劉海章

（作者單位：四川廣播電視臺520發(fā)射傳輸臺）

?

大功率中波廣播發(fā)射雙頻共塔技術的應用實踐

劉海章

（作者單位：四川廣播電視臺520發(fā)射傳輸臺）

摘 要：本文介紹了2×100kW大功率中波廣播發(fā)射系統(tǒng)雙頻共塔技術的應用與實踐，對業(yè)內同等功率等級中波發(fā)射臺進行技術改造具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：大功率；中波；雙頻共塔；技術應用

四川廣播電視臺520發(fā)射傳輸臺（以下簡稱520臺）是四川省中短波廣播中心發(fā)射臺，承擔著2套單機發(fā)射功率100kW中波、1套單機發(fā)射功率50kW短波廣播發(fā)射業(yè)務，發(fā)射中央人民廣播電臺第1套節(jié)目（中國之聲）、四川人民廣播電臺第1套節(jié)目（新聞頻率）及第2套節(jié)目（民族頻率）等政令性廣播節(jié)目的中短波發(fā)射任務。在2014年四川省廣播電視安全播出保障等級提升工程中，520臺安全播出設施改造得以立項，具體實施對兩套100kW中波廣播發(fā)射系統(tǒng)進行改造。2015年初，520臺正式啟動實施了1116kHz與639kHz兩套100kW中波廣播發(fā)射系統(tǒng)雙頻共塔的技術改造。

1 項目背景

520臺于1956年建臺，中波1116kHz 發(fā)射天饋線系統(tǒng)于1958年建成投入使用，發(fā)射四川人民廣播電臺第1套節(jié)目，發(fā)射功率100千瓦；中波639kHz 發(fā)射天饋線系統(tǒng)于1962年建成投入使用，發(fā)射中央人民廣播電臺第1套節(jié)目，發(fā)射功率100千瓦。建成投運以來，這兩座中波發(fā)射塔及饋線網絡系統(tǒng)的使用時間已遠遠超過了設計壽命，雖然其間進行過幾次維護，但由于設施已嚴重老化，系統(tǒng)指標性能降低，急需進行更新改造。

由于歷史原因，520臺639kHz 發(fā)射天線場沒有辦理土地征用手續(xù)，天饋線處在村民的基本農田上。近年來，520臺在天饋線維護檢修工作中，經常受到當?shù)卮迕竦牡箅y和阻撓。520臺1116kHz中波發(fā)射天線場位于臺區(qū)大院內，這片近90畝土地在2009年底完善并辦理了國土證。在臺區(qū)大院內，基本具備改造1座中波發(fā)射塔所需的地理條件。

為了消除安全隱患，提高發(fā)射效率，增強收聽效果，提高技術設備和土地資源的利用率，由財政投入專項資金，對520臺1116kHz發(fā)射系統(tǒng)進行改造更新，并在改造設計中運用大功率中波雙頻共塔技術，增加639kHz饋線及網絡系統(tǒng)，實現(xiàn)1116kHz與639kHz兩套100千瓦中波雙頻共塔發(fā)射。

2 問題的提出

520臺1116kHz和639kHz兩座中波發(fā)射天線、饋線、射頻網絡嚴重老化，1116kHz主備機倒換系統(tǒng)不能自動切換，沒有配置假負載，備用發(fā)射機是上世紀八十年代生產的電子管發(fā)射機，系統(tǒng)技術指標下降，不能達到廣電總局62號令及專業(yè)實施細則的要求。本次實施1116kHz與639kHz兩套100千瓦中波雙頻共塔發(fā)射，主要是為了解決下面幾個問題：

2.1 及時消除安全隱患，防止發(fā)生倒塔事故

520臺1116kHz、639kHz中波發(fā)射天線塔及配套設施已分別使用57年和53年，屬嚴重超期服役，塔體銹蝕已非常嚴重，塔體的鋼管多處有塊狀脫落，塔的拉錨拉桿銹蝕、機械張力已不能保證塔體安全的需要。如不及時更新改造發(fā)射塔，消除安全隱患，一旦發(fā)生倒塔事故，除造成廣播停播事故外，極易發(fā)生人身傷亡和重大財產損失，后果將非常嚴重。及時改造1116kHz、639kHz中波發(fā)射天線系統(tǒng)，能有效消除安全隱患，防止重大安全事故發(fā)生。

