淺談小功率短波發射臺天饋線系統故障分析

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射臺使用的主流天線，該類天線用50Ω的饋線與短波發射機相連接[1]。天饋線的性能對于廣播發射臺站覆蓋效果有著至關重要的作用，尤其是天饋線系統的電壓駐波比（VSWR）指標對發射效率影響極大，當電壓駐波比（VSWR）過大時，為了保證滿功率播出，發射機會出現負荷過重，甚至可能會導致發射機功率放大單元、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，不像發射機房，不能嚴格控制溫度、濕度等環境因素，因此天饋線系統是發射臺站最容易受到環境因素的薄弱環節。因此，想確保發射臺站的安全播出，做好天饋線系統的日常維護和調試工作顯得尤為重要。

1 電壓駐波比（VSWR）及其對發射效率的影響

電壓駐波比（VSWR）是指駐波波腹電壓與波節電壓幅度之比，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，假設滿功率要求9kW，此時發射機實際輸出功率10kW，換言之，此時發射機額外輸出1kW的功率才能達到9kW的滿功率播出，發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，可根據發射機功率放大單元最大輸出功率Pm和發射臺站滿功率Pf要求來確定。Pm代表該部發射機功率放大單元最大輸出功率，因此下面不等式成立。

假設該部發射機功率放大單元最大輸出功率Pm=3kW，發射臺站滿功率要求Pf=2kW，那么允許最大反射功率Prm=Pm-Pf=1kW，根據公式（1）計算出該頻率點上的最大電壓駐波比不應該高于5.828。當然這是不考慮發射系統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，天饋線系統該頻率點上的電壓駐波比應該比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，發射機負荷變大，從而導致整個發射系統發射效率降低。也就是說，為了達到同樣的輸出功率，電壓駐波比大的發射系統中的發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、產生額外的電能浪費、在極端情況下，破壞發射系統。因此可以得出結論，廣播發射系統產生的駐波，對發射系統沒有任何好處。所以，小功率短波發射臺中，應盡量降低天饋線系統的電壓駐波比指標。

2 測量天饋線系統電壓駐波比（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，可以測量天饋線電壓駐波比（VSWR）[2]。針對小功率短波發射臺，調整合適的頻率范圍，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下呈現不同的駐波比值，而且駐波比值基本保持在2.0以下。如圖2所示，天饋線系統駐波比雖然在不同的頻率狀態下呈現不同的駐波比值，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致的。在這種狀態下可以根據公式（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的發射機，實際輸出功率應該達到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，從天饋線系統不同的關鍵點掃描天饋線系統的駐波比圖，根據駐波比曲線，可以判斷天饋線系統的故障點。圖5為小功率短波發射臺天饋線系統的關鍵點示意圖。

圖5 小功率短波發射臺天饋線系統關鍵點示意圖

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

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，根據三個點測量出來的駐波比圖，可以判斷天饋線系統的故障部位。根據測量的駐波比圖的，故障部位判斷如表2所示。

表2 天饋線系統各關鍵點測量的駐波比圖狀態表

表2 中，“正常”代表測出來的電壓駐波比圖與圖1或者圖3類似，“異常”代表測出來的電壓駐波比圖與圖2或者圖4類似。

如表2所示，四種狀態下的故障點定位方法：表2中的狀態1說明天饋線系統無故障；表2中的狀態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3說明故障點在a、b兩個點之間的饋線或者是調配箱上。這時把b點接頭斷開，從a點再測量饋線開路狀態下的電壓駐波比圖，如果與圖4相似，可以進一步判斷為故障出現在調配箱，這時主要檢查b點調配箱接頭和c點調配箱接頭有無松動、虛接、腐蝕、斷裂等現象。如果天饋線開路狀態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2相同；表2中的狀態4說明故障點在天線上，這時確保放電球距離符合標準后，優先檢查連接調配箱與天線體的銅皮有無松動、虛接、腐蝕、斷裂等現象，尤其是調配箱與地網之間連接用的銅皮，因長時間在地下，容易造成腐蝕而導致接觸不良，排除故障時主意觀察。如果存在腐蝕、斷裂等現象，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象。在廣播發射系統中，如果匹配良好，負載阻抗等于饋線特性阻抗，不產生反射，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。如果匹配不好，負載阻抗不等于饋線的特性阻抗，將產生反射，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，把天饋線系統的駐波比控制在合理的范圍之內。

對于短波廣播發射系統來說，駐波比是衡量發射系統匹配程度的另一個量[3]。圖5中的a、c兩個接觸點輸入側和輸出側的阻抗不匹配引起駐波，匹配程度越好，駐波比越小，發射系統效率越高，匹配成都越差，駐波比越大，發射系統的效率越低。a、c兩個點之間連接一個調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。通過調整調配箱電容的值可以調整c點輸出阻抗，調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，很明顯很難做到全頻段內所有頻率點上的電壓駐波比都符合要求，只能根據發射系統的要求和分類，適當調整某一短波段的電壓駐波比，使該部發射機發射效率最佳。

4 結束語

根據10余年在小功率短波發射臺從事技術工作的經驗，輻射頻率高的天饋線出現故障的幾率比輻射頻率低的天饋線出現故障的幾率高，其中，連接調配箱和天線的銅皮，尤其連接調配箱和地網的銅皮接觸點比較容易出現腐蝕，因此定期對天饋線系統進行檢查維護的同時，主意定期測量天饋線系統的電壓駐波比圖，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，若發現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故障而導致的停播、劣播事故。