浅谈小功率短波发射台天馈线系统故障分析

吾买尔江·麦麦提

（新疆广播电视局9166台，新疆莎车，844700）

0 引言

笼型全向短波天线是目前小功率短波发射台使用的主流天线，该类天线用50Ω的馈线与短波发射机相连接[1]。天馈线的性能对于广播发射台站覆盖效果有着至关重要的作用，尤其是天馈线系统的电压驻波比（VSWR）指标对发射效率影响极大，当电压驻波比（VSWR）过大时，为了保证满功率播出，发射机会出现负荷过重，甚至可能会导致发射机功率放大单元、电源部分故障。可见，电压驻波比（VSWR）是衡量天馈线系统性能的重要指标，而且天馈线一般情况下均裸露在室外，不像发射机房，不能严格控制温度、湿度等环境因素，因此天馈线系统是发射台站最容易受到环境因素的薄弱环节。因此，想确保发射台站的安全播出，做好天馈线系统的日常维护和调试工作显得尤为重要。

1 电压驻波比（VSWR）及其对发射效率的影响

电压驻波比（VSWR）是指驻波波腹电压与波节电压幅度之比，也可以用以下等式表示驻波比：

其中，VSWR电压驻波比，Pr反射功率，Po入射功率，VSWR最小值为1。

在不考虑其他损耗的前提下，根据上式可以换算出，当电压驻波比等于2时，Po=9Pr。此时，为了满功率播出，假设满功率要求9kW，此时发射机实际输出功率10kW，换言之，此时发射机额外输出1kW的功率才能达到9kW的满功率播出，发射机功率放大单元多1kW的负荷。

天馈线某一个频率点上的最大驻波比，可根据发射机功率放大单元最大输出功率Pm和发射台站满功率Pf要求来确定。Pm代表该部发射机功率放大单元最大输出功率，因此下面不等式成立。

假设该部发射机功率放大单元最大输出功率Pm=3kW，发射台站满功率要求Pf=2kW，那么允许最大反射功率Prm=Pm-Pf=1kW，根据公式（1）计算出该频率点上的最大电压驻波比不应该高于5.828。当然这是不考虑发射系统中的谐波滤波器以及线路的其他损耗时的理论值，实际工作中，天馈线系统该频率点上的电压驻波比应该比5.828还要小。

表1 电压驻波比（VSWR)与反射功率和输出功率比的关系表

由此可见，随着电压驻波比（VSWR）的增大，反射功率所占的比例增大，为了满足满功率要求，发射机负荷变大，从而导致整个发射系统发射效率降低。也就是说，为了达到同样的输出功率，电压驻波比大的发射系统中的发射机需要输出更多的功率，而且这多出来的功率无法通过发射天线有效辐射出去，以反射波得形式存在，它的作用是抵消输出功率、产生额外的电能浪费、在极端情况下，破坏发射系统。因此可以得出结论，广播发射系统产生的驻波，对发射系统没有任何好处。所以，小功率短波发射台中，应尽量降低天馈线系统的电压驻波比指标。

2 测量天馈线系统电压驻波比（VSWR）和故障部位判断

安立Site Master S331E紧凑型手持式电缆与天线分析仪2MHz~4GHz的范围内，可以测量天馈线电压驻波比（VSWR）[2]。针对小功率短波发射台，调整合适的频率范围，并且利用安立校准配件（型号为ICN50B）进行一次校准，图1~4为各种典型状态下的驻波比图示例。

如图1所示，正常情况下的天馈线驻波比在不同的频率状态下呈现不同的驻波比值，而且驻波比值基本保持在2.0以下。如图2所示，天馈线系统驻波比虽然在不同的频率状态下呈现不同的驻波比值，但是驻波比值普遍远高于2，基本在20-50之间，其中值得一提的是，出现两个频率点上的异常值，是因为空中存在同频电磁波或者谐波导致的。在这种状态下可以根据公式（1）计算出反射功率和输出功率比值在0.819~0.923 ，按0.923计算，一部满功率要求为10kW的发射机，实际输出功率应该达到19.23kW时才能达到满功率要求10kW的，满功率工作时，此时发射机功率放大单元负荷几乎翻了一番，极有可能因超负荷工作而出现故障。如图3所示，校准器理论上是理想的负载，因此各频率点上的驻波比值几乎等于1 。图4中，当天馈线出现开路时，与图3相反，各频率点上的驻波比值非常大。

