入的電信號(hào)頻率相對(duì)區(qū)域內(nèi)振子的工作頻率越低，振子的容抗越大，造成流向振子的激勵(lì)電流就越小，振子的輻射就越弱，可以忽略不計(jì)，使得絕大部分的激勵(lì)電流通過(guò)集合線流入輻射區(qū)。

輻射區(qū)：振子吸收激勵(lì)電流值大于等于1/3最大激勵(lì)電流值的兩個(gè)振子之間的區(qū)域定義為輻射區(qū)。將該區(qū)域中長(zhǎng)度接近1/2λ的振子設(shè)定為主要輻射振子，且該區(qū)域中的振子一般不少于3個(gè)，個(gè)數(shù)越多，天線的方向性就越強(qiáng)，天線的增益也會(huì)越高。

未激勵(lì)區(qū)：經(jīng)傳輸區(qū)流入輻射區(qū)的激勵(lì)電流幾乎被輻射區(qū)域中的振子全部吸收，并向空間輻射，使得輻射區(qū)往后的區(qū)域得到的激勵(lì)電流很小，振子的輻射很弱，可以忽略不計(jì)的區(qū)域定義為未激勵(lì)區(qū)[1]。

降低終端反射效應(yīng)功能區(qū)：未激勵(lì)區(qū)的存在大大消除了流經(jīng)該區(qū)域的剩余激勵(lì)電流，減弱了天線終端的反射效應(yīng)，但隨著天線使用頻率的降低，輻射區(qū)的位置會(huì)向低頻端移動(dòng)，未激勵(lì)區(qū)的范圍縮小，頻率越低，范圍越小，導(dǎo)致未激勵(lì)區(qū)消除剩余激勵(lì)電流的能力不斷下降，天線終端反射效應(yīng)隨之不斷增強(qiáng)，直接影響天線低頻端電性能指標(biāo)。因此，在天線低頻端處集合線末端自最長(zhǎng)振子饋點(diǎn)向外延長(zhǎng)一短支節(jié)，消除剩余激勵(lì)電流，降低天線終端反射效應(yīng)，確保天線低頻端的正常使用。

2.1.2 轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線通信原理

轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線在機(jī)械上采用閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程上位機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)天線幕在0°～360°水平面內(nèi)任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并固定指向預(yù)定目標(biāo)方向通信。在電氣上通過(guò)改變饋入天線的電信號(hào)頻率，激勵(lì)相應(yīng)輻射區(qū)內(nèi)的天線振子工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定方向上不同距離的目標(biāo)區(qū)域通信。對(duì)數(shù)周期天線工作平臺(tái)是按照結(jié)構(gòu)周期率平行排列的對(duì)稱振子陣列，所有的振子都處在同一水平高度，根據(jù)天線安裝高度與天線仰角的關(guān)系H=λ/4sinɑ(H：天線安裝高度，λ：電信號(hào)波長(zhǎng)，ɑ：天線發(fā)射仰角)，在天線安裝高度一樣的情況下，不同頻率的電信號(hào)對(duì)應(yīng)的相應(yīng)振子的發(fā)射仰角不同(見(jiàn)圖3)，高頻端天線振子的發(fā)射仰角低，天線通信距離更遠(yuǎn)，低頻端天線振子的發(fā)射仰角高，天線通信距離更近。

圖3 5.9～22 MHz轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線方向

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天饋線系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

天線的設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)天線的使用要求確定，一般情況下與設(shè)計(jì)天線時(shí)要達(dá)到的目標(biāo)要求相關(guān)，表1為5.9～22 MHz轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線主要指標(biāo)參數(shù)，從中可以看出，該副天線的設(shè)計(jì)頻率范圍為5.9～22 MHz，設(shè)計(jì)最大功率容量為20 kW，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)駐波比的要求為2.0，采用水平極化的方式發(fā)射電波，是一種8～12dBi中等增益的天線，傳輸線輸入阻抗為50 Ω，以IF110快速接口的形式對(duì)天線與同軸電纜、同軸電纜與發(fā)射機(jī)進(jìn)行有效連接。

表1 5.9～22 MHz轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線主要指標(biāo)參數(shù)

駐波比是衡量天饋線系統(tǒng)阻抗匹配程度的重要技術(shù)指標(biāo)，良好的阻抗匹配對(duì)天饋線系統(tǒng)至關(guān)重要。圖4為5.9～22 MHz轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線駐波比工程實(shí)測(cè)圖，從圖中可見(jiàn)，該天線的駐波比指標(biāo)低于2.0符合設(shè)計(jì)要求[2]。

圖4 5.9～22 MHz轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線駐波比工程實(shí)測(cè)