2.2 改善傳輸性能，提高發(fā)射效率

520臺1116kHz、639kHz所用中波發(fā)射高頻傳輸饋線均是老式150Ω籠形饋線，使用幾十年來，經過多次維修，饋線已有多個斷點連接，饋線形狀多處嚴重變形，特別是季節(jié)交替溫差較大的情況下，經常造成饋線行波系數(shù)減小，發(fā)射機輸出阻抗與天饋線阻抗不匹配，影響了高頻信號的有效傳輸，造成了一定量的射頻信號衰減。及時改造1116kHz、639kHz饋線系統(tǒng)，可以有效提高中波射頻信號傳輸效率，增強發(fā)射效果。

2.3 完善系統(tǒng)配置，確保安全播出

520臺1116kHz、639kHz所用備用發(fā)射機是已經使用近30年的電子管發(fā)射機，設備嚴重老化、故障頻發(fā)。由于大部份重要元器件已停產，直接造成發(fā)射運行維護成本增加和不能提供可靠的備份播出系統(tǒng)的問題；發(fā)射系統(tǒng)無假負載，在播出期間檢修故障發(fā)射機很不方便；天線切換開關陳舊，故障率高，且不能自動倒換。這些陳舊的發(fā)射系統(tǒng)設備達不到國家廣電總局62號令及無線發(fā)射專業(yè)實施細則的要求。對1116kHz、639kHz發(fā)射配套系統(tǒng)進行改造，能有效減少發(fā)射運行維護成本，提高備份系統(tǒng)的可靠性，提高安全播出保障水平。

2.4 提高資源利用率，促進事業(yè)發(fā)展

520臺1116kHz發(fā)射塔系50年代北京雙橋鐵塔廠生產的重型拉線塔，120m中波塔的拉線分布在近50畝土地上，拉錨占地面積很大，天線場土地資源利用率極低。拉線絕緣子系20世紀50年代末從前蘇聯(lián)進口的器件，單個重量達600多公斤，體積很大，維護發(fā)射塔拉線和絕緣子非常困難。將中波拉線塔改造為自立塔，籠形饋線改為同軸饋管，兩套100kW中波雙頻共塔發(fā)射，既提高了資源利用效率，也為發(fā)射臺的事業(yè)拓展創(chuàng)造了條件。

3 制定技術方案時需要考慮的主要因素

在這次中波發(fā)射系統(tǒng)改造中，我們在制定技術方案時主要考慮了下面幾個因素：

3.1 大功率中波雙頻共塔發(fā)射的可行性

通過與設計單位的咨詢和對全國各省區(qū)市的廣泛了解，全國大功率中波雙頻共塔技術運用的案例很少。2×50kW中波雙頻共塔的成功案例屈指可數(shù)；2×100kW中波雙頻共塔的成功案例只有1個，且目前已停止?jié)M功率雙頻共塔發(fā)射。為確保雙頻共塔技術的成功應用，工作人員向有關咨詢和設計單位進行了詳細深入的技術交流和咨詢，并派出2名高級工程師前往成功進行過2×100kW中波雙頻共塔技術改造的某省人民廣播電臺發(fā)射臺實地考察，獲取了實施2×100kW中波雙頻共塔技術的經驗及所要解決的關鍵問題。經過可行性研究論證，確定在臺實施2×100kW中波雙頻共塔技術改造是可行的。

3.2 中波自立塔的選型

在不同功率等級的自立式中波發(fā)射塔型式中，考慮本項目使用頻率的波長、造價、塔體穩(wěn)定性、業(yè)務拓展的可能性等因素，確定選用四邊形鋼結構塔；考慮底座絕緣子承載負荷重、生產廠家極少、造價成本高、維護不便以及防雷接地效果等因素，選用了不使用重型底座絕緣子的接地式鐵塔；考慮技術工藝的成熟性和可靠性，選用了目前國際上廣泛使用的在自立式中波鐵塔外用銅包鋼導線組成射頻輻射裝置、在鐵塔座部饋電的方式。

3.3 覆蓋效果預測

為了確保改造后的發(fā)射效果，委托咨詢公司通過專業(yè)軟件建模，進行了覆蓋效果計算。將計算結果與現(xiàn)在實測的發(fā)射場強進行比較，確定改造后的理論場強值比較理想，能夠保證達到原有的覆蓋效果。1116kHz、639kHz兩個頻率雙頻共塔場強模型如圖1和圖2：

