中波八塔强定向天馈线系统的调试
摘要：本文描述了我台中波八塔强定向天馈线系统的建设内容、工作原理、调试的方法，以及建设的实施效果。
关键词：中波；八塔；强定向天线；调试
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0238-03
我台中波八塔强定向天线始建于1958年，天馈线系统为500KW中波屏调发射机的发射天线，1960年调试完成后播出。至改造前夕，已经使用超过55年。
1997年发射机更新为DX600KW全固态中波机，天馈线系统未改造，馈线老化，馈线笼圈锈蚀严重，拉线和绝缘筒因打火受伤严重。每个调配室内装有方向倒换开关一台，匹配网络三组，移向网络一组，加上通地闸和静电泄放线圈等，显得十分拥挤。
作为已使用长达半个世纪的室外设备，已是全局使用时间最长的拉线塔，塔体为圆钢组合，塔高129M的主柱仅为Φ40圆钢，其设计寿命为50年，已超期服役，为安全起见，对其进行更新改造。
1 中波八塔强定向天线的馈电方式
八塔强定向天线由四座发射塔和四座反射塔组成，发射塔与发射塔间的距离是1/2λ，发射塔与反射塔间的距离为1/4λ，如图1：八塔强定向天线馈电原理图中所示，从发射机出口到主调室匹配网络之间是一条长1000米左右的75Ω主馈线，经匹配网络和移向网络后，由两条分馈线经支馈后送至四个调配室，支馈的特性阻抗是分馈和主馈线的2倍。图中匹配网络为集中参数元件组成的四端网络，由于在不同方向工作时，天线的电流相位均不相等，因此其输入阻抗也不一样，所以在每个方向上有独立的匹配网络。可通过移向网络的相移作用改变天线之间的电流相位差，以实现三个不同方向的区域覆盖。
2 项目主要完成内容
本项目主要完成了以下内容：
1）8座新塔桅基础建设 ；8座铁塔建设；72个地锚基础建设；
2）8座新塔的自阻抗与互阻抗的测试与调整 ；
3）更新一付长1000M的馈线，特性阻抗为75欧姆，Φ6×12+Φ6×24线组合的馈线；新建主调到四个分调室的分馈和支馈 ，并完成测试、安装与调整 ；
4） 新建9间调配室：其中4个发射塔调配室，4个反射塔调配室，1个主调配室；
5）完成9个调配室内匹配网络、移向网络和泄放网络的设计安装调试。
6）利用PLC完成天线方向自动切换控制系统软硬件的设计、安装与调试；
7）完成9个调配室报警系统的设计安装与调试。
3 天馈线系统调试
3.1前期工作
为了尽量在建设周期内完成上述所有的建设项目，机房在建设初期做了大量的工作：
1） 对老塔的结构、调配网络、移向网络、馈线走向、天线切换开关和控制通路等进行了详细了解，并通过仿真等手段，模拟出天线的状态；
2） 利用模拟出的天线状态，结合仿真软件和SMITH圆图，设计出了新天线各调配室的匹配网络和移向网络各设备参数值，
3） 在安装网络和转换开关时根据实际情况对各设备位置加以调整，尽量使各调配室射频信号的路由基本相当，避免路由引起的不必要相移。特别是天线的主向没有移向网络，路由的差距决定了其播出方向前场强度的叠加，移向网络的安装应将非移向的其他调配室路由引起的相位差叠加计算进来，避免天线方向的偏移；
3.2 天馈线系统的调试
对于八塔强定向天线而言，需要完成天线自阻抗的测量和调整，馈线阻抗的测试，匹配网络和移向网络的计算、调试，天线阵前后场强比调试等。
1） 天线反射塔调整
天线反射塔调整的目的是使反射塔上的感应电流的幅值及相对于发射塔的电流相位差达到一定数值，以满足在要求的发射方向上的辐射场强为最强。用运行阻抗电桥将各铁塔的自阻抗测量出来，通过调整反射塔调配室内的串接电抗元件，使其自阻抗为纯阻；
2）天线前后场强调试
将天线切换开关切换至主向，（即将移向网络全部甩开），开启发射机，用场强仪测量1号反射塔前后场场强值；并不断调整反射塔串接电抗元件，每变动一次同时记录前后场强数，这样重复多次找出前场强最大值，此时发射场强与反射场强应达到4：1的标准；然后同步调整其他反射塔的串接电抗元件；
3） 匹配网络的调整
天线匹配网络的作用有两个：①用于终端阻抗匹配，即天线的输入阻抗，经过匹配网络转换后，等于馈线的特性阻抗，阻抗匹配的目的是使负载得到最大的有效功率输出，提高馈线效率，降低馈线的电压，满足定向天线阵各天线间的功率分配与电流相位差的要求；②具有滤波作用，即让工作频率通过，对其他频率，尤其是工作频率的高次谐波有较大的衰减作用。匹配网络可以用Г形、T形或π形四端网络，我台采用倒L形网络，电路如图2Г形网络及等效电路所示。
