王紅旗

中波廣播發(fā)射臺搬遷建設(shè)時的天線選型和應(yīng)用實(shí)踐

王紅旗

（作者單位：陜西廣播電視臺高級工程師）

中波廣播發(fā)射臺新建時，天線的選型受多種因素影響，若場地條件有限，而天線高度由受到限制的情況下，既要滿足現(xiàn)在播出的需要，又要滿足未來數(shù)字化播出的要求，播出帶寬要達(dá)到40 kHz以上，天線選型是個難題；通過對各種類型中波天線技術(shù)參數(shù)特性的分析比對，選擇建設(shè)新型錐面頂負(fù)荷自立式天線，實(shí)踐證明是一種很好的選擇。

中波天線；寬頻帶；頂負(fù)荷；自立式

近幾年，隨著城市的發(fā)展，大多數(shù)建于20世紀(jì)70、80年代的中波廣播發(fā)射臺的搬遷已成為常態(tài)。地址和用地規(guī)模確定后，中波發(fā)射臺搬遷的關(guān)鍵工作在中波天線的選型和布局規(guī)劃，下面以寶雞中波臺搬遷建設(shè)中天線的選型和應(yīng)用實(shí)踐為例，對筆者的一些體會進(jìn)行簡單介紹。

1　天線的技術(shù)要求

寶雞中波臺現(xiàn)擔(dān)負(fù)著三套中波廣播節(jié)目的播出任務(wù)，建于20世紀(jì)70年中后期，由于老臺址在新建的高鐵站旁，已成為城市中心區(qū)，所以實(shí)施了搬遷。新址的選擇按照GY 5069-2001《中波、短波發(fā)射塔場地選擇標(biāo)準(zhǔn)》及當(dāng)?shù)乜梢?guī)劃用地限制條件，在保證原覆蓋區(qū)基本不變的條件下，最后確定新址在蟠龍新區(qū)的永久綠地內(nèi)。

發(fā)射天線就是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它將發(fā)射機(jī)提供的高頻電流能量變成了電磁波的能量，并輻射到空間。以前的中波發(fā)射天線多采用對地絕緣的鐵塔天線，其高度由工作頻率決定，理論上講1/2波長為最佳高度，也是轉(zhuǎn)換效率最高的；如果發(fā)射臺播出頻率多，就需要建2座以上的天線，天線之間的距離最好大于所有播出頻率波長的1倍，若受用地限制不能到達(dá)1倍波長以上，也必須避開1/4波長間距。下面介紹寶雞臺新址的天線選型的一些約束條件。

1.1高度受限

由于老臺址原有3座76m高拉線天線，在搬遷時，受用地規(guī)模、資金、城市規(guī)劃等多方因素的限制，新建的中波天線的高度受限制，只能選擇建100m以下的中波發(fā)射天線。

1.2功能要求

1.2.1雙頻或三頻共塔

中波發(fā)射天線由于地網(wǎng)的存在，占地面積大，寶雞臺的規(guī)劃播出頻率有5個（603 kHz、747 kHz、900 kHz、1 008 kHz、1 143 kHz），新址受用地面積的限制只能建2座中波天線，所以必須實(shí)現(xiàn)雙頻和三頻共塔的長期穩(wěn)定高效播出。

1.2.2滿足數(shù)字化播出要求

考慮到中波廣播的發(fā)展需求，數(shù)字化是必然趨勢，所以新天線必須是寬頻帶的，尤其是在700 kHz以下的波段，播出帶寬也要達(dá)到40 kHz以上，滿足中波廣播數(shù)字化播出的基本要求。

1.2.3天線參數(shù)受天氣的影響要盡可能小

新址所在地為黃土塬上，下雨天和晴天的大地導(dǎo)電系數(shù)差別比較大，四季差別很大，帶來的問題是匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的相應(yīng)調(diào)整，以及播出質(zhì)量和安全的隱患，所以新天線系統(tǒng)要較好地解決此問題。

2　天線的選型

現(xiàn)有條件下，可供選型的中波天線有拉線式、自立式、并饋式和頂負(fù)荷式等；由于是新建臺，除了要確保長久高質(zhì)量安全播出外，還應(yīng)該盡可能地提高能量轉(zhuǎn)換效率，所以高度應(yīng)該盡量高一點(diǎn)，下面具體分析對比各型天線。

2.1各型中波天線的簡要技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1拉線式

底部絕緣，高度可以做到1/2～5/8波長，通過塔高和塔寬的改變可以使輸入阻抗得到合理值，塔底要鋪設(shè)地網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)雙頻、三頻共塔播出；缺點(diǎn)是占用土地面積大，維護(hù)周期短，并且難度大等。

2.1.2傳統(tǒng)自立式

底部絕緣，高度可以做到1/2波長，通過改變塔高可滿足200 kW以上的大功率播出，塔底要鋪設(shè)地網(wǎng)，也可實(shí)現(xiàn)雙頻、三頻共塔播出；實(shí)際占地面積相對叫小，維護(hù)也較容易。

2.1.3并饋式

底部接地，優(yōu)點(diǎn)是防雷效果好，大功率播出容易實(shí)現(xiàn)，塔底要鋪設(shè)地網(wǎng)，可在其上安裝FM、TV天線實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用；缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)雙頻共塔難度大、效果不理想，投資大，施工難度大。

2.1.4新型錐面頂負(fù)荷天線

新型錐面頂負(fù)荷天線是近年來開發(fā)的新型天線，是傳統(tǒng)自立式天線和并饋式天線的改進(jìn)型，頂部加錐型頂負(fù)荷體，塔體中間接地；其突出的技術(shù)特點(diǎn)是頻帶寬，防雷效果好，76m就可實(shí)現(xiàn)200 kW的大功率播出，雙頻、三頻共塔播出實(shí)現(xiàn)比較容易。

