民航甚高頻系統(tǒng)天饋線駐波比過大的故障分析與排查

洪利科

（中國民用航空湛江空中交通管理站，廣東 湛江 524002）

1 概述

安全是民航業(yè)發(fā)展永恒的主題。所謂民航發(fā)展，空管先行。一張張繁忙的空中交通網(wǎng)絡(luò)交錯縱橫，一架架航班在空中交錯但有序地飛行著，背后離不開空中交通管制。可以說，空中交通管制是空中交通秩序的維持者，是航路上航班的引導(dǎo)者。在實施空中交通管制時，管制員與機組是通過甚高頻無線電進(jìn)行通信。因此，甚高頻設(shè)備是實現(xiàn)空中交通管制的基礎(chǔ)，是管制員與飛行員之間的“傳聲筒”，在保障飛行安全中發(fā)揮著不可或缺的作用。作為民航空管設(shè)備保障部門，保障甚高頻設(shè)備正常運行、維持地空通信有效暢通是他們的神圣職責(zé)[1]。

2 地空通信在民航空管系統(tǒng)中的實現(xiàn)

2.1 民航甚高頻系統(tǒng)地空通信系統(tǒng)概述

民航地空通信采用甚高頻（VHF）通信，頻段在118MHz—136.975MHz，頻率間隔為25kHz（國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)）[2]。當(dāng)空中交通管制員在管制席位上按下PTT（push to talk）手柄發(fā)話時，管制指令音頻信號通過席位傳到內(nèi)話系統(tǒng)，內(nèi)話系統(tǒng)傳到傳輸設(shè)備，由傳輸設(shè)備傳到臺站，到達(dá)臺站PAE甚高頻發(fā)射機內(nèi)部。在經(jīng)過AM 調(diào)制、放大、濾波等一系列處理后，已調(diào)制的無線電信號從單機射頻口輸出，經(jīng)過濾波器組和天饋線后發(fā)射到空中[3]。無線電在空中被機載接收機接收后，解調(diào)成音頻信號，被機組識別。地空通信的接收流程反之亦然，機組應(yīng)答信號經(jīng)過AM調(diào)制，在空中由機載發(fā)射機以特定頻率下發(fā)，被空管甚高頻系統(tǒng)天線接收后，傳到接收機進(jìn)行濾波、放大、混頻、檢波等一系列處理，輸出音頻信號[4]。音頻信號經(jīng)過傳輸設(shè)備、內(nèi)話系統(tǒng)到達(dá)管制席位，在耳機輸出，被管制員所聽。甚高頻在空中的傳播特性類似于光波，具有直線傳播的特性，其繞射能力比較差，為視距范圍內(nèi)的通信，傳播過程中容易受到地形、磁場、大氣等外界因素的影響而有所衰減。

湛江高坳嶺雷達(dá)站PAE 甚高頻發(fā)射機雙機系統(tǒng)的信號傳輸圖如下：

圖1 PAE甚高頻發(fā)射機雙機系統(tǒng)的信號傳輸圖

湛江高坳嶺雷達(dá)站甚高頻地空通信設(shè)備采用英國PAE公司生產(chǎn)的T6系列設(shè)備，收發(fā)信機分開。PAE甚高頻地空通信系統(tǒng)為主備機共用天線系統(tǒng)，共分布有八信道。每個機柜配置四信道主備機，因此共有兩個發(fā)射機柜，兩個接收機柜。如圖所示，為一個發(fā)射機柜的信號傳輸流程。可以知道，當(dāng)管制員發(fā)出管制指令，音頻信號（Audio）經(jīng)過內(nèi)話到傳輸設(shè)備，由傳輸設(shè)備傳到臺站PAE發(fā)射機（T6T）單機。音頻信號（Audio）在單機內(nèi)部進(jìn)行AM 調(diào)制、放大、濾波等處理后，已調(diào)制的無線電信號從單機射頻口輸出，依次經(jīng)過射頻繼電器、隔離器（Isolator）、腔體濾波器(Filter)、多路耦合器、1/2 饋線、避雷器、7/8 饋線至天線，最終從天線端發(fā)射出去[3]。

