驻波比保护

驻波比保护（精选6篇）

驻波比保护 篇1

摘要：文章从DX-400中波发射机功放单元驻波比取样信号、天线驻波比和网络驻波比工作原理进行阐述, 结合电路, 对平时出现的驻波比保护故障进行分析, 并提出维护要点。

关键词：DX-400中波发射机,天线驻波比,网络驻波比,弧光检测

DX-400发射机是美国哈里斯公司生产的的全固态数字调幅中波发射机。其由两个DX-200功放单元组成。发射机运行时, 如果驻波比几乎等于1, 即馈线和天线的阻抗基本完全匹配, 此时高频能量全部被天线辐射出去, 基本没有能量的反射损耗;驻波比为无穷大时, 表示全反射, 能量完全没有辐射出去。每个PB都有一套相同的驻波比保护系统, 当驻波比超过一定的阈值, 即有过多的反射功率, 能量过多的损耗时, 发射机自我保护。这套驻波比保护系统分为两部分:天线驻波比保护和网络驻波比保护, 如图1所示。当发射机在运行过程中受雷击、天馈线系统参数发生变化导致发射机负载阻抗发生变化时, 发生天线驻波比保护, 当功放单元输出网络失配, 真空电容性能降低或检测到某个功放机打火等, 发生网络驻波比保护。

如图1所示, 射频功率取样板上的天线射频电压、电流取样信号和网络射频电压、电流取样信号经幅度、相位调节电路, VSWR校准电路和取样输入调谐电路连接到各自的检波器。天线驻波比的检波直流输出电压加到输出监测板天线驻波比比较器U18, 网络驻波比的检波直流输出电压加到输出监测板的网络驻波比比较器U17。当输出电压超过比较器的基准电压, 比较器输出高电平, 形成天线/网络驻波比故障保护信号, 发送到射频封锁逻辑电路, 发射机降功率或关机。上、下弧光传感器连接到它们各自弧光检测器和VSWR测试逻辑电路后连接到网络驻波比的检波器上, 因此, 打火故障都是按网络驻波比故障处理。

1天线驻波比保护

1.1天线驻波比电压、电流取样电路工作原理

如图2所示, 天线驻波比的射频电压取样信号经电容C6和C27、可选择接入电容C16和C21、可调电容C17和C26三组电容组的分压后, 通过天线驻波比调谐电路, 连接到T1 (驻波比检波变压器) 的初级绕组T1-2端。S4决定C21和C16是否接通, 粗调取样信号电压的幅度。可调电容C17和C26, 微调取样信号电压的幅度。

取自射频耦合线圈T4的天线驻波比射频电流取样信号, 经过驻波比校正跳线JP3和相位调节后, 连接到T1 (驻波比检波变压器) 的初级绕组T1-7端。S3和S6决定C8、C10、C12、C14是否接通, 粗调取样信号电压的幅度。可调电容C15和C25用于微调取样信号电压的幅度。

当发射机的输出阻抗与天馈线匹配时, 传输线上入射波很大、反射波很小, 行波系数大, 各点的电压与电流几乎同相位。射频功率取样板天线驻波比的射频取样电压与电流几乎同相位, 此时发射机正常运行。

如果天馈线与发射机输出阻抗由于雷电感应或者其他原因未得以匹配, 馈线上就有反射波存在, 驻波比变大。此时, 射频功率取样板的取样电压与电流相位不同。所以, 电流就会流过变压器 (T1) 的初级绕组, 在变压器次极绕组中感应出电压。于是, T1的次极与二极管构成检波电路, 产生一个直流输出电压。这个标志着天线驻波比的检波直流输出电压, 从射频功率取样板J3送至输出监测板J11, 如图2所示。

1.2天线驻波比保护电路工作原理

如图3所示, 天线驻波比取样信号经T1变压后直接通过R82、R83连接到比较器U18 (LM360) 的2引脚。当这个天线驻波比的检波直流电压超过U18-3基准电压时, 比较器U18-6输出高电平。该高电平一路经过U29、U14、Q23, 形成天线驻波比低电平检测信号;另一路通过触发器U24 (74C221) 送到可编程逻辑 (PAL) U26。对于单次驻波比超过阈值, J6-9保持4秒钟逻辑低电平 (由R66、R67、C76组成的定时电路) , 这个低电平脉冲使故障LED板上的VSWR测试灯DS21状态红色指示灯保持4秒钟;如果20秒内发生连续的驻波比超过阈值, U26将每隔4秒钟向控制板的功率反馈PAL U1发一组降功率数字信号, 最后到模拟输入板的U12执行降功率命令, 直到降为安全值为止。

2网络驻波比保护

如图3所示, 网络驻波比电压取样信号取自输出网络3C3、3C4, 加到输出监测板J10上, 经输出检测板的C4分压后送至变压器T2的7引脚。网络驻波比电流取样信号取自功放右柜的功率合成始端线圈1T3, 加到输出监测板J2上后送至变压器T2的2引脚.网络驻波比电路与天线驻波比电路基本相同, 主要监测输出网络系统是否正常, 各功放柜的馈线是否打火, 有无网络驻波比故障。当输出网络系统设备故障或者馈线打火造成网络失配, 发射机降功率或者关机。弧光检测器预警也会造成网络驻波比保护。