圖1　改造后1116kHz覆蓋效果圖（地形圖和行政區(qū)劃圖）

圖2　改造后639kHz覆蓋效果圖（地形圖和行政區(qū)劃圖）

3.4 預留電視調頻發(fā)射功能

根據(jù)中短波廣播發(fā)展現(xiàn)狀、數(shù)字電視和音頻廣播的發(fā)展情況及我臺的地理位置，結合兄弟省市中波發(fā)射臺業(yè)務拓展方向，在選擇發(fā)射塔時，預留了可以安裝電視和調頻廣播發(fā)射天線的自立式發(fā)射塔，為今后可能的廣播業(yè)務及其它無線電業(yè)務預留了發(fā)展空間。

3.5 大功率同軸饋管的選用

鑒于機房與發(fā)射塔之間距離較近，考慮籠型饋線的參數(shù)隨季節(jié)變化問題，在本次改造中選擇使用進口大功率中波同軸饋管（國產同軸軟饋管的功率等級達不到要求），采用地溝敷設方式。選用進口軟饋管，既能保證饋線網絡系統(tǒng)性能穩(wěn)定，也可以減少饋線系統(tǒng)的占地，增加臺區(qū)大院內土地資源的利用率。

4 技術方案的實現(xiàn)

4.1 發(fā)射塔及饋電

在1116kHz天線塔原址新建1座120m高的四邊形鋼結構自立式接地中波天線塔，根開20m，滿足1116kHz 與 639kHz雙頻共塔使用，發(fā)射功率為2×100kW。為方便塔上工作，發(fā)射塔上建有4個平臺，發(fā)射塔上預留安裝一套4×4雙偶極子反射板調頻天線、一套4×4四偶極子板米波Ⅲ天線和兩套4×4四偶極子反射板分米波天線系統(tǒng)，達到發(fā)射天線塔不僅能實現(xiàn)中波頻段2套100kW雙頻共塔發(fā)射，而且考慮到將來發(fā)展的需要，可以實現(xiàn)電視、調頻廣播在該中波發(fā)射塔上共用發(fā)射。

發(fā)射塔在底部饋電，鐵塔周圍由12根銅包鋼線作為導體。自立式發(fā)射塔結構形式及饋電如圖3所示。

中波發(fā)射天線的技術參數(shù)如下：

天線類型：自立式四邊形鋼塔結構

天線高度：120m

工作頻率：639kHz、1116kHz

天線增益：≥3dBi

極化方式：垂直極化

方向性：全向

抗風能力：≥11級

抗震烈度：≥9度

防雷能力：接地電阻≤1Ω

4.2 高頻地網與防雷接地

4.2.1 高頻接地井

在發(fā)射天線下和1116kHz機房樓下各修建1個高頻接地井。發(fā)射天線的高頻接地板置于塔基對角線上兩基腳旁，發(fā)射機房的高頻接地板置于技術樓外5m范圍內。高頻地板選用不低于1000mm×1000mm×3mm紫銅板；高頻接地板埋入凍土層下，并用兩條300mm×0.5mm的銅帶與設備聯(lián)接，保證高頻地井的接地電阻小于1Ω。

4.2.2 高頻地網

天線的地網采用新建與利舊的方式.新建120根長120m的射頻地網，地網選用Φ4 mm紫銅線，在中心地板四周間隔3°放射狀鋪設而成。地網在520臺大院內埋地深500mm，在村民土地上的埋地深800mm。中心地板安放在發(fā)射塔基礎中心位置，選用1000mm×1000mm×3 mm紫銅板，用300×0.5 mm的銅帶與發(fā)射天線的高頻接地板相連，銅板與天線調配室的接地母線接好并錫焊牢固。本次改造還要求在建設過程中修補舊天線拆除過程破壞的地網線，將舊地網與新建地網連接在一起，增強高頻地網的輻射效果。新建鐵塔底部的高頻接地系統(tǒng)見圖4所示。

圖3　自立式發(fā)射塔結構形式及饋電

圖4　高頻地網

4.2.3 防雷接地

在發(fā)射機房和發(fā)射天線下各修建1個防雷接地網。防雷接地裝置采用垂直接地體及水平接地體相互連接而成。本次改造要求防雷接地電阻小于1Ω。防雷接地裝置的水平接地體選材不低于40mm×4mm熱浸鋅扁鋼，垂直接地體選材2.5m長的50mm×4mm熱浸鋅角鋼。垂直接地體頂端及水平接地體均埋入地面300～500mm以下，所有焊點需進行兩道防腐處理。

