高纬度中波发射台馈线调整节点的判断方法

2023-10-12闻明华

西部广播电视 2023年15期

闻明华

（作者单位：国家广播电视总局953台）

1 中波馈线简介

中波馈线是用于传导、传输高频电能的设备，连接在发射机和天线之间。一般对中波馈线的要求是馈线两端阻抗要匹配，功率损耗小，效率高，还得有足够的功率容量和耐压。中波馈线一般由内层和外层两层导线组成，形成两个同心的笼形。外层导线是接地的，起到屏蔽作用，以减少沿内层导线传输的高频能量以辐射形式外泄。内层导线是馈电的，和外层导线间有绝缘子分开。中波发射机所用馈线分为6线式、18线式和36线式，而大功率中波发射机一般使用36线式。36线中波馈线由中心馈线芯和外部地线组成。馈线芯由12根直径为6 mm的铜包钢导线组成一个圆柱状，一般直径为360 mm，地线由24根直径为4 mm的铜包钢导线组成一个圆柱状，一般直径为1 000 mm。36线中波馈线的特性阻抗为75 Ω。

2 高纬度中波馈线冬夏季的状态变化

如图1所示，中波馈线的外环和内环都由铜包钢材质的导线构成，外环24根，内环12根。这些导线长度几百米到上千米不等，作为中波发射机和天线的连接部分分布在室外，受到温度影响较大。冬季，在高纬度地区，温度为-30 ℃左右，馈线冷缩，长度变短；夏季，温度为30 ℃左右，馈线热胀，长度变长[1]。这种变化已经达到肉眼明显可以看到差别。图2为中波馈线冬季夏季侧方示意图，从侧面观察馈线，可以看出，冬季和夏季，由于热胀冷缩馈线变化明显。其中，图中实线部分为冬季外环和内环馈线实际长度，虚线部分为夏季外环和内环馈线实际长度。冬季和夏季馈线长度变化非常明显，如果以冬季馈线的正常状态为标准，夏季馈线明显变长明显。在两个馈线支撑杆之间，外环馈线最大下降距离为D，内环馈线最大下降距离为d，这两个距离有所不同，因为内环馈线存在一段支撑绝缘子，所以其实际长度比外环馈线短一些，在热胀时内环馈线增加的长度也更少一些。

图2 中波馈线冬季夏季侧方示意图

维护人员在馈线的维护中，力求做到将馈线的状态维护在图2所示的实线部分所示的状态。这是一个内环馈线和外环馈线近乎平行的状态，也是一个理想状态，实际上很难达到，维护人员在实际维护中只要做到内环馈线和外环馈线接近平行就可以了。

3 馈线阻抗变化的原因

在分析馈线的阻抗变化时，维护人员要把馈线等效为均匀传输线模型。均匀传输线由均匀介质中平行放置的两根均匀导体构成，如同轴电缆等。而馈线可以看成多个均匀传输线模型的组合。在均匀传输线中，电流在导线的电阻中引起电压降，在传输线周围形成磁场[2]。由于发射机发出的是高频变化的电流，在馈线周围形成变化的磁场，变化的磁场沿着馈线形成感应电动势；而馈线的内环和外环构成的电容会有位移电流流过。

为了分析馈线特性阻抗的变化，可以将馈线看作由无数个小的阻抗单元构成。由于馈线的每个阻抗单元都有电阻、电容、电感和电导，工作人员分析时，可以将馈线看成具有分布参数的传输线模型。如图3所示，中波馈线等效为均匀传输线的模型图。传输线的分布参数模型（图3）表明，传输线具有单位长度的分布电阻R’、电感L’、电导G’和电容C’。一般来说，传输线的分布参数不仅取决于传输线的几何结构，也取决于介质和组成传输线的导体材料的电磁特性。

图3 中波馈线等效为传输线的分布参数模型

通过计算，可以求出传输线的特性阻抗Zc，如公式（1）所示：

公式（1）中所示的馈线特性阻抗，当频率很高时，中波频率达到526.5 kHz到1 605.5 kHz时，这时特性阻抗的R’和G’可以忽略不计，只考虑后半部分，特性阻抗方程可以化解为：

上述公式（2）中所示的馈线特性阻抗，经过化简后，得到馈线特性阻抗的表达式，从公式中可以发现馈线的特性阻抗取决于馈线单位长度的电感量L’和馈线单位长度的电容量C’。

在高纬度的中波台站，冬季和夏季温差大，馈线的热胀冷缩非常明显，馈线单位长度的电感量L’变化并不大，而随着外部馈线接近内部馈芯，馈线单位长度的电容量C’变化较大[3]。所以，理论推算：在环境温度升高时，馈线单位长度的电容量C’变大，特性阻抗变小；在环境温度降低时，馈线单位长度的电容量C’变小，特性阻抗变大。这个推导和实际测量比较吻合，本文随后会给出实际的仪器测量值。

4 馈线特性阻抗的实际测量

测量所需要的仪器为DELTA运行阻抗电桥。将发射机输出到馈线的接头断开，将仪器按照图4右边的连接方法进行连接，测量网络输入端的阻抗。中波馈线的特性阻抗为75 Ω，维护人员利用仪器测量的数值如表1所示（表中j表示复数的虚部）：