弧光检测器监视着功放机柜和输出匹配网络的工作情况, 一旦发射机馈管出现打火现象或者电路板、元器件等出现燃烧发光现象时, 弧光检测器工作。若对打火或者燃烧现象不立即制止, 将会造成更大更严重的损失。因此, 为了保护设备的安全, 在发生打火时, 应暂时关闭发射机。所以, 在中、右、扩展柜、匹配柜中安装弧光检测器 (注:中柜的弧光传感器有两个光传感头, 分别检测中柜和左柜的弧光) 。如图四所示, 弧光检测器主要元器件是光敏电阻, 光敏电阻当监测到打火 (弧光) 时就会导通, J1-5与VCC导通, 形成打火故障信号, 即高电平, 并发送到输出监测板。输出监测板接收到打火故障信号, 连接到电压比较器U9 (LP338) 的负极端。因此发生打火时, 比较器的负极端电压变为高电平, 高于比较器的正极端电压, 输出一个逻辑低电平, 经过一个反相器后输出到VSWR测试网络, 相当于出现了一个VSWR动作。

3典型故障实例分析

3.1小动物误入扩展柜合成棒遭到电击引起的驻波比保护动作

[故障现象]:发射机DX-400在运行时, PB1发射机DX-400在运行时, PB1突然出现驻波比保护后关机, LED面板驻波比故障指示灯DS25亮红灯。发射机自动重启还是驻波比故障保护, 变成PB2单独播出。PB1内传出浓焦味。

[故障查找与排除]:首先考虑到有动物蛋白质烧焦异味, 应该是小动物爬到PB1合成棒中遭到电击打火导致的驻波比故障。依次打开功放单元机柜, 初步判定哪个机柜的异味最重, 并观察各个机柜内功放模块指示灯指示情况, 因为小动物在合成棒内烧焦很容易引起附近的功放模块损坏。最后判定扩展柜内异味最重, 而且该柜内的A1功放模块指示灯亮红灯。打开扩展柜后门, 依靠手电筒仔细查找, 在合成棒中段发现一烧干的小壁虎。用镊子取出。清扫干净, 确定没有其他异常后关门。更换功放模块, 确定PB1指示都正常后试机, 正常工作。设备倒换到并机模式, 开机, 发射机正常播出。

3.2天馈线馈线和地线短路引起的驻波比保护动作

故障现象:梅雨季节时期, 多雨空气潮湿, 节目传播过程中, 多次出现驻波比故障, 两部PB反复开关机。

故障查找与排除:考虑到是两部PB同时出现驻波比故障, 故障肯定是出在合成输出网络公共部分, 检查发射机合成网络柜各个元器件, 未发现异常, 排除机房内故障。巡视天线场地天馈线, 发现在主馈线的几根支柱上的隔离馈线和地线的陶瓷绝缘子有明显的打火现象, 时不时的闪着电弧, 火线零线瞬间短路瞬间开路。检修时用酒精擦拭掉绝缘子表面灰尘。再遇上雷雨天气, 发射机基本不再出现此类驻波比故障。

3.3输出网络柜的元器件损坏引起的驻波比保护

故障现象:发射机在运行过程中, PB1出现驻波比故障指示灯亮红灯, 发射机降功率播出, 重新开成高功率, 又自动降功率。

故障查找与排除:打开发射机左柜, 观察输出检测板上的网络驻波比灯DS3, 当发射机开到高功率时, DS3灯会亮。在低、中功率发射机能正常播出, 在高功率的时候发射机发生驻波比故障。首先弧光检测器没有亮灯, 则排除打火现象造成故障;其次在低、中功率时, 发射机能正常播出, 也排除了输出阻抗不匹配造成故障;最后考虑输出网络元器件处于损坏的临界值状态, 检查各个元器件是否损坏, 测量元器件的各项指标, 发现是磁片电容C2耐压值偏低, 更换电容, 试机, 发射机恢复正常运行。

4结语

驻波比保护的原因有很多, 有天馈线系统失配, 输出网络阻抗失配, 机柜器件打火, 驻波比检测电路问题等, 其中天线驻波比和网络驻波比是DX发射机系统安全保护的常见保护手段之一。严重的驻波比故障还会引起长时间的停播。通过对不同现场的分析排查, 平时定期进行手动驻波比测试, 保证发射机设备安全和减少停播。

参考文献

[1]广播电视发送与传输维护手册DX-400KW中波发射机[z].2000

[2]HARRIS DX-200 POWER BLOCK LIQUID COOLED[DWG.REV.A], 917-2178-500

驻波比保护 篇2

中波天馈系统的驻波比是衡量系统指标的重要参数之一, 它直接影响着天馈线系统的稳定性和传输发射效率。驻波比全称为电压驻波比 (VSWR) , 是英文Voltage Standing Wave Ratio的简写。在无线电通信中, 天线与馈线阻抗不匹配或天线与发射的阻抗不匹配, 高频能量就无法全部发送出去, 被反射折回, 产生驻波, 对设备造成损害。为了表征和测量天线系统中的驻波特性, 也就是天线中入射波与反射波的情况, 引出了“驻波比”这一概念。

