转动对数周期天馈线系统结构工作原理及运维探析

陈成辉

(国家广电总局东南广播电视维护中心，福建 福州 350107)

0 引言

目前，大功率短波天线的大量使用，有效压制了境外电台的空中渗透能力。在无法实现大范围有效渗透的情况下，境外电台改变了渗透方式，转向使用小功率电台进行不固定频率、不固定范围的多点渗透。针对这种新的形势变化，架设使用一种能够达到传输覆盖“精准高效”的新型天线，低成本的实现对境外电台的反渗透有着很重要的现实意义。转动对数周期天线拥有高机动、宽频带、中等增益等特性，使其作为中远程短波信号发射载体，能够很好地满足使用要求。

1 转动对数周期天馈线系统结构

从结构上总体可以将天馈线系统分成支撑结构及电气结构两部分(见图1)。支撑结构主要由塔桅、旋转平台及其控制系统、天线桁架及其绝缘构件等组成。电气结构主要由旋转关节、50 Ω同轴传输电缆、不平衡/平衡转换器、集合线以及按照结构周期率平行排列的对称振子阵列等组成。

图1 转动对数周期天馈线系统结构

2 转动对数周期天线工作原理及技术参数

2.1 转动对数周期天线工作原理

2.1.1 转动对数周期天线平台工作原理

转动对数周期天线平台根据工作情况分成5个功能区。从高频端到低频端依次为电信号转换区、传输区、辐射区、未激励区、降低终端反射效应功能区(见图2)。其中传输区、辐射区、未激励区的位置范围会随着输入电信号频率的变化在天线上前后移动，保持天线的电性能不变。

图2 对数周期天线工作平台区划

电信号转换区：将发射机发出的不平衡电信号转换成平衡电信号的区域称为电信号转换区。该区域主要安装一台巴伦(不平衡/平衡转换器)对传输中的不平衡电信号进行平衡转换后对天线幕馈电。

传输区：振子吸收激励电流值小于1/3最大激励电流值的区域称为传输区。根据振子容抗与电信号频率关系XC=1/(2πfc)，振子的容抗(XC)与输入电信号的频率(f)成反比，输入的电信号频率相对区域内振子的工作频率越低，振子的容抗越大，造成流向振子的激励电流就越小，振子的辐射就越弱，可以忽略不计，使得绝大部分的激励电流通过集合线流入辐射区。

辐射区：振子吸收激励电流值大于等于1/3最大激励电流值的两个振子之间的区域定义为辐射区。将该区域中长度接近1/2λ的振子设定为主要辐射振子，且该区域中的振子一般不少于3个，个数越多，天线的方向性就越强，天线的增益也会越高。

未激励区：经传输区流入辐射区的激励电流几乎被辐射区域中的振子全部吸收，并向空间辐射，使得辐射区往后的区域得到的激励电流很小，振子的辐射很弱，可以忽略不计的区域定义为未激励区[1]。

降低终端反射效应功能区：未激励区的存在大大消除了流经该区域的剩余激励电流，减弱了天线终端的反射效应，但随着天线使用频率的降低，辐射区的位置会向低频端移动，未激励区的范围缩小，频率越低，范围越小，导致未激励区消除剩余激励电流的能力不断下降，天线终端反射效应随之不断增强，直接影响天线低频端电性能指标。因此，在天线低频端处集合线末端自最长振子馈点向外延长一短支节，消除剩余激励电流，降低天线终端反射效应，确保天线低频端的正常使用。

2.1.2 转动对数周期天线通信原理

转动对数周期天线在机械上采用闭环步进驱动系统，通过远程上位机控制，实现天线幕在0°～360°水平面内任意方向转动，并固定指向预定目标方向通信。在电气上通过改变馈入天线的电信号频率，激励相应辐射区内的天线振子工作，实现对预定方向上不同距离的目标区域通信。对数周期天线工作平台是按照结构周期率平行排列的对称振子阵列，所有的振子都处在同一水平高度，根据天线安装高度与天线仰角的关系H=λ/4sinɑ(H：天线安装高度，λ：电信号波长，ɑ：天线发射仰角)，在天线安装高度一样的情况下，不同频率的电信号对应的相应振子的发射仰角不同(见图3)，高频端天线振子的发射仰角低，天线通信距离更远，低频端天线振子的发射仰角高，天线通信距离更近。

