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      淺談小功率短波發(fā)射臺天饋線系統(tǒng)故障分析

      2021-11-28 12:22:16吾買爾江麥麥提
      電子制作 2021年20期
      關(guān)鍵詞:駐波比短波調(diào)配

      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。

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