大功率短波天馈线驻波比调整方法研究

肖刚

（国家广电总局九五一台，河北，050407）

摘要：天馈线系统驻波比指标对大功率短波发射台站发射机的稳定运行和播出效果影响非常大。本文讨论了三种驻波比调整方法，并介绍了网络分析仪的时域故障定位方法，以供相关台站参考。

关键词：大功率；短波；驻波比；调整；时域故障定位

The research on the method of adjustingVSWR in the high-power SW antenna-feeder system

Xiao Gang

（ABRS 951，Hebei，050407）

Abstract： TheVoltage Standing Wave Ratio（VSWR）of the SW antenna-feeder system has important influence on the long-term stable operation capacity and broadcast effect of the high-power SW transmitter.This paper discusses three methods of adjustingVSWR，and introduces the method of using the Time-Domain Fault Location function of the network analyzer，it is only for reference for the relevant broadcast stations.

Key words： high-power，SW，VSWR，adjustment，Time-Domain Fault Location

1 引言

如图1所示，大功率短波发射台一般设有多部大功率短波发射机及多副大功率短波发射天线，为了使发射机能在不同的时间使用不同的频率对不同服务区进行广播，还设有能把发射机灵活转接到不同天线上的天线交换系统。

由于天馈线系统的驻波比指标分别受天线、馈线及天线交换系统等因素的影响，在实际工作中常常会遇到因为部分频率驻波比太高而使反射功率偏大，并相应使高末级电子管的屏极损耗增加，使播出效果变差，严重时还会使发射机频繁保护而无法正常稳定运行。而且由于损耗的增加，会影响到价格昂贵的大型电子管和真空电容的正常使用寿命。

因此，有必要对大功率短波天馈线系统驻波比的调整方法进行研究，使调整便捷、有效。

2 驻波比调整方法研究

以下介绍常用的几种大功率短波天馈线驻波比调整方法。

（1）用λ/4测量线测量

如图2为用λ/4测量线测量的示意图。测量线从钩子到热耦电流表接线端的长度为工作波长的四分之一加1cm。测量时，要求发射机开机在低功率运行，可利用热耦电流表的量程决定发射机要开出功率的大小，或由发射机输出功率选择热耦电流表的量程。

开启发射机，在低功率状态运行，按图2所示将测量线的小钩搭挂在短波平衡馈线上，并沿馈线推进，找出馈线上电压的波腹点和波节点，由热耦电流表读取数据，找出读数的最大值Vmax和最小值Vmin，其比即为驻波比：。

λ/4测量线法在测量不同的频率需要更换不同的λ/4测量线，对工作在单频或双频的天线驻波比调整兼顾效果好，而对于目前广泛使用的宽频段同相水平天线的驻波比调整则有局限性，且调整中需要加高压，对人员安全造成威胁。

（2）网络分析仪频域测量

测量前选定所需测量的频率范围，校正开路、短路以及用标准负载对测量系统进行校准。校准后，将被测馈线与网络分析仪连上，则可以从仪器上分别选择测量反射损耗、反射系数以及阻抗等参数，测试结果将在仪器的显示器上读出或通过打印机打印出来。

频域测量法的驻波比曲线直接显示在屏幕上，较为直观，但无法对引起驻波比变差的位置进行有效定位，需要根据丰富的实践经验，并结合其它测量方法对驻波比较大的频率进行调整。

（3）网络分析仪时域故障定位

测量前选定时域测量方式，并按所测天馈线通路的情况设定测试长度，在一般测量精度时只需进行校正开路和短路即可，若要求测试精度高时，还需要接标准负载进行校零。校准后，将被测天馈线通路与网络分析仪连上，由仪器利用测出的频域反射系数自动进行运算后得到时域故障定位测试图。从图上可以直观地看到整个测量距离内从测试起点到终点的各个距离反射系数的大小；也可以分别选择测量反射损耗、反射系数以及阻抗等参数，测试结果将在仪器的显示器上读出或通过打印机打印出来。

由于可以从时域切换到频域，故驻波比曲线也可以直接显示在屏幕上，较为直观。同时在时域故障定位中，可以直观地指导调整工作，对反射系数较大处的天馈线进行针对性的调整，调整后还可切换到频域观察结果，如还不符合要求则再返回时域继续进行故障定位及调整。