驻波比保护系统是发射机的一项重要保护措施, 在发射机出现输出异常情况下, 它能及时封锁输出功率, 有效保护设备。S7HP型1000kW中波发射机是Thomson公司生产的具有世界先进水平的大功率全固态发射机, 其并机网络与其他公司生产的同类型的固态中波发射机的并机网络有所不同, 没有采用90o相移和平衡电阻的并机网络, 而是采用了几个功放单元输出直接相并, 经滤波网络送至天馈线输出, 这种并机网络虽然简单、经济, 但却对并机网络提出了更严格的要求, 要求驻波比保护系统更加灵敏。S7HP型中波发射机驻波比保护系统是由两套保护电路组成, 即快速驻波比保护和驻波比越限保护电路。驻波比越限保护电路的门限值为1.3, 此值为驻波比的平均值, 即驻波比的平均值超过1.3时, 进行保护, 主要用于匹配网络中元器件参数的变化引起驻波比变化时, 对设备提供保护;快速驻波比保护电路的门限值为3.0, 此值为驻波比的瞬时值, 即驻波比只要超过3.0立刻保护, 主要用于天馈线异常、雷击、编码板失效或某个单元输出异常等引起驻波比突变时, 提供快速保护。现对这两套驻波比保护电路进行分析。

2 驻波比保护系统

2.1 驻波比探头

S7HP型中波发射机的驻波比探头, 即入射波和反射波的取样电路, 与其它发射机类似, 实际上就是一个定向耦合器, 其原理如图1所示。在发射机正常运行时, 在电感线圈L3上感应的入射波与反射波的电流方向相反, 即流过L3的电流为i反-i入, 调整电阻R1、R2, 使由电容分压器C1、C2、C3耦合的信号在电阻R1、R2上产生的电流为i反+i入, 这样使得流过A点的电流为2i反, 即在A端取样得到反射波信号, 同理在B端得到入射波信号。在发射机上进行调整测试时, 可用示波器观察反射端A点的输出波形, 通过调整电感线圈方向和可调电位器使之波形的幅值尽可能小, 当幅值达到最小时, 此时测得的信号即为反射波信号, 另一端则为入射波信号。

2.2 驻波比越限保护电路

由驻波比探头采样得到的反射波与入射波信号, 经过检波器后, 送至测量板进行驻波比运算, 得到驻波比的平均值, 并经数字化处理与参考驻波比门限值比较。这里用驻波比的平均值来做比较, 是为了防止驻波比探头或线路受干扰而产生误动作, 参考驻波比门限值通过人机界面 (触摸屏) 设定, 一般设定为1.3。当驻波比平均值超过1.2时, 发射机自动降相应的功率;当驻波比平均值超过1.3时, 测量板上的驻波比保护电路产生的驻波比越限故障信号 (VSWR exceeding threshold fault) , 将通过快速安全板、快速封锁板去封锁射频激励信号和编码板输出的编码调制信号 (我们称为4th信号, 控制射频模块的通断) , 使发射机封锁1s, 无功率输出;当驻波比值正常时, 发射机恢复播出, 如果在10s内, 连续出现四次驻波比越限故障信号, 则永久封锁发射机功率, 保护设备的安全, 如果10s内, 没出现四次驻波比越限故障信号, 则计数器清零。

2.3 快速驻波比保护电路

由驻波比探头采样得到的入射波信号, 经检波器得到音频信号送至快速驻波比小盒, 经过峰值陷波处理后, 形成REF-ROS+与REF-ROS-信号, 如图2所示。反射波信号经MA2缓冲器输出后, 分别与REF-ROS+与REF-ROS-信号在比较器MA3和MA4上进行比较, 如图3所示, 反射波信号u反、REF-ROS+与REF-ROS-信号的波形分别如图4所示。

该保护系统是由两个信号波形直接进行比较, 不经过数字化处理, 相比测量板上的驻波比越限保护系统, 速度更快、更灵敏, 为防止在信号峰值时, 易受干扰而产生误动作, 采用了峰值陷波处理。该保护电路的门限值为3.0, 当瞬时驻波比值超过3时, 比较器MA3、MA4的非端输出分别经Q1反相后, 产生负脉冲信号去触发由555定时器MA8、MA9构成的单稳态电路。图3中, 由555定时器MA9构成的单稳态电路产生快速驻波比故障信号 (Fast VSWR protection fault) , 通过快速封锁板去封锁射频激励信号和编码板输出的编码调制信号。如图5所示, 使发射机封锁1s, 无功率输出。为了使快速驻波比故障信号产生的同时, 驻波比越限保护系统也起作用, 确保设备保护更加安全、可靠。图3中由555定时器MA8构成的处理电路, 其输出端与测量板上的驻波比越限保护系统的输出端通过或门电路共同产生驻波比越限故障信号, 这样, 驻波比越限故障信号就由快速驻波比小盒和测量板两路决定, 提高了驻波比保护系统的可靠性。当发射机实际驻波比大于1.3而小于3时, 人机接口的故障菜单显示驻波比越限故障, 快速驻波比保护系统不动作;当驻波比大于3时, 两套保护系统同时都起作用, 而人机接口的故障菜单只显示快速驻波比故障, 即快速驻波比优先级别高于驻波比越限。由于这两套保护系统既独立, 又相互关联, 使得整个驻波比保护系统更加稳定、灵敏。