表1 馈线阻抗实际测量值

图4 天馈线阻抗的测量示意图

具体测量方法：将DELTA运行阻抗电桥按照图5连接好，将图5下方的OIB-3电桥的输出端（OUT端）接测量阻抗专用夹线，夹线一端接内环馈线，一端接外环馈线。调整5图上方的RG-4B型接收机/发生器，将频率设置为发射机工作频率，最后点击软键盘上的GO键，将载波信号送入馈线系统；调整上方的RG-4B型接收机/发生器的射频增益（RF GAIN），使右面METER仪表表头指针指向刻度中间位置；调整下方的OIB-3电桥上的电感/电容开关、R（电阻）和X（电抗）调节旋钮，直到上方的RG-4B型接收机/发生器右面METER仪表表头指针到达最小位置后又返回为止；再调整R和X调节旋钮，进行细调后，找到指针的最小位置，读出此时的电抗值，就是馈线系统和天线的实际阻抗值。

图5 DELTA运行阻抗电桥连接方法

利用OIB-3阻抗电桥测量阻抗优点明显，OIB-3型阻抗电桥与传统设计的电桥是不一样的，因为这种电桥可处理相当高的功率电平，并且引入的介入效应最小。首先，这种型号的电桥可以直接测量运行阻抗。OIB-3型阻抗电桥可以直接插入电路里，在一定的额定功率（5 kW以下）测量负载的运行阻抗。传统设计的电桥通常不能处理很大的功率，其只测量负载的冷阻抗。维护人员根据这些测量值来调节匹配电路时会发现所加入的功率并不能获得最满意的匹配[4]。其次，引入的外部干扰最小。为了对馈线和天线的各种元件的运行阻抗进行测量，如果把普通的电桥接入天线电路内，电桥本身存在的一些阻抗元件，会对天馈线的各种参数产生介入干扰，影响各个辐射器之内的电流的幅度与相位的关系，因此无法获得对被测元件的正常耦合阻抗。而OIB-3型运行阻抗电桥可以直接插入各种元件的电路，各种传输线或各种匹配网络中，且能够确定整个系统的运行阻抗值。再次，OIB-3阻抗电桥的抗干扰性强，它可使用大功率的信号发生器与电桥一起测量天线的阻抗，并且对邻近工作的天线及来自频率相接近的强信号的干扰都可以降到最低。

5 确定调整中波馈线松紧的时间节点的方法

从表1馈线阻抗实际测量值可以看出，馈线阻抗会随着温度变化而变化，特别是其虚部，变化范围在6～12 Ω，其中74.6+j12（1月测量值）是在-30 ℃左右测量的数值；75.5+j6（7月测量值）是在30 ℃左右测量的数值。从测量数值可以看出天馈线的特性阻抗实部变化不大，只有0.9 Ω，而虚部变化达到6 Ω。而在4月和10月，由于温度条件基本一样，测量数值一个为75.0+j8（4月测量数值），一个为74.8+j10（10月测量数值），变化并不大。这样维护人员每年定期测量天馈线的特性阻抗，就可以确定调整馈线松紧度的时间节点为每年的4月下旬和10月下旬，具体时间要根据测量数据确定。

6 影响中波馈线特性阻抗的因素和维护要点

内线撑环的作用是将馈线尽量固定为圆形，这样的话高频电流有趋肤效应，会在内馈线的表面进行流动，最大限度利用馈线的导电能力和容量。

6.1 温度因素

随着温度的变化，馈线会热胀冷缩。当天气变热，馈线出现热胀的时候，要调紧馈线调线叉，使得馈线的垂度不至于过大，以免造成馈线变形，参数改变；当天气变冷，馈线出现冷缩的时候，通过调整馈线调线叉，确保馈线不会拉力过大，损坏棒形绝缘子或者是别的附属支撑物[5]。随着温度的改变，馈线会出现热胀冷缩现象，调节调线叉，可以调节馈线的松紧。压线钩也要随着温度的变化进行调整，其作用是馈线在单根馈线杆上通过时，在确保馈线有活动余地的同时给馈线提供一个支撑物，这样馈线就不至于在冷缩的过程中将自己拉断。

6.2 铁塔垂直度

中波天线铁塔的垂直度不但会影响铁塔的稳定性，也会直接影响中波馈线的阻抗。铁塔天线是天馈线的一部分，如果铁塔垂直度改变，其外部包裹的笼形铜线就会发生变形，影响其阻抗。这样测量出来的天馈线阻抗就会发生变化。

6.3 雷电因素

天线调配室中一般放置天线调配网络，天线调配网络由电感和电容构成，其作用是将发射机发来的高频能量经过调配网络传输到天线上发射出去。调配网络中往往还加装有切换系统、接地钩等设备。在雷电天气多发的夏季，天线调配室中的真空电容容易被雷电击穿，通过肉眼观察有时候不容易发现，但是通过测量天馈线的阻抗就很容易发现，因为阻抗会发生明显变化。

6.4 馈线线杆是否受损

馈线线杆起到支撑馈线的作用，其架设时都有严格的要求，杆路一般情况应该成一条直线，必须转弯时，夹角不应小于120°。杆路的终端盒转角杆及双门处应该加装平衡拉线，距顶端1 m处应该加装蛋形绝缘子，尾部应该加装花篮螺丝，馈线杆的地基不应该出现塌陷情况。如果馈线杆损坏、馈线杆地基塌陷，通常会引起天馈线阻抗的改变。维护人员通过定期测量数据，并且和以往记录的数据进行比较，就能发现天馈线是否存在异常情况。