将运行阻抗电桥串联进调配室到天线发射塔的馈路里，开机测量出天线的运行阻抗，然后切换天线方向分别测量出该天线在其他方向上的运行阻抗，（各方向由于有移向，所以天线的互阻抗是不一样的）恢复馈路后；依次测量出其他发射塔的运行阻抗；利用仿真软件multisim 10.0进行匹配网络电容和电感的计算，依次将各调配室的元器件调整到计算所得匹配位置，从而完成匹配网络的粗调谐。
然后进行细调，将运行阻抗电桥分别串到各发射塔调配室的馈线入口处，开机后调整一号调配室的匹配网络到150Ω，其他调配室先不动，只测量；然后调整二号调配室到150Ω，此时，一号调配室的阻抗已经发射了变化，返回来调整一号调配室；如此反复多次调整后，通过变化趋势图，将调配室的阻抗基本向150Ω靠近，最终让4个分调室达到设计要求；也可以利用挂行波系数的方法进行细调。
在发射机输出口用网络分析仪进行调整，主要是将主馈线跨度大距离地面不等距，引起的阻抗变换进行匹配，使发射机输出口到天线上的阻抗达到设计要求。最后用运行阻抗电桥验证调试效果。
3.3移向网络的调整
八塔强定向天线移向网络均采用T对称网络，其最大的特点是输入输出阻抗ZOT相等计算方便，在天线调试中方便快捷。单T对称网络电路如下图：图3 单T对称网络所示：
运用网络分析仪调整移向网络的移相角度，移相角包括了匹配网络和馈路实测各调配室的误差，通过计算仿真出移向网络的实际工作值，并调整电感电容到计算值；再通过网络分析仪进行角度细调，在调整时做到使其输入输出阻抗不变，即输入和输出阻抗为150Ω，方便以后网络的调配工作。
3.4天线调整中的技术方案
1） 设备冗余性：设计时元器件的电流冗余量是2.5倍，电容的耐压是计算峰值的2.2倍，；电感电容的设计比使用的1.5倍，便于调整；
2） 在对八塔天线进行发射塔之间的互阻测试时，采用多台运行阻抗电桥同时使用的方法，缩短了发射塔之间互阻的来回调试时间，
3） 移向网络的调试上把引线铜棒和匹配网络的移向也叠加进去，由于“Г”网络对应的负载不一样（天线的互阻抗引起的），匹配后的移向角度不一样，相差基本在0.3～2度左右，通过调整移向网络，和匹配网络的相移相加后到天线上得到相位刚好等于移向角，避免了移向角度的误差，影响服务区的收听效果；
4） 制作调整电容的绝缘杆，可以在发射机开机状态下实现真空电容热调，减少了中间关机、测量、调整等循环过程，提高了调试效率。
5） 在设备调试完毕，开机实验时发现在特定时间段内，发射机无法开启，测试后发现是其他频率发射机对本机造成的天线干扰很大，发射机驻波比保护频繁，利用频谱仪确定了干扰频率，测量后发现干扰电压达到120多伏特，为降低干扰电平，需要增加一个泄放网络。通过计算，并利用SMITH圆图和仿真软件multisim 10.0进行网络测试，及时在主调室安装了一个泄放网络，图4及图5分别是利用仿真软件进行泄放网络设计和运行的设计图。
该泄放网络对本频的阻抗为20KΩ，对干扰频率的阻抗呈现的是4Ω低阻，达到泄放的目的，通过安装泄放网络后，对该网络进行了细调，发射机顺利开启，各项技术指标均达到设计要求。
4 实施效果
4.1 增加了天线覆盖区
在天线改造之前，由于元器件老化，八塔天线阵中的三个覆盖区域只有一个区域是可以正常运行的，经过天线改造后，新天线除了原有覆盖方向外，增加了两个覆盖方向，覆盖范围比原有天线扩大了两倍，大大提高了天线的使用效率，自动方向切换系统的实现，让方向切换变得容易。
4.2 天馈线输入阻抗和运行时驻波比等指标符合发射机运行要求
通过从发射机输出口进行测试，天馈线的输入阻抗和驻波比均达到了设计要求。如表1所示：
4.3 运行时测三个方向的发射场强均达到要求
利用场强仪，在GPS定位的地点进行方向性测试，测试数据如图6及图7所示，达到了测试场强要求：
4.4 先进仪器和仿真软件得到了大量使用
在系统调试中大量运用了网络分析仪，频谱分析仪、阻抗电桥，以及SMITH圆图，仿真软件multisim 10.0等先进软硬件设备，大大缩短了建设周期，为今后天线建设和改造积累了大量的实践经验。
5 结束语
我台中波天线技术改造工程于2014年3月通过验收， 7月正式播音，至今已运行了近两年的时间，期间设备稳定，工作正常，因雷电、雨雪等外界恶劣天气引起的停劣播几率明显比更新改造前少，新建调配室完全避免了以往因墙体开裂、漏雨、鼠蛇等引起的停劣播，为安全播出任务的圆满完成奠定了基础。
参考文献：
[1] 张学田.广播电视技术手册[M].新闻出版广电总局出版，2000.
[2] 曹祥玉.天线与电波传播[M].电子工业出版社，2015.
[3] 方芳.单T对称网络和双T对称网络在中波天线中的应用[J].电子技术与软件工程，2015（62）：26-27.