2.4 快速封锁板

S7HP型中波发射机输出由三个功放单元合成, 虽然各功放单元均引入驻波比越限和快速驻波比保护, 在其中某一单元出现问题时, 却只能对本单元进行保护, 但是却未能与其它各单元相互之间互锁, 造成各单元之间并机失衡。为了解决这一问题, 我们在各功放单元及并机管理之间引进了快速封锁板 (Fast blocking board) , 如图5所示。每一个单元的快速封锁板的检测信号有两路, 其中一路来自快速安全板;另一路来自快速驻波比故障信号。其工作原理为:当驻波比探头检测到异常信号时, 快速驻波比小盒动作, 产生快速驻波比故障信号, 输入到快速封锁板的J5端。该板上的板载芯片M N1同时从Pin18/19及Pin38送出不同的控制信号, Pin38用于封锁射频驱动信号, 在本单元中, 将产生快速射频信号丢失故障 (Fast RF missing fault) ;Pin18/19用于控制编码输出封锁该单元功率输出。同时, Pin39输出控制信号通过J3送到另外各功放单元及并机的快速封锁板, 作为其它功放单元快速封锁板信号的输入, 用于控制其激励和编码板。这样, 各功放单元的封锁就达到了同步, 进一步保护了发射机。

3 驻波比保护系统的改进

我台地处南方沿海, 为雷雨多发地区, 且天线靠近海边, 周围均无高层建筑及山坡, 天线区周围10km范围均为开阔地带。1#机天线塔高151.5m, 2#机天线塔高120m, 均属高大建筑, 很容易着雷或感应雷电。而全固态中波发射机均采用半导体元器件及各类芯片, 其防雷及抗干扰能力远不如电子管发射机, 况且, S7HP型中波发射机并机网络结构简单, 频繁雷击会对射频功放模块及其相关元器件造成极大损坏。为此, 我们对发射机的整个防雷系统进行了改进, 更新改造了天调网络, 将电感改为接地结构;加装了低压浪涌保护器;同时, 对驻波比保护系统也进行了相应的改进。

S7HP型中波发射机在出现因天馈线异常而发生驻波比故障时, 发射机的封锁时间仅为1s, 而雷击现象为多样化, 部分雷击在短时间内会发生多次, 并产生大量的电荷, 发射机在遇到雷击保护1s后, 又会重新恢复功率输出, 这样, 在连续雷击时, 极易损坏正在工作的模块。令外, 在并机驻波比保护系统中没采用快速驻波比保护的方式, 隐患极大。为了防止雷击, 我们启用了发射机的外部封锁 (External blocking) 功能, 将发射机并机柜的快速驻波比小盒中的555单稳态触发器MA9的延时电路进行了改进, 如图3中所示, 将C38=2.2μF改为C38=10μF, 从而将延时时间增大为4s, 在第一次雷击时, 便对发射机的功率输出封锁时间达4s, 防止在4s内连续雷击, 造成功率模块的损伤, 达到了良好的使用效果。

4 结束语

我台于2001年引进两部S7HP型1000kW全固态中波发射机, 该机型在国内较少见, 没有维护经验可借鉴, 厂家提供的资料略而不祥, 给我们的维护工作带来很多困难, 我们通过在实践中不断地学习和摸索, 积累了维护经验。本文仅仅是我们维护中的一点改进, 供同行参考。

摘要：本文结合实际维护经验, 对发射机驻波比保护系统进行了分析, 并对驻波比保护系统存在的不足, 提出了改进措施。

卫星通信地球站天馈系统驻波比 篇3

一般情况下, 传输线上存在入射波和反射波, 它们互相干涉形成驻行波。入射波与反射波同相叠加达最大值, 反相叠加达最小值。传输线上电压最大值与电压最小值之比, 称为电压驻波比, 简称驻波比, 用S表示, 即:

式中, U+表示入射波电压, U-表示反射波电压。

式中, ZL表示负载阻抗, Z0表示传输线的特性阻抗。

当ZL=Z0时, |Γ|=0, 则S=1, 传输线上无反射波出现, 只存在入射波, 此时传输线与负载处于匹配状态。

当ZL≠Z0时, |Γ|>0, 则S>1, 传输线上同时存在入射波和反射波, 此时传输线与负载处于失配状态。

若以功率的观点来看, 驻波比可以表示为:

式中, P+为正向功率, P-为反向功率。式 (4) 为测量驻波比的理论依据。

二、天馈系统驻波比测量

1. 双定向耦合器。双定向耦合器是一种微波四端口无源器件, 其主要作用是对射频信号进行取样。它可以识别传输线上的正向和反向功率, 是微波测量中常用标准器件, 也是反射计、矢量网络分析仪等仪器的关键器件。2.天馈系统驻波比测量。如图1所示, 双定向耦合器有一对主端口和一对耦合输出端口。功率从入射主端口 (P1) 输入, 会在正向耦合端 (P3) 产生一个功率取样;当功率从反射主端口 (P2) 输入时, 反向功率取样会在反向耦合端 (P4) 产生。测量天馈系统驻波比时, 将双定向耦合器的入射主端口 (P1) 与发射机输出端口连接, 反射主端口 (P2) 与馈线连接。用功率计分别在正向耦合端 (P3) 和反向耦合端 (P4) 测量正向功率P+和反向功率P-。由式 (4) 即可计算出天馈系统驻波比S。3.天线驻波比测量。如图2所示, 当双定向耦合器的入射主端口 (P1) 与馈线连接, 反射主端口 (P2) 与天线连接时, 用同样的方法即可测得天线驻波比。由于馈线是存在损耗的, 对入射波和反射波都有衰减, 因此天馈系统驻波比会比天线驻波比低。

三、驻波比偏高的原因及其影响

1. 驻波比偏高的原因。 (1) 天线受潮, 天线本身的质量问题或施工过程对天线造成损坏, 从而导致天线的阻抗和馈线的阻抗不匹配。 (2) 馈线受潮, 馈线本身质量问题, 馈线弯曲过大或者有异物进入馈线。 (3) 馈线接头受潮, 馈线接头制作工艺问题, 馈线与天线之间的连接问题。2.驻波比偏高的影响。 (1) 在驻波比偏高时, 一部分能量被反射回来, 馈入天线并辐射出去的能量减少, 降低通信质量。 (2) 所有的馈线都会消耗一部分通过的功率而转化为热能, 使馈线升温。所以, 发射机所产生的能量不是被天线辐射出去, 就是被馈线以热量的方式散发出去了。当驻波比偏高时, 馈线的热量散发就更高了。 (3) 当驻波比过高时, 大量的能量被反射回来, 造成馈线和发射机高频打火, 严重时可能烧坏馈线或损坏发射机。

四、结论

在单位没有配备矢量网络分析仪的情况下, 本文提出了采用双定向耦合器和功率计对天馈系统驻波比进行测量的方法。与昂贵的矢量网络分析仪相比, 双定向耦合器价格便宜, 体积小, 重量轻, 不易损坏, 使用方便, 且此测量方法简单适用, 实际操作可行。因此, 该测量方法具有重要的现实意义。最后分析的驻波比偏高的原因及其影响, 极大地突出了天馈系统定期维护的重要性, 并为技术人员解决驻波比过高的问题指出了方向。

参考文献

驻波比保护 篇4

目前,国内外学者对射频同轴电缆传输特性的研究相对较少,主要集中于信号衰减特性分析,还有部分学者对温度-频率变化下的信号响应进行了研究,而对射频同轴电缆另一个重要参数VSWR还有待进一步研究。刘晓曦研究了高频信号在射频同轴电缆中传输时对传输特性的影响［2］; 李远东等人对常温下不同结构射频同轴电缆在不同信号频率时的衰减常数进行了研究和探讨［3］; 陈竹梅等人对不同温度影响下射频同轴电缆的信号幅相特性进行了研究［4］; J. Zhang等人对高频信号在互连线的终端响应进行了研究［5］; G. Bao等人则研究了在时域有限差分法和有限元法结合下的信号完整性［6］。VSWR反映的是电缆的特征阻抗是否均匀［7］,VSWR的性能会对电缆的传输功率、反射损耗和传播信号的完整性产生影响,也是电缆在加工制造过程中的一个难点。以SFB50-3 型号的射频同轴电缆为研究对象,通过建立三维有限元仿真模型,分析了内外导体直径偏差、绝缘层介质发泡度偏差、内外导体的偏心度等因素对射频同轴电缆VSWR的影响。

1 射频同轴电缆VSWR产生的原因

对于理想的射频同轴电缆,在阻抗匹配的情况下,电缆的反射系数为零,然而事实上阻抗完全匹配的电缆是不存在的,在生产制造过程中,电缆内外导体直径、绝缘层外径、绝缘偏心度,都不可避免地存在制造误差,从而造成沿长度方向上各个点的特征阻抗的微小变化［8］。电缆的特征阻抗沿长度方向上的细微变化,都会造成电缆信号反射。图1 表示了射频同轴电缆反射形成的原理,信号的反射会影响终端接收信号的质量,轻者造成传输信号的质量下降,严重的使电缆信号传输无法正常进行。

2 射频同轴电缆VSWR的计算

根据传输线理论,R、L、C、G为射频同轴电缆的4 个特性参数,这些特性参数与射频同轴电缆内外导体的结构尺寸、电缆使用的材料和传输信号的频率等因素有关。这4 个特性参数可以构成一个集中参数等效电路模型［9］,如图2 所示。