2.2 匹配的概念

在解釋駐波比之前，先了解匹配的相關(guān)概念。當(dāng)饋線終端所接負(fù)載阻抗ZL等于饋線特性阻抗Z0時，稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波。因此，當(dāng)天線作為終端負(fù)載時，匹配狀態(tài)下能保證天線取得全部信號功率。當(dāng)天線阻抗為50歐時，與50歐的電纜是匹配的，而當(dāng)天線阻抗為75歐時，與50歐的電纜是不匹配的。在不匹配的情況下,饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin，形成波節(jié)。其他各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。

反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為R

式中，ZL為負(fù)載阻抗（Ω），Z0為饋線特性阻抗（Ω）。

當(dāng)阻抗匹配時，負(fù)載阻抗等于饋線特性阻抗，此時反射系數(shù)R為零，系統(tǒng)不存在反射波。

2.3 駐波比的概念

在無線電傳輸過程中，無線電波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio），記為VSWR。計算公式如下：

式中，R 為反射系數(shù)，Pi為入射功率（W），Pr為反射功率（W）。

VSWR 是衡量系統(tǒng)部件阻抗匹配度的一個重要參數(shù)。由公式可知，VSWR 大于或等于1。當(dāng)VSWR為1時，表示天線系統(tǒng)匹配良好，完全沒有反射，所有無線電功率從天線端發(fā)射出去，是最理想的傳輸狀態(tài)，而在實際工程中只能做到VSWR無限接近1。VSWR 越大則意味著匹配狀況越差，系統(tǒng)中存在越大的反射波，天線端輸出的功率越小，是工程應(yīng)用中不理想的情況。根據(jù)中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MH/T 4001.1-2016）甚高頻地空通信地面系統(tǒng)第一部分：話音通信系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求，天線駐波比應(yīng)小于等于2.0[2]。在實際工程安裝應(yīng)用中，一般將天饋線駐波比控制在1.5以下。

3 天饋線駐波比過大的分析與排查過程

3.1 天饋線駐波比過大的發(fā)現(xiàn)

在一次湛江高坳嶺雷達(dá)站PAE 甚高頻設(shè)備的年維護(hù)中，維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)，用FSH4網(wǎng)絡(luò)分析儀在發(fā)射機柜背面多路耦合器出線端對天饋線的駐波比進(jìn)行檢測時，天饋線的駐波比明顯偏大。如圖2所示，維護(hù)人員在網(wǎng)絡(luò)分析儀上隨機標(biāo)注了幾個頻點，駐波比均處于3.42～3.43之間，嚴(yán)重不滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（小于2.0）。

圖2 天饋線駐波比偏大的測量圖

3.2 天饋線駐波比過大的危害分析

甚高頻（VHF）在空中的傳播方式為直射傳播，也叫視距傳播。按照視距傳播極限距離的計算公式：

式中，h1為飛機高度（m），h2為天線高度（m），s為傳播距離（km）

在飛機巡航階段，飛機高度h1 遠(yuǎn)大于天線高度h2。可知，當(dāng)飛機巡航高度為10000m時，視距傳播距離大約在412km。

當(dāng)PAE 發(fā)射機輸出載波功率POT設(shè)置為10W，調(diào)制度ma設(shè)置為90%時，發(fā)射機單機輸出功率：

根據(jù)中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MH/T 4001.1-2016）甚高頻地空通信地面系統(tǒng)第一部分：話音通信系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求，甚高頻共用系統(tǒng)發(fā)射濾波器組及射頻配線（僅單腔濾波器時）插入損耗小于或等于3.5dB，全向天線增益大于或等于2.15dBi[2]。

