王民蘇 鄧剛志 丁 川 馬知宇

王民蘇:成都鐵路局電務(wù)處 工程師 610031 成都

鄧剛志:成都鐵路局電務(wù)處 工程師 610081 成都

丁 川:成都通信段 工程師 610081 成都

馬知宇:成都鐵路局電務(wù)處 高級(jí)工程師 610081 成都

發(fā)射機(jī)射頻 (RF)輸出功率及天饋線駐波，是無(wú)線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)，也是考核無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)維護(hù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接反映系統(tǒng)的運(yùn)用質(zhì)量。鐵路無(wú)線列調(diào)通信系統(tǒng)日常維護(hù)，通常使用通過(guò)式功率駐波測(cè)試儀進(jìn)行RF功率/駐波測(cè)試。目前常用的駐波/功率檢測(cè)儀表主要為日本SX-400和W-540系列產(chǎn)品，美國(guó)43、44、4303及 AMP-16系列產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的大功率無(wú)線通信設(shè)備采用檢測(cè)RF功率放大器工作電流的方式，間接在線監(jiān)測(cè)射頻功放輸出功率，但是測(cè)試結(jié)果誤差較大，且不能反映天饋系統(tǒng)駐波比狀況，尤其在無(wú)線電通信效果不良時(shí)，由于缺乏合適的功率/駐波測(cè)量手段，不能及時(shí)、準(zhǔn)確地排查天饋系統(tǒng)故障，容易導(dǎo)致誤判，延誤通信。

1 射頻功率/駐波檢測(cè)的主要問(wèn)題

1．檢測(cè)靈敏度低，無(wú)法檢測(cè)小功率設(shè)備的功率/駐波。上述進(jìn)口駐波功率計(jì)均為指針式模擬儀表，檢測(cè)靈敏度低，射頻功率小于5 W時(shí)檢測(cè)誤差大，小于4 W時(shí)不能檢測(cè)天饋系統(tǒng)駐波比。而鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)大量使用正是小功率無(wú)線通信設(shè)備，如無(wú)線列調(diào)，平面調(diào)車，電務(wù)、工務(wù)、供電維護(hù)和鐵路公安等部門(mén)使用的便攜電臺(tái)，及列尾主機(jī)，其發(fā)射功率多為1～3 W，差頻式中繼設(shè)備射頻輸出功率約為1～5W，射頻直放式中繼器設(shè)備射頻信號(hào)輸出功率通常不大于1 W。因此小功率無(wú)線通信設(shè)備的功率/駐波檢測(cè)成為無(wú)線通信系統(tǒng)日常維護(hù)作業(yè)、保證系統(tǒng)運(yùn)用質(zhì)量的一大難題。

2．檢測(cè)誤差大、一致性差。在無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)維護(hù)和運(yùn)用質(zhì)量檢查中，經(jīng)常出現(xiàn)對(duì)同一臺(tái)通信設(shè)備使用不同的檢測(cè)儀表，得到不同功率/駐波測(cè)量結(jié)果的事例，同一維護(hù)工區(qū)配置的幾臺(tái)同型號(hào)或同類型儀表檢測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)大于10%的允許偏差。此外，指針式儀表讀數(shù)誤差也可能造成測(cè)試數(shù)據(jù)不確定。

3．無(wú)法通過(guò)計(jì)量檢測(cè)來(lái)校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，不滿足相關(guān)法律法規(guī)和系統(tǒng)維護(hù)工作關(guān)于檢測(cè)儀表應(yīng)定期計(jì)量校準(zhǔn)的要求。

4．日常操作使用不便。測(cè)試過(guò)程必須多次進(jìn)行自校正、切換量程、轉(zhuǎn)換測(cè)試方向等操作，容易出現(xiàn)人為因素導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;測(cè)試過(guò)程需多次發(fā)射，干擾正常通信。部分儀表必須根據(jù)正反向功率測(cè)試數(shù)據(jù)查表讀取對(duì)應(yīng)的駐波，現(xiàn)場(chǎng)使用極其不便。

2 功率駐波檢測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)于通過(guò)式功率駐波測(cè)試儀，功率檢測(cè)是駐波計(jì)算的依據(jù)，基于準(zhǔn)確測(cè)量功率的駐波數(shù)據(jù)才有意義。根據(jù)維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)條件，以常用的SX-400檢測(cè)儀為例，以測(cè)量精度較高的綜合測(cè)試儀IFR-2945B作為基準(zhǔn)，在相同條件下分別測(cè)量同一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的功率與駐波。標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載阻抗50 Ω (駐波:1.02)。比較駐波測(cè)量誤差時(shí)，分別用 1.40、1.73、1.99三個(gè)不同駐波的假負(fù)載，功率測(cè)量值比較見(jiàn)表1、表2，駐波測(cè)量值比較見(jiàn)表3，表4。

