宽频段同相水平短波天线调配方法研究

宽频段同相水平短波天线调配方法研究
【摘要】由于宽频段同相水平短波天线调配复杂、难度大。

为此，利用我台更换爆皮短截线的机会重新对天线调配方法进行研究，并尝试采用冷调和热调相结合的方法重新对天线进行调配，满足技术要求，天线匹配效果好。

【关键词】宽频；同相水平；短波天线调配
一、引言
我台于前几年更换了两部大功率PSM短波发射机，并重新架设了宽频段同相水平短波天线，馈线采用6线双笼型馈线，同时采用四线平衡短截线进行调配。

其中一部天线主要播6115khz和4900khz两个频率，经过厂家和专家多次调配，在机房窗口处测得驻波比分别为1.36和1.45，即行波系数为0.735和0.68，没有达到双频行波系数为0.8以上的技术要求。

近期，在天线巡检中，发现馈线出现不同程度的爆皮现象，特别在用于调配的短截线爆皮率超过70%。

究其原因，除了铜包钢质量问题外，天线不匹配是其主要原因，在不匹配的短波天线系统中，天线不能从发射机获得最大有效功率；传输线上会形成严重的驻波，增大了传输线损耗；同时，馈线上电压波腹点电压高，容易打火，久而久之就产生爆皮现象。

为此，利用更换爆皮短截线的机会重新对天线调配方法进行研究，并尝试采用冷调和热调相结合的方法重新对该天线进行调配，满足技术要求，天线匹配效果非常好。

二、短截线匹配基本原理
1.短截线单频匹配原理
短波天线的输入阻抗是随工作频率而变化的复数阻抗，把它作为负载与传输线连接，将在传输线上呈驻波状态。

解决天线与馈线的匹配问题，常采用馈线上接入短截线的方法。

短截线是指长度小于二分之一波长的传输线，分为开路线和短路线，其匹配原理相同。

由于短路线的长度在实际中易于调整，故多采用短路线短截线。

匹配原理是：在传输线上选择一适当的位置如图1所示的AB点，由这一位置向天线看去的阻抗是这样一个复数阻抗，其等效导纳的电导Gx等于传输线特性阻抗W的倒数，其电纳Bx由在这一位置外加的短路线来平衡掉。

因为由AB端向短路线看去的输入导纳是一电纳，它与Bx在数值上相等、符号相反，这样在AB端并联的两个电纳产生并联谐振，于是消除了电纳的作用，使AB端的总阻抗是一纯电阻，且等于传输线特性阻抗W。

因此，由AB位置到发射机的主馈线上只有行波而无驻波，从而实现了天线与馈线间的匹配。

应当注意，这时从AB端到天线间仍有驻波存在，所以，匹配短路线的接入位置，在满足上述要求的条件下，选择尽可能靠近天线的位置。

2.短截线的双频匹配原理
图2所示是一种用短路线双频匹配的原理图。

短路线Ⅰ和短路线Ⅱ接入后，利用两路短路线并联谐振，消除了两个匹配频率的反射波。

其匹配原理与单频匹配基本相同，所不同的是，用于匹配第二个频率f2的短路线Ⅱ，其全长l是第一个频率f1的二分之一波长的整数倍，故对已匹配好的f1没有影响，即对f1呈开路状态。

图1 短路线阻抗匹配原理
图2 短路线双频匹配原理图
三、短截线调配方法研究
1.短截线匹配热调方法
热调法主要是利用行波系数表对工作在单频或双频的天线驻波比进行调整，其基本方法如下：
（1）单频的调配方法
首先，用行波系数表找出馈线上靠近天线的电压波腹点的位置，并测出自然行波系数k（k=Umin/Umax），然后算出短路线的插入位置和长度。

在短路线与馈线的特性阻抗相等的情况下，从电压波腹点向发射机方向至短路线接入点的距离d以及短路线的长度l可用下列公式确定：
（1）
（2）
式中，k为自然行波系数，为工作波长，反正切的角度单位取弧度。

调整时，应注意的是，将短路线先绑好而暂不焊接，经细调使行波系数达到要求后，才进行固定焊接。

调整的原则是：从调配线接入点往机房方向内先出现电压最大点（波腹点），说明接入点呈正电抗（俗称呈感性），也就是负电纳，因为并联的短路线其电纳为，为了使接入点呈纯电阻，需要减小By的数值（绝对值），所以要加大l；反之，当先出现电压最小点（波节点）时，呈容性，应当减小l。