通过比较上述所列的几种常见测量调整方法，可以看出在馈线所连的宽频天线频段范围内，使用时域故障定位法可以快速方便地定位天馈线通路上引起驻波比变差的位置，并以此为依据有的放矢，可进行精确的进行调整，大大缩短调整时间，使调整安全、快速。

3 时域故障定位仪器操作方法

测量使用的仪器是PNA3268D型单测试通道矢量网络分析仪，测试频率范围为0.001～120MHz。该仪器采用的时域故障定位法是窄带频时域转换方法，从设定的f0开始，依次按f0+Δf、f0+2Δf、……f0+nΔf共n+1个点进行测试，利用端口测出频域反射系数进行运算后得到时域故障定位的功能。

如图3所示为仪器前面板示意图，共有6个操作键，使用非常方便。

当开机时或按〖复位〗键后，网络分析仪显示的是主菜单。如图4所示为主菜单的示意图，左面为一阻抗圆图，右面即菜单。若菜单上第一项显示为《频域》，则需按〖↓〗键把光标移到菜单上第一项《频域》项下面，再按〖→〗键使出现《时域》，则仪器进入时域工作状态。若再按〖→〗键，则又出现《频域》，则仪器进入频域工作状态。

图4中，《BF：12.26MHz》表示将起始频率（Beginning Frequency）设定为12.26MHz，《ΔF：0.2MHz》表示频距为0.2MHz（ΔF根据测试距离的设定而变化），《EF：21.86MHz》表示将终止频率（Ending Frequency）设定为21.86MHz，《N：49》表示测试点数N为49（N不直接受控，且测试点数最多为81个），《测：600米》表示设定的测试距离为600米。《校：开路》表示即将开始作相应的开路校正。

图5为不同测试距离时的各项指标。测试距离在时域主菜单中已预设好了，若不合适可按需要重新选定，将光标移到《测：600米》下，按〖→〗或〖←〗键即可改变。

设定测试距离后，频距ΔF将自动设置；然后再依次设定起始频率BF和终止频率EF，测试点数N也会自动设置，则可以开始进行三项校正了。按要求将仪器连线接好后，使电桥测试端口开路或接开路器，按〖↓〗键使光标停在《校：开路》下，此时按〖执行〗键，仪器进入开路校正状态，右下角频率在变动，直到扫完一遍为止，此时出现《校：短路》。在电桥测试端口接上短路器，再按〖执行〗键，仪器进行短路校正，右下角频率一直变动，扫完一遍后，画面改成直角坐标，说明校正已完成可以进行时域测量。一般只作两项校正，若所测反射极小或使用了单端转差分的差分头时，就需要按〖菜单〗键并选择《频域》，切换到频域后再进行校零，之后再选择《时域》就可切换回时域进行时域测量。如图6所示为校零操作的示意图。

图6（a）为时域模式，其中的《放大》功能可以放大四倍进行观察，《全景》功能则恢复，《屏打》功能可将屏幕显示从随机的打印机输出。在图6（b）为频域模式，选《矢量》功能可在阻抗圆图上观察测试结果，选《驻波》功能可以观察驻波比的测试结果，选《对数》功能可观察回损的测试结果，选《打印》功能可对测试数据打印输出。

在进行时域测量时出现直角坐标，此时右上角出现变动的频率数字，说明此时正在进行频域测量，测完后数字消失，仪器进入时域计算与显示，光点将由左向右逐点点出在给定测试距离内从头到尾（即全景）的各个距离上的反射系数的大小。垂直坐标有Γ=1，Γ=0.25，Γ=0.05三档，可按〖↓〗键进行选择。

如图7为放大四倍的时域测试结果示意图，分三屏显示了所测的总长约410米的某段天馈线通路上的反射系数的大小，其中第四屏444.8米∼600米的数据无需观察。在直角坐标的上方可以读出光标所在的测试参数，|Γ|表示反射系数的大小，d0表示光标的距离测试起点的电长度，Φ表示反射角（开路性质故障Φ在0°左右，短路则在180°左右），t表示延时；在直角坐标的下方可以读出测试的起止距离，并给出了反射系数最大点所对应的测试距离dMAX。

其中，电长度与所测电缆的机械长度之间存在一定的比例，介质填充少的接近1。必要时可以用一段电缆测试电长度后与机械长度相比即可。在利用反射电桥测试50Ω同轴线时测试距离应选为待测电缆几何长度的1.5倍以上，在利用差分电桥测试300Ω平衡馈线时测试距离应选为待测电缆几何长度的1倍以上。