图3 5.9～22 MHz转动对数周期天线方向

2.2 转动对数周期天馈线系统技术参数

天线的设计参数根据天线的使用要求确定，一般情况下与设计天线时要达到的目标要求相关，表1为5.9～22 MHz转动对数周期天线主要指标参数，从中可以看出，该副天线的设计频率范围为5.9～22 MHz，设计最大功率容量为20 kW，设计时对驻波比的要求为2.0，采用水平极化的方式发射电波，是一种8～12dBi中等增益的天线，传输线输入阻抗为50 Ω，以IF110快速接口的形式对天线与同轴电缆、同轴电缆与发射机进行有效连接。

表1 5.9～22 MHz转动对数周期天线主要指标参数

驻波比是衡量天馈线系统阻抗匹配程度的重要技术指标，良好的阻抗匹配对天馈线系统至关重要。图4为5.9～22 MHz转动对数周期天线驻波比工程实测图，从图中可见，该天线的驻波比指标低于2.0符合设计要求[2]。

图4 5.9～22 MHz转动对数周期天线驻波比工程实测

3 转动对数周期天馈线系统运维探析

3.1 维护工作

在日常工作过程中要定期对天馈线系统做好巡查工作，主要通过目测的方法观测天线振子拉线是否松动，拉线端头棒形绝缘子是否断裂脱落、传输同轴电缆是否变形、天线各连接节点是否有打火现象、天线转动平台转动是否顺畅、了解发射机播出指标是否异常等情况并做好记录。

除了日常巡视外，根据对数周期天馈线系统特点，以一个季度为周期做好以下几个方面的工作并进行记录。

塔桅垂直度监测，使用经纬仪测量塔桅垂直度，要求：塔身中心垂直倾斜≦1/1 500；塔桅拉线拉力监测，使用拉力测试仪测量塔桅拉线拉力，并通过花兰螺丝调整，要求：拉线拉力保持在初拉力80%～105%范围内；塔结构检查，目测法查看螺栓是否松动，各结构梁是否变形；桁架水平度监测，使用全站仪测量桁架水平度，并通过支撑塔与桁架间的拉杆调整，要求：桁架中心水平偏差≦1/1 500；天馈线系统电气指标测试，使用网络分析仪测试天线驻波比指标，要求：驻波比≦2；塔桅接地电阻测试，使用地阻仪测量塔桅接地电阻，要求：接地电阻≦5 Ω。

3.2 故障排查及解决方法

转动对数周期天馈线系统故障主要分闭环步进驱动系统故障、天馈线系统电气故障两种。

3.2.1 闭环步进驱动系统故障排查及解决方法

通过观测天线桁架的转动来判断闭环步进驱动系统是否损坏。若系统平台不转动可判定闭环步进驱动系统损坏，这时需进一步排查是软件问题还是硬件问题。可将控制系统切换成手动控制模式，测试平台是否转动，若转动则可判定为控制系统软件出现问题，重新安装控制系统软件即可解决问题。若手动模式下平台仍不转动，则可判定驱动硬件出现问题，在排除旋转平台齿轮传动机构、传输线路故障后，可判定步进电机损坏，使用备件将其更换即可。故障修复完成后需对天线进行重新找北，自动控制软件重新置零设置[3]。

3.2.2 天馈线系统电气故障排查及解决方法

天馈线系统电气故障分成天线系统电气故障、馈电系统电气故障两部分。

(1)天线系统电气故障排查及解决方法。

天线系统电气故障排查分不平衡/平衡转换器、天线两部分。

不平衡/平衡转换器故障排查：使用吊车通过吊篮将工作人员吊送至不平衡/平衡转换器处，将不平衡/平衡转换器入口端与同轴电缆的接头打开，出口端与集合线的连接断开，在出口端连接180欧姆碳膜电阻，通过IF110端口在入口端连接网络分析仪，测量网络指标是否异常，若发现指标异常，则不平衡/平衡转换器出现故障，使用备件将其更换。