表1 功率測(cè)量值比較一(功率駐波儀型號(hào):SX-400，出廠編號(hào):80942027E) /W

表2 功率測(cè)量值比較二(功率駐波儀型號(hào):SX-400，出廠編號(hào):71040060J) /W

表3 駐波測(cè)量值比較一(功率駐波儀型號(hào):SX-400，出廠編號(hào):80942027E)

表4 駐波測(cè)量值比較二(功率駐波儀型號(hào):SX-400，出廠編號(hào):71040060J)

上述測(cè)試數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn):①對(duì)同一個(gè)信號(hào)的測(cè)試結(jié)果一致性很差;②功率測(cè)量誤差大，最高達(dá)到68.3%;③駐波測(cè)量誤差大，1.73的駐波實(shí)測(cè)只有1.15;信號(hào)功率約5 W時(shí)，1.99的駐波實(shí)測(cè)值只有1.25，將不合格的駐波誤判為合格。因此，這種通過(guò)式測(cè)試儀測(cè)量準(zhǔn)確度極低，完全不能反眏天饋系統(tǒng)的實(shí)際傳輸特性，不能保證無(wú)線通信系統(tǒng)的維護(hù)質(zhì)量。

3 檢測(cè)問(wèn)題分析

為查找導(dǎo)致上述問(wèn)題的根本原因，拆解分析了SX-400功率/駐波測(cè)試儀，其工作原理如圖1所示。從圖1中可以看出，該測(cè)試儀僅使用了簡(jiǎn)單的定向耦合器和正反向切換開(kāi)關(guān)、射頻檢波電路。由于正反向切換和信號(hào)耦合拾取部件的隔離度不足，導(dǎo)致正反向信號(hào)相互干擾;二極管檢波器非線性較差，且溫漂、參數(shù)離散性較大;因此這類儀表不能檢測(cè)小信號(hào)，檢測(cè)誤差大，不同儀表對(duì)同一信號(hào)檢測(cè)一致性較差，而且同一儀表對(duì)同一信號(hào)重檢的一致性也較差，不能準(zhǔn)確反映被測(cè)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)。

4 提高檢測(cè)質(zhì)量方法

為了提高鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)維護(hù)和運(yùn)用質(zhì)量，針對(duì)功率駐波檢測(cè)質(zhì)量問(wèn)題，結(jié)合成都鐵路局無(wú)線通信系統(tǒng)配置和運(yùn)用情況，分階段開(kāi)展以下工作。

4.1 提高無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)RF信號(hào)功率/駐波檢測(cè)水平

在工程設(shè)計(jì)階段、系統(tǒng)設(shè)備招標(biāo)采購(gòu)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)與工程設(shè)計(jì)單位的協(xié)作，明確提出系統(tǒng)、車站、區(qū)間等無(wú)人值守設(shè)備的射頻功率駐波參數(shù)必須具有定量、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，并明確具體技術(shù)指標(biāo)。

在設(shè)備制造階段，與系統(tǒng)設(shè)備制造商和功率駐波檢測(cè)器件制造商聯(lián)合，攻克小功率、寬帶射頻信號(hào)定向耦合器正反向比和射頻信號(hào)數(shù)字化處理等技術(shù)難題，研發(fā)數(shù)字化的功率駐波檢測(cè)模塊，并在車站電臺(tái)、區(qū)間電臺(tái)中全面配置，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守設(shè)備的RF功率/駐波的定量、在線、遠(yuǎn)程檢測(cè)。無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)RF功率/駐波遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊原理如圖2所示。

在設(shè)備安裝階段，借助系統(tǒng)網(wǎng)管功能，全面掌握沿線設(shè)備安裝施工情況，提高系統(tǒng)工程開(kāi)通質(zhì)量和速度。

圖1 功率/駐波測(cè)試儀工作原理圖

圖2 無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)RF功率/駐波遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊原理圖

在設(shè)備運(yùn)行階段，與設(shè)備制造廠密切協(xié)作，不斷完善系統(tǒng)網(wǎng)管運(yùn)用質(zhì)量，提高功率駐波遠(yuǎn)程檢測(cè)可靠性和準(zhǔn)確性。

4.2 擴(kuò)展數(shù)字式功率/駐波檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用范圍

在成功實(shí)現(xiàn)無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)射頻功率/駐波在線檢測(cè)的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)有關(guān)廠家研發(fā)數(shù)字化、智能化便攜式的XY-402駐波比功率自動(dòng)測(cè)量?jī)x。該儀表采用數(shù)字式信號(hào)分析和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)方案，對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行放大、整形及線性化處理，提高小信號(hào)的監(jiān)測(cè)能力;通過(guò)高速、高精度的A/D對(duì)信號(hào)采樣，采用智能算法和修正曲線，獲得高的功率測(cè)量精度和駐波測(cè)量精度，有效地解決了中繼器、列尾主機(jī)、便攜電臺(tái)等小功率發(fā)射設(shè)備的射頻功率/駐波檢測(cè)。XY-402駐波比功率自動(dòng)測(cè)量?jī)x工作原理如圖3所示，面板如圖4所示。IRF-2945B綜合測(cè)試儀、SX-400與XY-402實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較見(jiàn)表5、表6。從表5可以看出XY-402的功率測(cè)量值與IRF-2945B接近，駐波測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值相符。