可以选择《屏打》功能将时域测试结果打印输出，还可以通过照相或手工记录的方式将曲线的关键点数据如峰谷、峰顶及拐点的数据记录。如图8所示为利用Excel和Visio软件的绘图功能，将某段天馈线通路调整前的时域测试结果绘出，并标注出反射系数较大的峰顶点以便于后期的分析原因及驻波比调整需要。

图7为调整结束后所测的时域测试结果，图9为切换到频域所测的驻波比结果。可以选择《打印》功能将频域测试结果打印输出。在对仪器升级改造后，还可以按〖执行〗键将测试结果存入移动U盘，方便后期用专用软件对测试结果进行观察。

需要注意的是，在开始测试中由于插接电缆需一定时间，不容易对上完整的测试周期，需要耐心等下一个测试周期，也可在时域显示期间按〖菜单〗键进入暂停状态下进行插接（小反射时必须如此），接好后再执行。此时显示的仍为上次测试的结果，须等到下一个测试周期才能观察到最新的测试结果。也可按〖菜单〗键，选《频域》测试，需要时再回时域。

4 时域故障定位实际测试方法

（1）测试接线方法

如图10所示为利用网络分析仪时域故障定位功能，并结合大功率短波天馈线系统的实际情况，对驻波比进行调整时的三种接线示意图。

在图10（a）中，由于网络分析仪50Ω同轴测试线N型接头与发射机9英寸50Ω同轴馈筒间机械尺寸相差太大，若用开口夹子线的形式连接则会带来测试误差，尤其在高频端的误差更大，因此定购了专用的50Ω/50Ω阻抗匹配器，将机械尺寸分级进行过度，实现阻抗的匹配连接。

同样，在图10（b）中，由于网络分析仪300Ω差分电桥的平衡输出信号的机械尺寸（间距约20mm）与300Ω平衡馈线（间距有500mm、400mm两种）的相差太大，因此定购了专用的300Ω/300Ω阻抗匹配器，将机械尺寸逐渐加宽进行过度，实现阻抗的匹配连接。图10（c）中将300Ω差分电桥替换为抗干扰型短波50Ω反射电桥，并使用单端/差分转换电桥将50Ω单端信号转换为300Ω差分信号，再通过300Ω/300Ω阻抗匹配器实现与300Ω平衡馈线的匹配连接。可见，图10（c）的测试方法因具有一定能力的抗干扰能力而更适合测试300Ω天馈线系统；若将抗干扰型短波50Ω反射电桥替换图10（a）中的50Ω反射电桥，则图10（a）的测试方法也具有一定能力的抗干扰能力，因而更适合测试50Ω同轴馈筒及其后面所连接的天馈线系统。

（2）测试调整准备

测试调整前需要明确所测天馈线通路的整体情况。目前使用的发射天线是在短波波段广泛应用的HR4/4型宽频段同相水平天线，天馈线交换系统采用的是特性阻抗为300Ω的平衡式室内交换开关，主馈线采用的是特性阻抗为300Ω的2×12线双笼型平衡馈线。主馈线通过150Ω/300Ω主馈线变阻器与两路特性阻抗为300Ω的2×8线双笼型平衡水平分馈线连接，并与天线幕实现阻抗匹配连接。发射机输出阻抗为不平衡50Ω，通过平衡转换器和阻抗变换器将阻抗转换为平衡300Ω后，实现与天馈线的阻抗匹配连接。

如图11所示为A04号发射机上106号天线的天馈线通路示意图。标号1∼9间为300Ω主馈线，从0米处开始经过9个馈线杆后与106号天线连接，其中在第1、2、3、4、9处为馈线跳笼，在第5、6、7、8处为馈线吊杆。第10处为一路转二路馈线复合杆，第11处为左右水平分馈线的馈线吊杆、第12处为上引线馈线跳笼。HR4/4型天线幕有四层水平天线振子，通过大、小硬馈和之间的分馈线1、分馈线2与第12处的上引线跳笼连接。根据图纸及实际测量的数据将各点所对应的机械长度进行了标注，而电长度则还需根据实际测试结果来判断。