射频同轴电缆的有效电阻R为内外导体电阻之和,其计算表达式如下

式中: R1为外导体电阻; R2为内导体电阻; D为外导体等效直径; d为内导体等效直径; σ 为铜的电导体; f为工作频率,单位为MHz; μ 为铜的磁导率。

射频同轴电缆电感计算公式为

射频同轴电缆电容计算公式为

式中: ε0为真空中的介电常数; εr为绝缘层相对介电常数。

射频同轴电缆电导计算公式为

式中: tanδD为绝缘层的介质损耗角正切; ω = 2πf为角频率。

根据定义,射频同轴电缆的特征阻抗可以表示为

绝对均匀的电缆是不存在的,射频同轴电缆特征阻抗在长度方向会有所变化,特征阻抗从Z1变至Z2时,可根据下式计算反射系数

根据VSWR的定义,VSWR可以用反射系数表达为

分析式( 1) ~ ( 7) 可得,射频同轴电缆VSWR的影响因素包括: 1) 内外导体的结构尺寸; 2) 绝缘层的结构尺寸; 3) 内外导体的磁导率; 4) 内外导体的电导率、绝缘介质层的相对介电常数和工作频率。

3 射频同轴电缆VSWR影响因素分析

以型号为SFB50-3 的射频同轴电缆( 如图3) 为例建模分析,其特征阻抗为50 Ω。利用COMSOL进行仿真时,根据传输波长来取仿真模型长度［10］,在这里取模型长度为50 mm,传输信号功率2 W,在500 MHz ~10 GHz的频率范围内进行扫频分析,仿真模型的几何参数和材料性能参数见表1,内外导体均为镀银铜导体,绝缘层和护套均为PTFE( 聚四氟乙烯) 。

3. 1 内外导体直径偏差对VSWR的影响

采用上述仿真模型,保持电缆长度50 mm,传输信号功率2 W,建立内外导体直径偏差分别为1% 和2% 的模型进行仿真,得到射频同轴电缆特征阻抗偏差 ΔZ0和VSWR曲线分别如表2 和图4~5 所示。

从表2 可以看出,当内( 外) 导体直径有1% 和2% 偏差时,特征阻抗分别产生0.51Ω和1.16Ω的偏差。根据GB/T17737.2—2000的要求,SFB50-3型射频同轴电缆的特征阻抗偏差不得大于±2Ω,内外导体直径偏差越大,特征阻抗偏差也将越大,特征阻抗偏差越大反射系数越大,VSWR也会越大。

从图4 和5 可以看出:

1) 射频同轴电缆VSWR峰值随着频率的增大而增大。

2) 内( 外) 导体偏差越大,VSWR峰值越大,这是因为内( 外) 导体直径偏差1% 和2% 时,特征阻抗将分别产生0. 51 Ω和1. 16 Ω 的偏差; 特征阻抗偏差越大VSWR也越大。

3) 内( 外) 导体偏差对射频同轴电缆VSWR的影响随着频率增加而减小,但差异较小。

4) 内外导体偏差相同时,VSWR有相同的偏差,这是因为内外导体偏差相同时引起的特征阻抗偏差也相同。

4. 2 绝缘层质量对VSWR的影响

射频同轴电缆VSWR与绝缘层相对介电常数 εr有关,其计算公式为

其中: P为发泡度; εrh为发泡层高密度PE的相对介电常数εrm为发泡层低密度PE的相对介电常数; Kh为发泡层高密度PE的百分含量; Km为发泡层低密度PE的百分含量。

式( 8) 中的 εrh,εrm和原材料有关,Kh和Km可以精确地控制。因此发泡度P是影响绝缘层介电常数的主要原因,以型号SFB50-3 射频同轴电缆进行研究,发泡度有1% 和2% 偏差时,带入式( 8) 可得 εr偏差为1% 和2% ,特征阻抗偏差分别为0. 25 Ω 和0. 49 Ω,与内( 外) 导体偏差相比,在同样偏差1% 和2% 的条件下,绝缘层质量对特征阻抗的影响较小。设置传输信号功率2 W,建立发泡度偏差分别为1% 和2% 的模型进行仿真,得到VSWR峰值见表3。

从表3 可以看出,发泡度偏差会造成射频同轴电缆VSWR的增大,偏差越大相同频率下的VSWR越大。随着频率的增加发泡度偏差对VSWR的影响逐渐减小。

4. 3 内外导体的偏心对VSWR的影响

由于制造误差等原因,射频同轴电缆的内外导体会有一定的偏心度,从而导致特征阻抗的变化,进而影响射频同轴电缆VSWR。内外导体偏心度分别为2% 、4% 、8% 和16% 时,采用上述仿真模型,保持电缆长度为50 mm,传输信号功率2 W,可得偏心度与特征阻抗偏差 ΔZ0对照见表4。

由表4 可以看出,内外导体的偏心度对特征阻抗的影响比较小,偏心度达到8% 的时候,特征阻抗的偏差仍然不到1% ,因此偏心度对VSWR的影响很小。

除上述因素外,内外导体不圆及粗细不均匀、挤压变形、扎纹不规则等都是影响射频同轴电缆VSWR的因素。

5 结论

射频同轴电缆VSWR性能的好坏会影响电缆的传输功率和电缆传播信号的完整性,因此VSWR性能是评判电缆质量的重要参考指标,射频同轴电缆的阻抗不均匀性是造成VSWR性能变差的根本原因。

驻波比保护 篇5

关键词：TSD-50KW中波发射机,故障分析,调试

2011年我台新落地两台50KW中波发射机, 分别为945KHZ和1476KHZ, 在调试安装过程中, 我们遇到了天线驻波比故障, 具体情况如下:

【故障现象】:在调机过程中TSD-50KW 945KHZ中波发射机, 首先我们将机器接到假负载上进行调试, 机器运转正常, 没有出现任何故障现象。之后我们将机器接到天线上, 进行进一步的调试。开高压, 升功率, 欲使功率达到50KW, 伴随升功率过程, 天线驻波比超限保护电路连续动作, 随之功率下降至40k W左右, 继续升功率, 功率上升不上去, 天线驻波比保护红灯亮。然后我们分别用低功率、中功率、高功率开机, 都是同样的结果, 功率升不到额定功率, 天线驻波比报警, 复位后, 仍然报警。故障出现时反射功率在3-4KW, 天线零位也不大, 表头指示在1.1左右。

我们对此问题进行了分析:考虑到引起天线驻波比有很多种原因:

在发射机的运行中, 由于网络失谐、馈线短路、放电打火、输出检测板、输出取样板、天线驻波比通路等多种情况发生, 发射机会在瞬间产生驻波比保护, 控制系统也将产生射频封锁, 使所有的大台阶和二进制射频放大器关断19ms, 发射机瞬间输出功率为零, 进而保护发射机, 并在LED指示板上点亮VSWR故障指示灯 (红灯) 。

我们由天线向发射机方向查找原因。

1 天调网络失谐导致的。

因为在发射机在假负载上调试时正常, 我们首先排除了本机设备的故障, 首先考虑的是天调网络的问题, 由于我台是使用的两个频道的双频共塔, 我们首先查看了天调室内是否有打火的痕迹或者局部过热的现象, 并考虑是否由于天调网络中设置的陷波网络和阻塞网络是否设计不符合, 导致的天线驻波比过大。我们关掉发射机, 重新用网络示波器对各个部分的阻抗从新测量, 查看天调网络是否对945KHZ谐振, 对每一部分进行阻抗测量, 查看是否满足阻抗50欧姆, 根据测量基本排除了天调网络的问题。

2 查看馈线接头是否有松动的地方, 是否是由于接触不好导致的, 瞬间反射功率过大导致的天线驻波比故障, 检查之后良好。

3 查看是否网络输出有问题。

在发射机网络柜处, 断开与馈线的连接处, 我们用阻抗测试仪, 测试网络输出端电阻是否为50欧姆。

检查之后我们重新开机, 现象还是重复出现。

分析:检查天馈线及调谐网络.未发现异常。开高压, 升功率, 察看入射功率和反射功率值均在正常范围之内。通常, 如果有较高反射波存在必然会引起反射功率升高, 而现在反射功率值正常, 说明天馈系统完好, 实际上并无较高驻波产生。只是在升到40KW左右时出现天线驻波比。所以, 在这种情况下机器显示有驻波产生只能是检测电路本身有故障, 应对“输出监测”板电路进行检查。

4 输出监测板检查:

输出监测板中驻波比采样源于网络射频电流采样和射频电压采样 (天线、网络) 。图纸为输出监测板A27.

4.1 我们首先看一路网络 (射频电压采样) :

4.1.1 按下输出监测板SW5, 可进行手动的网络VSWR逻辑测试

网络驻波比比较器的一个输入端是来自输出网络VSWR阀限控制电位器RP9的一个可调的正基准电压;另一个输入端是网络VSWR采样信号经检波器后的直流电压。正常情况下, 检波器的输出端基本上为OV, 网络VSWR比较器的输出为逻辑低电平。在VSWR故障情况下, 检波器的输出将超过基准电压, 使比较器的输出变为逻辑高电平。SW5是用于网络VSWR逻辑的手动开关, 当按下SW5时, 将网络驻波比电压采样信号接地, 使检波器的输出超过基准电压, 相当于驻波比故障, 从而造成驻波比电路动作, 产生网络VSWR, N4送出VSWR TEST故障信号和本地RF MUTE信号, 使所有的大台阶和二进制射频放大器关断19ms, 进而在显示板将点亮VSWR故障指示灯。

4.1.2 当匹配输出网络元器件异常, 使网络失谐时, 匹配输出网

络元器件的异常, 将会使网络失谐, 功放电流和反射功率表值比平常要大得多。网络VSWR检测电路将会检测到, 并送出网络VSWR故障信号到N4, 由N4给出VSWR TEST故障信号。

4.1.3 网络VSWR检测电路异常

当网络VSWR电压或电流采样电路元件损坏, 或网络VSWR检测电路异常时, 有可能送出一个假的NET VSWR故障信号。

4.2 另一路天线电压驻波比原理类似

天线的射频电压取样和电流取样信号通过J1-1, 将J1-11加在相位检测变压器T2初级绕阻上, 在电压取样端接有一个可变电容器C15及可选接入的电容器C60、C61接地, 作为电压幅度调整器。T2初级谐振回路的高阻抗隔离可以消除电压和电流取样信号间的相互作用。在匹配网络和天线系统测试正常情况下, 分别调节电压和电流的幅度和相位调整器, 使两取样信号的幅度和相位相同, 故检波器平衡, 没有射频电流流过T2的初级, 次级的全波整流输出直流电压为0。如果匹配网络或天线系统发生故障, 那么电压驻波比变大, 电流电压取样信号的幅度和相位就会改变, 检波器平衡遭破坏, 就有射频电流流过T2的初级, 在次级绕阻上的检波器就会输出一直流电压驻波比故障信号, 电压大小与电压驻波比故障严重程度有关。