4.3 饋管及饋管溝

本工程的中波主饋線采用2根50Ω 的4吋同軸電纜，長度分別為180m、250m。主饋電纜敷設在饋線地溝中，每隔1m左右用電纜卡箍將主饋電纜固定在饋線支架上，電纜彎曲半徑不小于1300mm。每根饋管留有約30m的冗余，圏放在在技術樓一樓的一間專用房間內，供今后故障處理時調整饋管長度使用。電纜溝的制作如圖5所示。

防滲墻施工槽段采用Ⅱ期跳格施工，用接頭管接頭。由于槽段接頭是防滲墻的薄弱環(huán)節(jié)，因此槽段越長越好，但實際上槽段長度受多種因素綜合制約。

4.4 匹配網絡

發(fā)射天線采用集中參數(shù)元件調配，置于發(fā)射塔下調配室內。調配室中分別設匹配網絡和阻塞網絡，調配網絡原理如圖6所示。此外，由于臺區(qū)內包含其它中波天線，很難保證各天線之間沒有相互干擾，在調配網絡中加入對其他頻率的陷波網絡。調配室內部各調配元件的連接保證有良好的電氣接觸，連接處緊密結合，各導體表面平滑，沒有毛刺。

4.5 天線調配室及天線場

在發(fā)射塔下面四個基座之間建設48m2的天線調配室，房屋中間采用實體墻隔開，639kHz和1116kHz的網絡系統(tǒng)各放在一個相對獨立的空間內。調配室六面銅皮屏蔽。調配室平面布置如圖7所示。

為確保高頻高壓輻射的安全，在發(fā)射塔四周修建2.8 m高的圍墻。

天線場內新建一根饋管溝，長150 m，凈空寬80cm，深1200cm，溝壁兩側各預裝兩層饋管架和電纜架，饋管溝需防水。饋管溝敷水泥溝蓋板，蓋板采用扁鋼包邊，每隔三塊蓋板預置檢查用可復位活動拉柄，以方便檢修。

圖5　饋管溝

圖6　調配網絡原理圖

圖7　調配室平面布置

在天線場新建饋線巡邏道路，從播出機房延伸到天調室，長150 m，寬3 m，厚20cm，混凝土路面，方便今后工作人員檢修和日常巡邏通行。

4.6 配套設備設施

為完善系統(tǒng)配置，提高安全播出保障水平，本次改造中還配置如下設備設施：

4.6.1 發(fā)射機：配置國產全固態(tài)DAM 50kW中波發(fā)射機作為備用發(fā)射機。

4.6.2 假負載及天線切換開關：為1116kHz發(fā)射機房安裝200kW假負載1臺。安裝同軸天線自動切換開關2套。

4.6.3 安防與門禁：在天線調配室安裝視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)和門禁及報警系統(tǒng)，相關數(shù)據(jù)通過光纖傳送到機房內。

4.6.4 播出機房配套設施及維修：對420m2的播出機房進行維修，地面鋪設防靜電地板，對墻面防塵維修，頂面采用沖孔鋁扣板吊頂，安裝自動門禁系統(tǒng)。機房內安裝10P空調1臺，饋管充氣機2臺等。

5 項目改造的意義

中波廣播是一項公益性的事業(yè)，雖不能帶來顯著的直接經濟效益，但它的政治效益和社會效益是巨大的。中波廣播以其發(fā)射功率大、覆蓋面廣、接收方便的特點，是無線廣播區(qū)域覆蓋的重要渠道，有調頻廣播所不及的戰(zhàn)略覆蓋意義。520臺100kW中波與省地震信息中心進行合作試驗，測試從發(fā)布到接收的時延僅1.6s，預警發(fā)布時效性很好。實驗證明，通過大功率廣覆蓋的中波廣播發(fā)射，實施地震災害預警等信息發(fā)布是可能的。

在本次技術改造中，臺工程技術人員從方案調研、擬制到具體實施，每項工作都全程深入參與。通過實施該項技術改造，不但消除了臺技術安全隱患，提升了播出保障水平，還鍛煉了技術隊伍，促進了技術設施和土地資源利用，可謂一舉多得。本項目的技術改造可以以供同行參考借鑒。