（3）测试调整方法

按所测天馈线通路的长度以及天线工作频段对仪器进行设定，校准后从时域测试图中查找反射系数峰值点，并判断反射系数峰值点在所测通路上的位置。也可以用短路夹子短路某处馈线，使该处的阻抗为0，则可以在图上看到对应处的反射系数会急剧变大（理论上应该为Γ=1），这样就可以方便地判断出各反射系数峰值点的位置，以便进一步的原因分析和调整。将各反射系数峰值调整小后再返回频域观察驻波比，直到驻波比得到改善为止。

用时域故障定位法测试时，理论上要求反射系数的大小应低于0.01，但一般在实际使用中，反射系数的大小低于0.03就认为该处的馈线基本调整合适，此时对应的插入驻波比小于1.06。但如果测试整个天馈线还存在有部分频率驻波比偏大的情况时，则还需要对引起反射系数较大处进行仔细调整，尽量将反射系数峰值点调低。

测试中，可以先进行总体测试，观察当前的状况，再根据情况进行分段测试调整。图8所示为图11中的天馈线通路的时域测试图，对比机械长度可以看出第1至4处、第10处以及天线幕上存在多处较大的反射系数峰值点。则可以将第9处的跳笼断开，接上300Ω平衡负载后从第1处开始测试，只测试主馈线1∼9间的性能，一般通过微调主馈线的双笼之间的间距达到微调阻抗实现匹配的目的，从而使反射系数峰值点得以降低，驻波比得到改善。

同样，在测试天线时也可以分段进行测试。例如，将第10处的双跳笼断开，在主馈线变阻器末端各接1个300Ω平衡负载后从第9处开始测试，即：只测试主馈线变阻器的性能；在将主馈线变阻器调整合适后，先恢复第10处双跳笼中的与左水平分馈线连接的跳笼，并将第12处对应处的上引线跳笼断开改接300Ω平衡负载，只对第10处双跳笼和左水平分馈线进行测试调整；同样，对第10处双跳笼和右水平分馈线进行测试调整。若有必要还需要登高上天线幕进行调整。调整各段后，还需恢复连接，再从第9处测试整个天线的驻波比，若合格后还需要恢复连接并从第1处复查整个天馈线通路，如果驻波比未得到明显改善，则还需要重新进行调整，将各反射系数峰值点尽可能地调低，使阻抗更加匹配，则驻波比将得到改善。

图7和图9为调整后的结果，可以看出，通过对主馈线、主馈线变阻器（四阶梯阻抗变换器）、左右水平分馈线、天线幕进行调整后，各反射系数峰值点明显降低，且驻波比均低于1.54，达到验收标准，且多数频率的驻波比还低于1.3，调整效果非常明显。

（4）天馈线故障预防方法

通过定期测试或根据发射机驻波比、反射功率越限的告警提示来及时安排测试，并与正常状态时所测试的时域故障定位测试图进行对比。如果发现某处位置的反射系数峰值明显变大，就能够及时发现天馈线通路中存在的事故隐患。尤其能检测到存在于天线交换系统的馈筒内以及高空天线幕上存在的事故隐患。而这类事故隐患用传统的测试方法是很难检查出来的，且如果未能及时得到处理时，往往会引发长时间的停播故障，使发射机无法正常工作。

5 结束语

综上所述几种方法可见，将网络分析仪时域故障定位应用于大功率短波天馈线驻波比的调整上具有非常快速、直观的特点，可以发现影响整个天馈线系统的驻波比指标的原因，而且调整中不需要发射机开机来测试，非常安全，值得推广。

通过定期测试或根据发射机驻波比、反射功率越限的告警提示来及时安排测试，能够对整个天馈线系统的状况了如指掌，及时、准确的发现天馈线系统中存在的故障隐患，将以往的被动处理故障变为主动预防检修，可以大大降低因天馈线系统故障而引发的长时间重大停播事故发生，提升设备维护水平和科技含量，完成传统测试方法难以完成的任务。

同时，通过快速测试和调整，可以尽可能地降低驻波比，使大功率短波发射机的反射功率和高末电子管的屏极损耗下降，既增强了发射机的播出效果，又有利于发射机的长期稳定运行，可取得良好的社会效益和经济效益。

作者简介

肖刚，男，1974年4月生，江西省吉安市人，工程师（中级），主要研究方向为电子与通讯，广电行业，电子邮箱：xiaogang-2004@sohu.com