3 轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天饋線系統(tǒng)運(yùn)維探析

3.1 維護(hù)工作

在日常工作過(guò)程中要定期對(duì)天饋線系統(tǒng)做好巡查工作，主要通過(guò)目測(cè)的方法觀測(cè)天線振子拉線是否松動(dòng)，拉線端頭棒形絕緣子是否斷裂脫落、傳輸同軸電纜是否變形、天線各連接節(jié)點(diǎn)是否有打火現(xiàn)象、天線轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)是否順暢、了解發(fā)射機(jī)播出指標(biāo)是否異常等情況并做好記錄。

除了日常巡視外，根據(jù)對(duì)數(shù)周期天饋線系統(tǒng)特點(diǎn)，以一個(gè)季度為周期做好以下幾個(gè)方面的工作并進(jìn)行記錄。

塔桅垂直度監(jiān)測(cè)，使用經(jīng)緯儀測(cè)量塔桅垂直度，要求：塔身中心垂直傾斜≦1/1 500；塔桅拉線拉力監(jiān)測(cè)，使用拉力測(cè)試儀測(cè)量塔桅拉線拉力，并通過(guò)花蘭螺絲調(diào)整，要求：拉線拉力保持在初拉力80%～105%范圍內(nèi)；塔結(jié)構(gòu)檢查，目測(cè)法查看螺栓是否松動(dòng)，各結(jié)構(gòu)梁是否變形；桁架水平度監(jiān)測(cè)，使用全站儀測(cè)量桁架水平度，并通過(guò)支撐塔與桁架間的拉桿調(diào)整，要求：桁架中心水平偏差≦1/1 500；天饋線系統(tǒng)電氣指標(biāo)測(cè)試，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線駐波比指標(biāo)，要求：駐波比≦2；塔桅接地電阻測(cè)試，使用地阻儀測(cè)量塔桅接地電阻，要求：接地電阻≦5 Ω。

3.2 故障排查及解決方法

轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天饋線系統(tǒng)故障主要分閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障、天饋線系統(tǒng)電氣故障兩種。

3.2.1 閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障排查及解決方法

通過(guò)觀測(cè)天線桁架的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)判斷閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否損壞。若系統(tǒng)平臺(tái)不轉(zhuǎn)動(dòng)可判定閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損壞，這時(shí)需進(jìn)一步排查是軟件問(wèn)題還是硬件問(wèn)題。可將控制系統(tǒng)切換成手動(dòng)控制模式，測(cè)試平臺(tái)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，若轉(zhuǎn)動(dòng)則可判定為控制系統(tǒng)軟件出現(xiàn)問(wèn)題，重新安裝控制系統(tǒng)軟件即可解決問(wèn)題。若手動(dòng)模式下平臺(tái)仍不轉(zhuǎn)動(dòng)，則可判定驅(qū)動(dòng)硬件出現(xiàn)問(wèn)題，在排除旋轉(zhuǎn)平臺(tái)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳輸線路故障后，可判定步進(jìn)電機(jī)損壞，使用備件將其更換即可。故障修復(fù)完成后需對(duì)天線進(jìn)行重新找北，自動(dòng)控制軟件重新置零設(shè)置[3]。

3.2.2 天饋線系統(tǒng)電氣故障排查及解決方法

天饋線系統(tǒng)電氣故障分成天線系統(tǒng)電氣故障、饋電系統(tǒng)電氣故障兩部分。

(1)天線系統(tǒng)電氣故障排查及解決方法。

天線系統(tǒng)電氣故障排查分不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器、天線兩部分。

不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器故障排查：使用吊車通過(guò)吊籃將工作人員吊送至不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器處，將不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器入口端與同軸電纜的接頭打開(kāi)，出口端與集合線的連接斷開(kāi)，在出口端連接180歐姆碳膜電阻，通過(guò)IF110端口在入口端連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)是否異常，若發(fā)現(xiàn)指標(biāo)異常，則不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障，使用備件將其更換。

天線故障排查：通過(guò)180歐姆碳膜電阻進(jìn)行校準(zhǔn)，用夾子線接集合線端口進(jìn)行天線系統(tǒng)測(cè)試，查看網(wǎng)絡(luò)分析儀指標(biāo)是否異常，若指標(biāo)不穩(wěn)，跳動(dòng)厲害，可判定天線局部虛接。工作人員上桁架仔細(xì)檢查集合線、振子連接線等是否有螺栓松動(dòng)、打火等現(xiàn)象造成連接斷開(kāi)。若存在打火現(xiàn)象，在判定零件沒(méi)有損壞的前提下，使用砂紙將打火點(diǎn)打磨干凈后將螺栓緊固，若因打火造成零件損壞，則需使用備件將其更換。在故障排除過(guò)程中要特別注意對(duì)高頻端區(qū)域內(nèi)的天線振子與集合線連接節(jié)點(diǎn)的排查工作，根據(jù)傳輸區(qū)(高頻端經(jīng)常作為傳輸區(qū)使用)內(nèi)的天線振子相對(duì)激勵(lì)電流的輸入阻抗(容抗)很大的特點(diǎn)，在高電壓的作用下高頻端相較低頻端，振子兩端、絕緣子等被擊穿產(chǎn)生打火的概率更高。