图1 天馈线正常时驻波比图

图2 天馈线故障时驻波比图

图3 校准时的驻波比图

图4 馈线开路时的驻波比图

实际工作当中，使用安立Site Master S331E紧凑型手持式电缆与天线分析仪，从天馈线系统不同的关键点扫描天馈线系统的驻波比图，根据驻波比曲线，可以判断天馈线系统的故障点。图5为小功率短波发射台天馈线系统的关键点示意图。

图5 小功率短波发射台天馈线系统关键点示意图

其中，a点为馈线与发射机连接处，b点为馈线与调配箱连接出，c点为调配箱与天线连接处。

排查天馈线故障部位的基本方法是，将分析仪分别连接a，b，c三个点，根据三个点测量出来的驻波比图，可以判断天馈线系统的故障部位。根据测量的驻波比图的，故障部位判断如表2所示。

表2 天馈线系统各关键点测量的驻波比图状态表

表2 中，“正常”代表测出来的电压驻波比图与图1或者图3类似，“异常”代表测出来的电压驻波比图与图2或者图4类似。

如表2所示，四种状态下的故障点定位方法：表2中的状态1说明天馈线系统无故障；表2中的状态2说明故障点在a、b两个点之间的馈线上，这时按顺序，先检查a、b点的接头，确定接头无异常后检查馈线拐弯弧度比较小的部分；表2中的状态3说明故障点在a、b两个点之间的馈线或者是调配箱上。这时把b点接头断开，从a点再测量馈线开路状态下的电压驻波比图，如果与图4相似，可以进一步判断为故障出现在调配箱，这时主要检查b点调配箱接头和c点调配箱接头有无松动、虚接、腐蚀、断裂等现象。如果天馈线开路状态下的电压驻波比图与图2类似，说明故障点在馈线上，处理办法与状态2相同；表2中的状态4说明故障点在天线上，这时确保放电球距离符合标准后，优先检查连接调配箱与天线体的铜皮有无松动、虚接、腐蚀、断裂等现象，尤其是调配箱与地网之间连接用的铜皮，因长时间在地下，容易造成腐蚀而导致接触不良，排除故障时主意观察。如果存在腐蚀、断裂等现象，把连接点上的铁锈清理干净后，更换相同尺寸的铜皮。

3 驻波产生的原因和改善方法

驻波指的是振幅、频率、传播速度都相同的两列波，在同一直线上沿相反方向传播时叠加而形成的一种特殊的干涉现象。在广播发射系统中，如果匹配良好，负载阻抗等于馈线特性阻抗，不产生反射，只有入射波，没有反射波，馈线各处电信号的幅度相等，成行波状态。如果匹配不好，负载阻抗不等于馈线的特性阻抗，将产生反射，此时电缆中既有入射波，也有反射波，入射波和反射波迭加，使得沿馈线中一定距离电压或电流幅度呈周期性变化，某一些地方幅度最大，另一些地方幅度最小，形成驻波，幅度最大值和最小值之比就叫驻波比。行波状态下，由于馈线各处电信号幅度相等，驻波比等于1，形成驻波后，驻波比总大于1 。实际工作中无法做到完全匹配，只能尽可能降低驻波比，把天馈线系统的驻波比控制在合理的范围之内。

对于短波广播发射系统来说，驻波比是衡量发射系统匹配程度的另一个量[3]。图5中的a、c两个接触点输入侧和输出侧的阻抗不匹配引起驻波，匹配程度越好，驻波比越小，发射系统效率越高，匹配成都越差，驻波比越大，发射系统的效率越低。a、c两个点之间连接一个调配箱目的就是让天线c点输入阻抗、输出阻抗相匹配，从而降低驻波比。通过调整调配箱电容的值可以调整c点输出阻抗，调整时注意人体离天线不易很近，因为这会影响测出来的驻波比图。对于宽带短波天线，全频段范围之内，很明显很难做到全频段内所有频率点上的电压驻波比都符合要求，只能根据发射系统的要求和分类，适当调整某一短波段的电压驻波比，使该部发射机发射效率最佳。

4 结束语

根据10余年在小功率短波发射台从事技术工作的经验，辐射频率高的天馈线出现故障的几率比辐射频率低的天馈线出现故障的几率高，其中，连接调配箱和天线的铜皮，尤其连接调配箱和地网的铜皮接触点比较容易出现腐蚀，因此定期对天馈线系统进行检查维护的同时，主意定期测量天馈线系统的电压驻波比图，并且仔细与前期保存的电压驻波比图进行比对，这样可以比较客观的把握天馈线状态，若发现电压驻波比指标变差，及时进行处理，这样可以做到防患于未然，可以有效降低因天馈线系统故障而导致的停播、劣播事故。