这样调整之后，最终必定使接入点达到纯电阻。

当接入点为电压最大点时，说明所选接入点R>W，为了减小R，应当将接入点机房方向移动；反之，当接入点为电压最小点时，接入点向天线方向移动。

具体移动的距离视波长、行波系数而定，可在实践中掌握。

（2）双频调配方法
首先，测得两个频率的自然行波系数k1、k2及其距天线最近电压波腹点的位置。

选择其中电压波腹点距天线较近的频率作为第一个匹配频率（考虑到调配线长度有限，第一个匹配频率选择高频比较好）。

采用上面介绍的短路线匹配单
频的方法对频率f1进行匹配，如图2所示短路线Ⅰ。

因接入短路线Ⅰ对第二个频率f2的工作状态有影响，因此需要再次测量f2的行波系数K’2和电压波腹点Umax2的位置。

然后，按式（1）确定短路线Ⅱ的接入位置距Umax2的距离d2。

匹配短路线Ⅱ的两段长度l1、l2按下式计算：
（）（3）
（4）
正负号的取定原则为：取正号时，短路线Ⅱ应在向发射机方向距电压波腹点为d2处接入；取负号时，短路线Ⅱ应在向天线方向距电压波腹点为d2处接入。

需要说明的是，当与相近且的自然行波系数时，（4）式圆括号内的数值会大于1，这种情况就不能采用这一方法进行双频调配了。

调整时，应注意的是，将短路线先绑好而暂不焊接，经细调使行波系数达到要求后，才进行固定焊接。

另外，调整中必须保证，否则会影响已调好的f1的行波系数。

f2调整好后，需要对f1的行波系数进行复测。

2.短截线匹配冷调方法
冷调法就是利用PNA3628DP型网络分析仪频域测量法和时域故障定位法对短波天线进行调配。

频域测量法按图3连接，反射电桥测试端口为反射系数S11的测试端口，可以直接接上待测件进行测试，也可通过保护接头或测试电缆后再接待测件进行测试。

接上待测负载，即可用圆图看变化趋势，较为直观，但需要结合丰富的实践经验，并结合其它测量方法对驻波比较大的频率进行调整。

时域故障定位法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，可以直观地指导调整工作，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。

图3 网络分析仪测驻波比连接图
3.热调法和冷调法优缺点
热调法主要是利用行波系数表对工作在单频或双频的天线驻波比进行调整，调整效果好，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存在局限性，且调整中需要加高压，对人员安全造成威胁。

冷调法在确定短截线接入点时比较麻烦，但可以快速定位宽频段同相水平天馈线通路上引起驻波比变差的位置，同时可对驻波比进行精确的调整，大大缩短调整时间，而且调整非常安全、高效。

四、调配实例
根据热调法和冷调法的优缺点，我台在更换爆皮的短截线调配线的过程中，采用冷调和热调相结合的方法。

在制作短截线的过程中，尽量保持原来参数和尺寸，然后通过热调法对两个频率的调配插入点进行验证，确保插入点误差不大，
这样可以减少调配时间。

最后，使用冷调法进行细调，确保行波系数满足要求。

下面介绍实际的调配思路和过程。

首先，发射机开机加半高压状态，用行波系数表在笼型馈线上测出6115khz 和4900khz两个频率的自然行波系数k1、k2分别为0.28和0.14，距天线最近电压波腹点的位置如图4所示。

其次，选择高频6115Khz作为第一个匹配频率，采用图4所示的典型短截线调配方式，并利用式（1）和式（2）计算出：
（米）
（米）
离最小点距离
（米）
再次，因接入短路线Ⅰ对第二个频率f2的工作状态有影响，因此需要再次测量f2的行波系数k’2为0.25和电压波腹点Umax2的位置。

然后，按式（1）确定短路线Ⅱ的接入位置距Umax2的距离d2：
（米）
匹配短路线Ⅱ的两段长度、按式（3）、式（4）计算：
（米）
（取-号）（米）
（米）
从计算长度看，两个频率的插入点和4900Khz的短路线位置与更换前的位置基本不变，6115Khz的短路线位置变化大些。

最后，我们按计算长度接入两路短路线，并在机房窗口采取冷调法用网络分析仪进行反复调整。

调整中，要注意摸清6115Khz的l和4900Khz的变化对f1、f2波形变化的规律，也可以进行阻抗推导，找到规律。

调整需要耐心和技巧，否则很难让两个行波系数都满意。

通过调整，最后行波系数为k1=0.88，k2=0.85，满足技术要求。

五、结论
由于宽频段同相水平短波天线调配复杂、难度大，采用冷调和热调相结合的
方法可以达到事半功倍的效果。

通过热调法确认两个频率的调配插入点，使用冷调法可以快速定位宽频段同相水平天馈线通路上引起驻波比变差的位置，同时对驻波比进行精确的调整，大大缩短调整时间，而且调整非常安全、高效。

参考文献
[1]邮电部电信总局，短波天线维护手册[M].人民邮电出版社，1991.
[2]苏英智，丁冬宜.中短波电波传播和天线实用手册[M].广播电影电视部无线电台管理局，1987.。