轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理及運維探析

陳成輝

(國家廣電總局東南廣播電視維護中心，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的空中滲透能力。在無法實現(xiàn)大范圍有效滲透的情況下，境外電臺改變了滲透方式，轉(zhuǎn)向使用小功率電臺進行不固定頻率、不固定范圍的多點滲透。針對這種新的形勢變化，架設使用一種能夠達到傳輸覆蓋“精準高效”的新型天線，低成本的實現(xiàn)對境外電臺的反滲透有著很重要的現(xiàn)實意義。轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線擁有高機動、寬頻帶、中等增益等特性，使其作為中遠程短波信號發(fā)射載體，能夠很好地滿足使用要求。

1 轉(zhuǎn)動對數(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(見圖1)。支撐結(jié)構(gòu)主要由塔桅、旋轉(zhuǎn)平臺及其控制系統(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稱振子陣列等組成。

圖1 轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線工作原理及技術(shù)參數(shù)

2.1 轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線工作原理

2.1.1 轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線平臺工作原理

轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線平臺根據(jù)工作情況分成5個功能區(qū)。從高頻端到低頻端依次為電信號轉(zhuǎn)換區(qū)、傳輸區(qū)、輻射區(qū)、未激勵區(qū)、降低終端反射效應功能區(qū)(見圖2)。其中傳輸區(qū)、輻射區(qū)、未激勵區(qū)的位置范圍會隨著輸入電信號頻率的變化在天線上前后移動，保持天線的電性能不變。

圖2 對數(shù)周期天線工作平臺區(qū)劃

電信號轉(zhuǎn)換區(qū)：將發(fā)射機發(fā)出的不平衡電信號轉(zhuǎn)換成平衡電信號的區(qū)域稱為電信號轉(zhuǎn)換區(qū)。該區(qū)域主要安裝一臺巴倫(不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器)對傳輸中的不平衡電信號進行平衡轉(zhuǎn)換后對天線幕饋電。

傳輸區(qū)：振子吸收激勵電流值小于1/3最大激勵電流值的區(qū)域稱為傳輸區(qū)。根據(jù)振子容抗與電信號頻率關(guān)系XC=1/(2πfc)，振子的容抗(XC)與輸入電信號的頻率(f)成反比，輸入的電信號頻率相對區(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電流就越小，振子的輻射就越弱，可以忽略不計，使得絕大部分的激勵電流通過集合線流入輻射區(qū)。

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

未激勵區(qū)：經(jīng)傳輸區(qū)流入輻射區(qū)的激勵電流幾乎被輻射區(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)域得到的激勵電流很小，振子的輻射很弱，可以忽略不計的區(qū)域定義為未激勵區(qū)[1]。

降低終端反射效應功能區(qū)：未激勵區(qū)的存在大大消除了流經(jīng)該區(qū)域的剩余激勵電流，減弱了天線終端的反射效應，但隨著天線使用頻率的降低，輻射區(qū)的位置會向低頻端移動，未激勵區(qū)的范圍縮小，頻率越低，范圍越小，導致未激勵區(qū)消除剩余激勵電流的能力不斷下降，天線終端反射效應隨之不斷增強，直接影響天線低頻端電性能指標。因此，在天線低頻端處集合線末端自最長振子饋點向外延長一短支節(jié)，消除剩余激勵電流，降低天線終端反射效應，確保天線低頻端的正常使用。

2.1.2 轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線通信原理

轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線在機械上采用閉環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)，通過遠程上位機控制，實現(xiàn)天線幕在0°～360°水平面內(nèi)任意方向轉(zhuǎn)動，并固定指向預定目標方向通信。在電氣上通過改變饋入天線的電信號頻率，激勵相應輻射區(qū)內(nèi)的天線振子工作，實現(xiàn)對預定方向上不同距離的目標區(qū)域通信。對數(shù)周期天線工作平臺是按照結(jié)構(gòu)周期率平行排列的對稱振子陣列，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：電信號波長，ɑ：天線發(fā)射仰角)，在天線安裝高度一樣的情況下，不同頻率的電信號對應的相應振子的發(fā)射仰角不同(見圖3)，高頻端天線振子的發(fā)射仰角低，天線通信距離更遠，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)動對數(shù)周期天線方向

2.2 轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天饋線系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

天線的設計參數(shù)根據(jù)天線的使用要求確定，一般情況下與設計天線時要達到的目標要求相關(guān)，表1為5.9～22 MHz轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線主要指標參數(shù)，從中可以看出，該副天線的設計頻率范圍為5.9～22 MHz，設計最大功率容量為20 kW，設計時對駐波比的要求為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快速接口的形式對天線與同軸電纜、同軸電纜與發(fā)射機進行有效連接。

表1 5.9～22 MHz轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線主要指標參數(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，良好的阻抗匹配對天饋線系統(tǒng)至關(guān)重要。圖4為5.9～22 MHz轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線駐波比工程實測圖，從圖中可見，該天線的駐波比指標低于2.0符合設計要求[2]。

圖4 5.9～22 MHz轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天線駐波比工程實測

3 轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天饋線系統(tǒng)運維探析

3.1 維護工作

在日常工作過程中要定期對天饋線系統(tǒng)做好巡查工作，主要通過目測的方法觀測天線振子拉線是否松動，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)點是否有打火現(xiàn)象、天線轉(zhuǎn)動平臺轉(zhuǎn)動是否順暢、了解發(fā)射機播出指標是否異常等情況并做好記錄。