4.3 天线电压驻波比故障信号判断电路工作原理如下:

由天线电压驻波比相位检波器输出的正直流电压送到高速差分比较器N1的反向输入端, 比较器的同相端由R15设定一个基准电压, 当电压驻波比故障信号电平大于基准电平时, 比较器N1的输出端就由高电平变为低电平。通常电压驻波比故障持续时间非常短促, 仅几微妙, 因此在高效比较器的反向端上接有C17和R10放电延时电路, 这样一个电压驻波比事件在N1的输出端至少可产生一个宽度大于等于20微秒的TTL低电平脉冲, 有足够时间使其他保护电路工作。

根据与厂家分析, 我们在只开低压的状况下测试了TP3、TP1两点的测量和出厂时厂家给的参数分析, 是由于采样信号的频率干扰和接地不良导致的连续驻波比故障, 使得保护电路产生错误动作。我们在输出监测板上网络射频电压采样部分的C62上并联了一个电容, 使T3的初级回路谐振于工作频率上;并在天线射频电压采样部分的放电延时电路上R10并联一个电容。

更换后, 机器工作正常, 能够达到额定功率50KW。这台机器运行到现在, 此类故障没有在出现。

驻波比保护 篇6

关键词：无线电发射,频率特性,驻波比

无线电发射技术是电视台系统运行过程中不可或缺的一项技术。电视台节目信号最终需通过发射机将信号发射出去,而从实际情况来看,电视台在运行过程中出现的天线馈线情况将会电视频道细信号传输造成影响,因此需要做好相应的分析工作。

1 分析天馈系统

驻波比(SWR)是电压驻波比的简称,存在于天馈系统中,是射频技术中的一项关键参数。天线馈管如果同阻抗两者之间存在不匹配的情况,高频能量机在运行过程中将会发生发射现象,此时入射波与发射波将会在天线中发生叠加,最终将会形成“驻波”。

图1为驻波的形成。天线与馈管阻抗如果在电视发射系统中完全匹配,将会馈线中的每一点的电压振幅都是恒定不变的,具体情况如图1的左部分所示,如果阻抗不匹配,馈线中将会形成图1右侧的电压波形,此时的电压波也就是驻波。

射频系统与阻抗之间的匹配,在具体操作中,需要确保SWR达到标准要求,这主要为现代网络技术的快速发展使宽带的应用变得更加广泛,这在一定程度加大了频率的范围,SWR也会随着频率的变化而产生变化。因此,为了确保信号传递不会出现误差,在宽带范围内,阻抗应当尽量匹配。

需要注意的是,如果SWR的值不是1时,对两个不同的SWR进行对比是没有意义的。SWR为1,表示反馈和天线系统两者完全满足了匹配关系,此时存在于发射上的能力,可以有效传输,最终抵达天线。但是,如果SWR不是1,假设为4,则可能包含多种情况:容性失谐、感性失谐等。

也正是因为SWR的数值除了1之外,在认定上都不精准,因此多数的SWR并没有详细标定,这也是其与电阻表和电压表之间的一个明显差别。

2 分析频率特性

某电台一共具有四套电视频道:一套为电视台的自办频道M,另外三套频道分别为频道A、频道B、频道C。频道M应用的是为全固态发射机,而频道B在相关部门财力和政策的支持下,也改为了全固态发射机。频道M和频道B两者共同使用统一套自动控制系统,该系统能够在应用过程中,可以通过人员指令,实现自动关机、开机、生成运行数据。其中,数据主要包括全固态发合计的发射功率、发射公路、SWR等,通过数据能够直观的反映全固态发射机运行过程中的各项参数,确保人员完成相应的分析工作。

通过一段时间的观察,可以发现,频道M的各项技术指标和参数都始终比较问题,频道声音和图像也都未出现异常情况。频道B在更换设备之后,各项技术指标和参数也都比较稳定,其中SWR始终在1.05左右,发射功率则在750~850 W之间。通过一段时间运行,监控设备发生报警,通过电脑对运行数据进行查看,可以发现,因为机器的运行功率下降,SWR超过了1.25,接收画面遭受到了较为严重的影响,在过去过一段时间之后,机器的SWR下降后,频道B的节目有能重新播出。但是,如果遇到连雨天,发射机的SWR又会增大,频道节目无法正常播出。

对频道B所出现的显现进行分析,考虑到频道B的全固态发射机是新更换的,质量应当没有问题。因此,不良现象的发生有可能是因为天馈系统导致,最终经过查找,发现频道B的发射机天线和馈管接头出现了松动,在经过处理后,频道B节目没在出现问题。

3 结语

应用SWR原理能够实现对全固态电视发射机日常运行过程中存在的问题进行分析,并利用频率特性也能够实现对全固态发射机运行中出现的故障进行判断,这样可以促进我国电视行业的进一步发展。

参考文献