表5 功率測(cè)量值比較三 /W

表6 駐波測(cè)量值比較 (測(cè)試頻率:457MHz)

圖3 XY-402駐波比功率測(cè)量?jī)x工作原理圖

XY-402儀表特點(diǎn):

1．自動(dòng)測(cè)量操作。操作簡(jiǎn)單，測(cè)試中不需要調(diào)校，僅需一次短暫發(fā)射即可自動(dòng)測(cè)量正向功率、反向功率、駐波比等多種數(shù)據(jù)，不僅提高工作效率，而且大大減小現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)運(yùn)用的干擾。

2．制造廠商提供產(chǎn)品校準(zhǔn)服務(wù)，能有效保證長(zhǎng)期運(yùn)用的測(cè)量準(zhǔn)確性。

3．LCD屏幕數(shù)字顯示測(cè)量數(shù)據(jù)?？蛇x不同計(jì)量單位，同時(shí)顯示多個(gè)測(cè)量值，讀數(shù)直觀、清晰。

圖4 XY-402駐波比功率自動(dòng)測(cè)量?jī)x面板

4．功率測(cè)量精度高，測(cè)量誤差＜7%;測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍大，無(wú)需人工切換量程，自動(dòng)修正測(cè)量誤差;沒(méi)有讀數(shù)視角誤差及刻度誤差。

5．駐波測(cè)量精度高。方向性＞30 dB，駐波測(cè)量范圍1.0～99.99。可測(cè)量射頻功率低至0.2 W的駐波，實(shí)現(xiàn)小功率的準(zhǔn)確測(cè)量。

6．可靠性高。使用中不需進(jìn)行任何調(diào)校操作，無(wú)需配置調(diào)校開(kāi)關(guān)、旋鈕，有利于減少儀表故障。

7．明亮的夜視背光，黑夜以及隧道等環(huán)境中均能方便使用。

8．全中文漢字操作界面，便于現(xiàn)場(chǎng)工人操作使用。

9．提供數(shù)字化應(yīng)用功能擴(kuò)展，如遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接口、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)等功能，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用新需求。

10．性價(jià)比高，具有大動(dòng)態(tài)范圍、高精度的功率/駐波自動(dòng)測(cè)量能力。

目前，該系列設(shè)備的測(cè)量范圍已覆蓋450 MHz至1 GHz各頻段、0.2 ～50 W不同功率等級(jí)，實(shí)現(xiàn)鐵路無(wú)線通信設(shè)備的數(shù)字化、智能化RF功率/駐波檢測(cè)。

4.3 嚴(yán)格執(zhí)行計(jì)量法

在功率/駐波檢測(cè)模塊和儀表研發(fā)全過(guò)程以及設(shè)備運(yùn)用中，始終抓住計(jì)量這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，要求維護(hù)單位和廠家嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)規(guī)定。目前檢測(cè)儀表、模塊均已通過(guò)具有國(guó)家計(jì)量部門(mén)的技術(shù)鑒定和檢定。

5 總結(jié)

自2000年以來(lái)，這一新技術(shù)在成都局新建無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)積極推廣運(yùn)用，目前局管大部分線路的無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)地面設(shè)備均配置數(shù)字式功率/駐波檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守設(shè)備RF信號(hào)功率/駐波的定量、在線、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，為無(wú)人值守的無(wú)線通信設(shè)備開(kāi)展?fàn)顟B(tài)維護(hù)打下基礎(chǔ)。通過(guò)多年運(yùn)用，該技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備技術(shù)狀態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理沿線無(wú)線通信設(shè)備和天饋線故障、縮短故障時(shí)延方面發(fā)揮積極作用，提高了系統(tǒng)維護(hù)水平和運(yùn)行質(zhì)量。此外，通過(guò)積極推行數(shù)字式射頻功率/駐波檢測(cè)儀的運(yùn)用，提高射頻直放中繼器、車載和便攜無(wú)線通信設(shè)備的檢測(cè)水平，準(zhǔn)確判定和處理用戶終端設(shè)備障礙，全面提高了系統(tǒng)運(yùn)用質(zhì)量。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．TB/T3052-2002列車無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)制式及主要技術(shù)條件［S］.2002.

［2］ 毛乃宏，俱新德.天線測(cè)量手冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1987.

［3］ 劉學(xué)觀，郭輝萍．微波技術(shù)與天線［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［4］ 趙東元，樊虎，任志久.可靠性工程與應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［5］ 吳躍.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.