短波同相水平天线偏向开关入口跳笼改进

万学哲

（国家新闻出版广电总局二0二四台）

【摘要】 本文首先对短波同相水平天线和馈线系统做了简单的介绍，随后对偏向开关入口跳笼打火原因进行了仪器测量和分析，并通过计算得出修正方法，对跳笼进行重新设计改进，通过长时间实际加电使用进行效果验证，目前运行稳定可靠。【关键词】 短波同相水平天线 偏向开关 入口跳笼 阻抗变换器 阻抗匹配 1. 前言短波广播主要用于远距离通信和广播，像边远山区，属于中波不易覆盖的区域，用短波进行广播通信比较方便和实用，根据短波通信这些特点，短波发射多为定向辐射。为了扩大服务范围，增强方向选择的灵活性，近些年，很多大功率短波天线陆续的被改造成为具有偏向功能的天线，其偏向功能是通过在馈线通路加装偏向开关实现的。在馈线通路加装偏向开关，对馈线系统的驻波比提出了更高要求，该系统匹配良好与否成为天馈线系统能否稳定运行的重要因素。对安装有偏向开关的同相水平天线深入的了解，有助于快速的判断故障点和更好的维护使用。 2. 短波同相水平天线的简介短波广播多为定向广播，适用频段为3～30MHz，可以进行从数百公里的中、近距离到数千公里的远距离的广播和通信，所以要求短波天线具有强方向性。短波天线的场强无论是在水平面内的方位角，还是在垂直面内的最大辐射角都是其要考虑的重要因素。短波主要是靠电离层反射进行传播，为适应电离层昼夜、季节的变化，短波播出频率也会在较大范围内调整，因此短波天线要有较宽的频带，同时，为了尽可能减少工业干扰，短波天线多采用水平极化，从极化方式上对工业干扰进行隔离。短波天线种类一般可分为：水平对称振子天线、笼形天线、菱形天线、同相水平天线等。同相水平天线又称宽波段幕形天线，它是短波波段中使用最为广泛的一种天线。同相水平天线是以水平对称振子为单元，由多层多列的全波或半波偶极子天线组成的天线阵，各对称振子间的电流相位相同，所以把这种天线称为同相水平天线，如图1所示。

图1 短波同相水平天线

同相水平天线，振子间层间距约为0.5λ，λ是设计波长，列间距约为0.5λ（半波折合天线）或λ（全波偶极子天线）。为便于馈电，无论是振子的层数还是列数都是偶数。同相水平天线的水平面辐射方向图由振子的列数决定，垂直面辐射方向图由振子的层数和最低层振子距地高度决定，随着天线振子距地高度h的增加，垂直面辐射方向图波瓣数目也随着增加，h是0.25λ的几倍，就有几个波瓣数。同相水平天线的定向辐射，是通过在天线主向后方距发射幕0.25λ～0.3λ的地方加装反射器（也叫反射幕）实现的，多采用无源反射幕。反射幕是由许多硬铜线水平排列组成，它的面积要大于天线总面积。同相水平天线的国际通用符号是HRRS m/n/h。其中：H—代表水平极化；R—代表反射幕；R—代表发射方向可反转（不可反转时不加）；S—代表波瓣可偏移（不能偏移时不加）；m—代表每层长度为0.5λ的振子的数目；n—代表层数；h—代表最低层振子以设计波长计的离地高度。同相水平天线HR4/4/0.5结构示意图如图2所示。

图2 HR 4/4/0.5同相水平天线结构示意图

3. 馈线系统的简介馈线系统主要由天线交换开关、馈线窗口、主馈线、（阶梯）阻抗变换器、偏向开关、分馈线等构成。馈线系统作用是低损耗高可靠地传输高频能量，要求各级间阻抗要良好匹配，这是影响馈线系统性能的主要因素，另外，驻波比（行波系数）也是馈线系统是否合格的重要指标。主馈线通常采用架空平衡式，它的主要形式有二线式、四线式、六线式、十二线式等，该系统中采用的是十二线式，如图3所示。此类型馈线适用大功率短波发射机，特性阻抗300，导线间距和导线直径随功率大小而定。

图3 架空平衡十二线式馈线

在天馈线系统中，为了实现天线与馈线，馈线与馈线间的阻抗匹配，通常会使用指数线阻抗变换器或阶梯阻抗变换器，该系统中采用的是阶梯阻抗变换器，将主馈线端300Ω平衡式转变成150Ω平衡式，以匹配偏向开关的输入阻抗，阶梯阻抗变换器如图4所示。

图4 阶梯阻抗变换器

偏向开关是用来实现偏向功能的设备，如图5所示。图5所示为1×3偏向开关，实现±12度的偏向，它由控制系统、传动系统、高频传输线（偏向环）等组成，其输入阻抗为150Ω，输出阻抗为300Ω，输出端与天线分馈线相连。