(2)饋電系統(tǒng)電氣故障排查及解決方法。

饋電系統(tǒng)電氣故障的排查可遵循先整體再分段的原則進(jìn)行，即先對(duì)饋電系統(tǒng)進(jìn)行整體指標(biāo)測(cè)試，若出現(xiàn)故障再分段進(jìn)行測(cè)試。

整體測(cè)試饋電系統(tǒng)的電氣指標(biāo)：使用吊車通過(guò)吊籃將工作人員吊送至不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器處，將不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器下端與同軸電纜的接頭打開(kāi)，同時(shí)，地面工作人員將同軸電纜與發(fā)射機(jī)的接頭打開(kāi)，使用2 500 V的搖表對(duì)饋電系統(tǒng)整體的絕緣值進(jìn)行搖測(cè)。分別在饋電系統(tǒng)的一端接IF110-N變徑及50 Ω標(biāo)阻，另一端接IF110-N變徑及網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)測(cè)試。通過(guò)查看饋電系統(tǒng)的絕緣值指標(biāo)及網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)是否異常判定饋電系統(tǒng)是否故障，若排查發(fā)現(xiàn)饋電系統(tǒng)故障，可進(jìn)一步將饋電系統(tǒng)分段進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，以更加準(zhǔn)確的判定故障的部位。

分段測(cè)試饋電系統(tǒng)的電氣指標(biāo)：饋電系統(tǒng)以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為界，可分成上同軸電纜、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、下同軸電纜3個(gè)部分，其排查方法可按照以下步驟進(jìn)行。

在不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器下端與同軸電纜的接頭打開(kāi)，同軸電纜與發(fā)射機(jī)的接頭打開(kāi)的基礎(chǔ)上，再將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上端與上同軸電纜的接頭打開(kāi)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)下端與下同軸電纜的接頭打開(kāi)，使用2 500 V的搖表對(duì)各段同軸電纜、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的絕緣值進(jìn)行搖測(cè)，分別在各段同軸電纜、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的一端接IF110-N變徑及50 Ω標(biāo)阻，另一端接IF110-N變徑及網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)測(cè)試，通過(guò)分析各段同軸電纜及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的絕緣值指標(biāo)及網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)異?？梢耘卸ǔ霭l(fā)生故障的同軸電纜及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。排查出旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)故障，可直接使用備件將其更換，排查出同軸電纜為絕緣值故障，可使用備件將該段同軸電纜更換，排查出同軸電纜為網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)故障，就可以對(duì)排查出故障的同軸電纜繼續(xù)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的點(diǎn)延遲及故障功能進(jìn)行查找，確定發(fā)生故障的相應(yīng)范圍，現(xiàn)場(chǎng)查看同軸電纜結(jié)構(gòu)是否變形，若發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形可將變形段同軸電纜截?cái)?，使用過(guò)渡段通過(guò)電纜接頭對(duì)接修復(fù)，也可使用備件將整條同軸電纜更換。

3.2.3 天饋線系統(tǒng)恢復(fù)

各部分故障排查并修復(fù)完成后，將天饋線系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)恢復(fù)連接，并使用網(wǎng)絡(luò)分析儀將整個(gè)天饋線系統(tǒng)復(fù)測(cè)一遍，指標(biāo)正常后將同軸電纜端頭與發(fā)射機(jī)恢復(fù)連接。在對(duì)天饋線系統(tǒng)復(fù)測(cè)過(guò)程中嚴(yán)禁使用2 500 V的搖表對(duì)整個(gè)天饋線系統(tǒng)進(jìn)行絕緣值搖測(cè)，以免燒毀不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器。

4 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)數(shù)周期天線作為一種新型的發(fā)射天線，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理與其他類型的天線相比要復(fù)雜許多。這就要求維護(hù)人員有較高的知識(shí)儲(chǔ)備，熟悉天線的相關(guān)性能，特別是在沒(méi)有足夠維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的情況下，要做好日常維護(hù)，快速排查修復(fù)故障，具有一定難度，有時(shí)甚至無(wú)從下手。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)天饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理的學(xué)習(xí)，不斷總結(jié)完善維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，以便更好地勝任工作。