天线故障排查：通过180欧姆碳膜电阻进行校准，用夹子线接集合线端口进行天线系统测试，查看网络分析仪指标是否异常，若指标不稳，跳动厉害，可判定天线局部虚接。工作人员上桁架仔细检查集合线、振子连接线等是否有螺栓松动、打火等现象造成连接断开。若存在打火现象，在判定零件没有损坏的前提下，使用砂纸将打火点打磨干净后将螺栓紧固，若因打火造成零件损坏，则需使用备件将其更换。在故障排除过程中要特别注意对高频端区域内的天线振子与集合线连接节点的排查工作，根据传输区(高频端经常作为传输区使用)内的天线振子相对激励电流的输入阻抗(容抗)很大的特点，在高电压的作用下高频端相较低频端，振子两端、绝缘子等被击穿产生打火的概率更高。

(2)馈电系统电气故障排查及解决方法。

馈电系统电气故障的排查可遵循先整体再分段的原则进行，即先对馈电系统进行整体指标测试，若出现故障再分段进行测试。

整体测试馈电系统的电气指标：使用吊车通过吊篮将工作人员吊送至不平衡/平衡转换器处，将不平衡/平衡转换器下端与同轴电缆的接头打开，同时，地面工作人员将同轴电缆与发射机的接头打开，使用2 500 V的摇表对馈电系统整体的绝缘值进行摇测。分别在馈电系统的一端接IF110-N变径及50 Ω标阻，另一端接IF110-N变径及网络分析仪进行网络指标测试。通过查看馈电系统的绝缘值指标及网络指标是否异常判定馈电系统是否故障，若排查发现馈电系统故障，可进一步将馈电系统分段进行指标测试，以更加准确的判定故障的部位。

分段测试馈电系统的电气指标：馈电系统以旋转关节为界，可分成上同轴电缆、旋转关节、下同轴电缆3个部分，其排查方法可按照以下步骤进行。

在不平衡/平衡转换器下端与同轴电缆的接头打开，同轴电缆与发射机的接头打开的基础上，再将旋转关节上端与上同轴电缆的接头打开、旋转关节下端与下同轴电缆的接头打开，使用2 500 V的摇表对各段同轴电缆、旋转关节的绝缘值进行摇测，分别在各段同轴电缆、旋转关节的一端接IF110-N变径及50 Ω标阻，另一端接IF110-N变径及网络分析仪进行网络指标测试，通过分析各段同轴电缆及旋转关节的绝缘值指标及网络指标，发现异常可以判定出发生故障的同轴电缆及旋转关节。排查出旋转关节故障，可直接使用备件将其更换，排查出同轴电缆为绝缘值故障，可使用备件将该段同轴电缆更换，排查出同轴电缆为网络指标故障，就可以对排查出故障的同轴电缆继续使用网络分析仪的点延迟及故障功能进行查找，确定发生故障的相应范围，现场查看同轴电缆结构是否变形，若发现结构变形可将变形段同轴电缆截断，使用过渡段通过电缆接头对接修复，也可使用备件将整条同轴电缆更换。

3.2.3 天馈线系统恢复

各部分故障排查并修复完成后，将天馈线系统各节点恢复连接，并使用网络分析仪将整个天馈线系统复测一遍，指标正常后将同轴电缆端头与发射机恢复连接。在对天馈线系统复测过程中严禁使用2 500 V的摇表对整个天馈线系统进行绝缘值摇测，以免烧毁不平衡/平衡转换器。

4 结语

转动对数周期天线作为一种新型的发射天线，其系统结构、工作原理与其他类型的天线相比要复杂许多。这就要求维护人员有较高的知识储备，熟悉天线的相关性能，特别是在没有足够维护经验的情况下，要做好日常维护，快速排查修复故障，具有一定难度，有时甚至无从下手。因此，有必要加强对天馈线系统结构及工作原理的学习，不断总结完善维护经验，以便更好地胜任工作。