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

塔桅垂直度監(jiān)測，使用經(jīng)緯儀測量塔桅垂直度，要求：塔身中心垂直傾斜≦1/1 500；塔桅拉線拉力監(jiān)測，使用拉力測試儀測量塔桅拉線拉力，并通過花蘭螺絲調(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，目測法查看螺栓是否松動，各結(jié)構(gòu)梁是否變形；桁架水平度監(jiān)測，使用全站儀測量桁架水平度，并通過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)電氣指標測試，使用網(wǎng)絡分析儀測試天線駐波比指標，要求：駐波比≦2；塔桅接地電阻測試，使用地阻儀測量塔桅接地電阻，要求：接地電阻≦5 Ω。

3.2 故障排查及解決方法

轉(zhuǎn)動對數(shù)周期天饋線系統(tǒng)故障主要分閉環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)故障、天饋線系統(tǒng)電氣故障兩種。

3.2.1 閉環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)故障排查及解決方法

通過觀測天線桁架的轉(zhuǎn)動來判斷閉環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)是否損壞。若系統(tǒng)平臺不轉(zhuǎn)動可判定閉環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)損壞，這時需進一步排查是軟件問題還是硬件問題。可將控制系統(tǒng)切換成手動控制模式，測試平臺是否轉(zhuǎn)動，若轉(zhuǎn)動則可判定為控制系統(tǒng)軟件出現(xiàn)問題，重新安裝控制系統(tǒng)軟件即可解決問題。若手動模式下平臺仍不轉(zhuǎn)動，則可判定驅(qū)動硬件出現(xiàn)問題，在排除旋轉(zhuǎn)平臺齒輪傳動機構(gòu)、傳輸線路故障后，可判定步進電機損壞，使用備件將其更換即可。故障修復完成后需對天線進行重新找北，自動控制軟件重新置零設置[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，出口端與集合線的連接斷開，在出口端連接180歐姆碳膜電阻，通過IF110端口在入口端連接網(wǎng)絡分析儀，測量網(wǎng)絡指標是否異常，若發(fā)現(xiàn)指標異常，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180歐姆碳膜電阻進行校準，用夾子線接集合線端口進行天線系統(tǒng)測試，查看網(wǎng)絡分析儀指標是否異常，若指標不穩(wěn)，跳動厲害，可判定天線局部虛接。工作人員上桁架仔細檢查集合線、振子連接線等是否有螺栓松動、打火等現(xiàn)象造成連接斷開。若存在打火現(xiàn)象，在判定零件沒有損壞的前提下，使用砂紙將打火點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。在故障排除過程中要特別注意對高頻端區(qū)域內(nèi)的天線振子與集合線連接節(jié)點的排查工作，根據(jù)傳輸區(qū)(高頻端經(jīng)常作為傳輸區(qū)使用)內(nèi)的天線振子相對激勵電流的輸入阻抗(容抗)很大的特點，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行，即先對饋電系統(tǒng)進行整體指標測試，若出現(xiàn)故障再分段進行測試。

整體測試饋電系統(tǒng)的電氣指標：使用吊車通過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，同時，地面工作人員將同軸電纜與發(fā)射機的接頭打開，使用2 500 V的搖表對饋電系統(tǒng)整體的絕緣值進行搖測。分別在饋電系統(tǒng)的一端接IF110-N變徑及50 Ω標阻，另一端接IF110-N變徑及網(wǎng)絡分析儀進行網(wǎng)絡指標測試。通過查看饋電系統(tǒng)的絕緣值指標及網(wǎng)絡指標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，可進一步將饋電系統(tǒng)分段進行指標測試，以更加準確的判定故障的部位。

分段測試饋電系統(tǒng)的電氣指標：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個部分，其排查方法可按照以下步驟進行。

在不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器下端與同軸電纜的接頭打開，同軸電纜與發(fā)射機的接頭打開的基礎上，再將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上端與上同軸電纜的接頭打開、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)下端與下同軸電纜的接頭打開，使用2 500 V的搖表對各段同軸電纜、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的絕緣值進行搖測，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標阻，另一端接IF110-N變徑及網(wǎng)絡分析儀進行網(wǎng)絡指標測試，通過分析各段同軸電纜及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的絕緣值指標及網(wǎng)絡指標，發(fā)現(xiàn)異常可以判定出發(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)絡指標故障，就可以對排查出故障的同軸電纜繼續(xù)使用網(wǎng)絡分析儀的點延遲及故障功能進行查找，確定發(fā)生故障的相應范圍，現(xiàn)場查看同軸電纜結(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斷，使用過渡段通過電纜接頭對接修復，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

各部分故障排查并修復完成后，將天饋線系統(tǒng)各節(jié)點恢復連接，并使用網(wǎng)絡分析儀將整個天饋線系統(tǒng)復測一遍，指標正常后將同軸電纜端頭與發(fā)射機恢復連接。在對天饋線系統(tǒng)復測過程中嚴禁使用2 500 V的搖表對整個天饋線系統(tǒng)進行絕緣值搖測，以免燒毀不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器。

4 結(jié)語

轉(zhuǎn)動對數(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雜許多。這就要求維護人員有較高的知識儲備，熟悉天線的相關(guān)性能，特別是在沒有足夠維護經(jīng)驗的情況下，要做好日常維護，快速排查修復故障，具有一定難度，有時甚至無從下手。因此，有必要加強對天饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理的學習，不斷總結(jié)完善維護經(jīng)驗，以便更好地勝任工作。