假設(shè)發(fā)射濾波器組的衰減為3.5dB，全向天線增益為2.15dBi，可以算出，天線端輻射出去的功率約為：

根據(jù)駐波比的定義公式，當(dāng)駐波比為3.4時，輻射功率：10.30 × 0.702 = 7.23W≈38.59dBm

當(dāng)駐波比為1.5時（工程要求），輻射功率：

兩者功率相差：

根據(jù)無線電波在自由空間的傳播損耗（L）公式：

式中：f 為工作頻率（MHz），d 為收發(fā)天線距離（km），L為傳播損耗值（dB）

假定管制頻率為120MHz，距離412km的飛機，覆蓋受自由空間損耗的限制，1.36的差值等效于覆蓋距離由412km減少到352km，嚴(yán)重減小了覆蓋距離。

3.3 駐波比過大的排查

按照射頻信號的傳輸路徑。從發(fā)射機柜背面多路耦合器出來，依次經(jīng)過1/2饋線、防雷器、7/8饋線到達(dá)天線。經(jīng)過路徑如下圖所示：

按照傳輸路徑，多路耦合器出來處測得天饋線駐波比過大，說明后端的傳輸以及負(fù)載部分存在阻抗不匹配情況。

從多路耦合器出發(fā)，依次測試各個點的駐波比，結(jié)果如下圖所示：

技術(shù)人員采用分段排查的方法，在已知多路耦合器出線端（即1/2 饋線輸入端）處駐波比偏大的情況下，決定在下一測量點進(jìn)行測量。技術(shù)人員在防雷器輸入端測量，發(fā)現(xiàn)駐波比依然是3.4左右，故可以判斷1/2 饋線端傳輸沒有問題，故障出現(xiàn)在后級。技術(shù)人員繼續(xù)在防雷器后級（即7/8 饋線輸入端）測量駐波比，發(fā)現(xiàn)仍是3.4 左右，故說明防雷器端沒有問題，故障可以定位到7/8 饋線和天線處，此時故障的定位范圍進(jìn)一步縮小。技術(shù)人員在天線端排查時，擰松7/8饋線與天線的接口，發(fā)現(xiàn)接口處有大量積水殘留，在排清積水后，測得駐波比在1.1～1.2 之間。隨機抽取幾個頻點的駐波比，駐波比分別為1.15、1.11、1.11、1.16，如圖3 所示，均符合技術(shù)規(guī)范要求。至此，故障排查工作順利完成。

圖3 天饋線駐波比正常的測量圖

4 日常維護(hù)中如何避免VSWR 過大對甚高頻地空通信系統(tǒng)的影響

在民航甚高頻地空通信系統(tǒng)中，天饋線的VSWR過大，會對天線端輸出功率造成影響，減小輸出功率，從而影響地空通信的有效作用范圍，威脅飛行安全，具體的危害分析已經(jīng)在前文通過計算講述清楚。作為空管設(shè)備技術(shù)保障部門，應(yīng)當(dāng)高度重視檢查天饋線駐波比的變化，確保其保持在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，保障地空通信持續(xù)有效。為了避免VSWR過大對地空通信造成影響，在日常工作中，筆者認(rèn)為，應(yīng)該盡可能做到以下幾點：

1）保持敏銳嗅覺，提高警惕，關(guān)注設(shè)備運行情況，做好不正常事件的“吹哨人”。

2）在工程建設(shè)時期，應(yīng)該嚴(yán)格把關(guān)甚高頻設(shè)備安裝過程，確保每一個接頭連接穩(wěn)固，并且在室外單元接口處做好防水措施。

3）制定定期維護(hù)檢查清單，定期測量多路耦合器出線端到天線的駐波比，確保數(shù)值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

4）總結(jié)情況，對近幾年出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行歸類分析，總結(jié)本地區(qū)容易出現(xiàn)的狀況，后期針對處理[5]。

5 總結(jié)

VSWR 是民航甚高頻地空通信系統(tǒng)的一項重要參數(shù)。本文關(guān)于天饋線駐波比過大的分析與排查，最終把原因歸結(jié)為天線接口處進(jìn)水。值得一提的是，本次故障排查過程中，采用分段測量法逐步縮小故障點范圍，實現(xiàn)快速定位故障點，縮小設(shè)備故障反應(yīng)時間，及時恢復(fù)設(shè)備正常工作。該案例對今后其他地區(qū)出現(xiàn)類似情況的故障排查具有參考借鑒價值。