图5 1×3偏向开关实物及原理图

同相水平天线的偏向开关，实现主发射方向偏向的原理是通过偏向开关对不同列的天线阵子馈以不同相位的电流来实现的。同相水平天线通过该偏向开关可实现3个角度的发射（包含1个主向和2个偏向）。偏向角度由偏向环的长度来决定，最大可达主±30度偏向。图6为HRS4/4天线馈电原理图，对照图5(b)。A、B两触点联动，由图示位置可见，因对每列阵子馈电路径一致，此状态为天线的主向。当A、B两触点转到与C、D两点重合时，因左右两列天线振子馈电路径发生了变化，且不同，此时发射场强在H面场型主瓣右偏12度，当A、B两触点转到与E、F两点重合时，因左右两列线振子馈电路径同样发生了变化，且不同，此时发射场强在H面场型主瓣左偏12度。

图6 HRS4/4天线馈线原理图

4. 偏向开关入口跳笼打火原因分析在满功率试播音过程中，偏向开关频繁打火，多次出现连接臂滋火、断裂现象，偏向开关入口跳笼间也多次出现打火现象，如图7所示。通过分析初步认为是偏向开关附近阻抗失配导致反射功率过高，能量堆积所致。

图7 偏向开关及入口跳笼打火

利用网络分析仪，对阶梯阻抗变换器至偏向开关输出臂逐段进行阻抗和驻波分析。通过测试发现阶梯阻抗变换器的终端输出阻抗和偏向开关输入臂的输入阻抗均满足设计要求为150Ω，但偏向开关入口跳笼处阻抗变化较大，与设计要求150Ω有明显差别，且此处电压驻波比（VSWR）明显大于1.54设计要求上限值，初步验证了之前的原因分析。进一步通过对跳笼的单独测试，发现其输出阻抗在部分播音频点上为180～230Ω，最终证实偏向开关频繁出现打火是由跳笼设计缺陷导致开关输入臂阻抗失配所致。根据测试所得数据，决定对偏向开关入口跳笼进行改进，以匹配偏向开关输入阻抗。改进前偏向开关入口跳笼如图8所示。

图8 改进前偏向开关入口跳笼

5. 偏向开关入口跳笼的改进偏向开关入口跳笼可视为一段双笼形馈线。双笼型馈线相当于二线式馈线，单根导线的直径可以用笼形线的等效直径代替。其特性阻抗计算公式如下：其中：D为两笼形馈线间，中心点之间距离；DEC为笼形馈线的等效直径；n为笼形馈线的导线数；Dc为笼形馈线的直径；de为导线的等效直径，馈线的导线有单根的也有多股绞合的，对于直径为d的单根导线，de=d。根据实际测量偏向开关两入口间距大小确定两笼形馈线中心点之间距离D为455mm；笼形馈线的导线数n为24根；导线的等效直径de为4mm；其特性阻抗W为150Ω。将以上数据代入上式得：即 可求出DEC。将导线的等效直径de=4mm；笼形馈线的导线数n=24和已求得的DEC代入下式, 便可求出笼形馈线的直径Dc，经计算，求得笼形馈线的直径约为300mm。根据以上数据对跳笼进行了重新设计制造，新的跳笼由24根直径4mm的导线制成，采用桶状结构，内直径严格控制为300mm，跳笼长2300mm（可更具实际情况需要调整长度，其长度对特性阻抗无影响）。安装时两跳笼中心间距为455mm，中间利用绝缘瓷固定，保证笼间距，改进后的新跳笼如图9所示。在安装完成后再次进行测试和调整，要依据测试数据对笼间距及依据实际情况对跳笼长度进行细微调整，直到指标满足设计要求，此时即可逐步加电试验和使用。

图9 改进后偏向开关入口跳笼

6．结束语经测试，改进后的跳笼输入输出阻抗为150Ω±1%，安装完成后，利用网络分析仪测得，跳笼入口处播音频段内驻波比小于1.54，符合设计要求。经过24小时负荷试验和累计超过300小时加电试验，改进后的偏向开关未发生打火现象。目前，已对多副天线偏向开关改装了改进型跳笼，通过长时间使用，证明对跳笼的改进有效。短波发射机输出功率高达上百千瓦，因此对于天馈线系统的阻抗匹配有严格要求，当出现阻抗失配时，不仅得不到最大功率传输，直接影响短波广播的覆盖范围，甚至极易对设备产生损害，导致停播事故，因此在天馈线系统的设计中要格外注意各传输通路间的阻抗匹配和数据对比性测试比对，以便细微调整，保证其工作指标始终在合格范围内。 参考文献1. 左智成,李兴华，《电波与天线》，合肥工业大学出版社；2006年：1662. 潘哲昕,王文山，《广播电视天线工艺技术手册》，广播电影电视部文印中心；1993年：163

编辑：中国新闻技术工作者联合会