鑒于以上情況，在選擇寶雞中波臺兩座發(fā)射天線時，我們將76m（或100m）傳統(tǒng)自立式和76米新型錐面頂負(fù)荷自立式天線作為備選方案，并對它們的參數(shù)進(jìn)行了對比分析。

2.2傳統(tǒng)76m自立式和錐面頂負(fù)荷76m自立式天線的阻抗對比

錐面頂負(fù)荷76m自立式天線阻抗值由設(shè)備生產(chǎn)廠家提供，76m自立塔阻抗值由我們對原有的天線實(shí)際測量獲得，阻抗對比值及變化曲線見圖1。

圖1　傳統(tǒng)自立式76米與錐面頂負(fù)荷76米天線阻抗變化圖

2.3傳統(tǒng)120m自立式和76m錐面頂負(fù)荷自立式天線的阻抗對比

120m自立塔阻抗值由我們在其他發(fā)射臺的播出天線上實(shí)際測量獲得，錐面頂負(fù)荷76m自立式天線阻抗值由廠家提供，阻抗對比值及變化曲線見圖2。

圖2　傳統(tǒng)自立式120米與錐面頂負(fù)荷76米天線阻抗變化圖

從上面的兩組天線阻抗數(shù)據(jù)及圖形對比可以看出，在中波全頻段530～1 602 kHz范圍內(nèi)，76m錐面頂負(fù)荷自立式中波天線阻抗特性和帶寬明顯優(yōu)于76米自立式中波天線；與120m自立式中波天線相比其阻抗變化范圍小，也有一定優(yōu)勢；可確保在任何一個頻點(diǎn)上都能很好的實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；在駐波比≤1.25時，帶寬能達(dá)到40 kHz以上。

2.4新型 76米錐面頂負(fù)荷自立式中波天線（結(jié)構(gòu)示意圖見圖3）的原理簡析

1）該型天線利用錐面緩變原理，降低終端反射和諧振頻率，天線的長度雖然變小，但不影響天線的效率。

2）利用天線長細(xì)比原理，降低阻抗的變化率，提升天線帶寬。根據(jù)天線的長細(xì)比原理，振子天線的輸入阻抗隨電長度而變化的劇烈程度主要取決于天線的特性阻抗。特性阻抗越大，輸入阻抗隨電長度的變化就越激烈，天線的阻抗帶寬就越窄；反之，特性阻抗越小，天線的阻抗帶寬就越寬。振子天線的特性阻抗主要取決于長細(xì)比，即Ω=2㏑（2L/a），其中L是天線振子臂的長度，a是天線臂的半徑。Ω越大，天線的特性阻抗就越大，因此，在同樣長度條件下，粗振子天線具有較寬的工作帶寬。粗振子有較低的特性阻抗，而不對稱的結(jié)構(gòu)形式可以起到類似電路中的參差調(diào)諧的作用，從而有效地展寬阻抗帶寬。

3）利用串、并聯(lián)加載技術(shù)調(diào)整天線輸入阻抗，提升天線發(fā)射效率。在錐面頂負(fù)荷天線的中部某點(diǎn)處加入一定數(shù)值的電感就構(gòu)成了電感加載，該電感可以抵消該點(diǎn)以上線段對該點(diǎn)所呈現(xiàn)的容抗的一部分，從而增大加感以下天線部分的電流。顯然它對加感以上部分以上的電流分布不起作用。加感線圈放置在天線的中部可獲得最大的效率增益。

4）利用并饋技術(shù)改善天線與網(wǎng)絡(luò)、饋線的匹配難度。除在錐面頂負(fù)荷天線底部并饋外，也可在天線頂端饋電，饋電點(diǎn)在錐面頂和垂直接地線的頂端之間，垂直線的接地端是電流波腹點(diǎn)。這種饋入方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)天線的集合高度低于λ/4時，垂直線段上的電流分布比較均勻，有效高度接近幾何高度，在天線輸入端為一感抗（垂直接地線）和一容抗（傘頂）相并聯(lián)，如選擇適當(dāng)，可很好地與饋線匹配。

5）利用雙錐天線理論，提高輻射電阻，提高了小天線的帶寬。對于無限長的雙錐天線，由于只有TEM波傳輸，而且沒有反射，因而其輸入阻抗即為雙錐天線的特性阻抗，即：Zin=Zc=120㏑ctg（θ0/2）。

上式適用于對稱雙錐天線。置于理想導(dǎo)電面上的直立單圓錐天線的輸入阻抗是對稱雙錐天線的1/2，即：Zin=Zc=60 ㏑ctg（θ0/2）。如下圖4。

雙錐天線的輸入阻抗和圓柱偶極子天線相類似，隨電長度的變化十分劇烈，因而小錐角雙錐天線不具有寬頻帶特性。如果錐角夠大，圓錐天線的輸入阻抗和輸入電抗隨k0h的變化都十分平緩，尤其是在2θ0接近90°時，這種天線的輸入電抗在k0h＞л/2以后幾乎為0，其輸入阻抗接近50 Ω，因而這種天線具有很寬的阻抗帶寬。

因?yàn)樯厦嫠鲈颍?6m錐面頂負(fù)荷自立式中波天線與現(xiàn)有傳統(tǒng)中波發(fā)射天線相比，能提高天線的輻射電阻，降低電抗分量，拓展天線帶寬到40 kHz以上，使天線的輻射效率提高，完全可以滿足中波數(shù)字廣播的播出要求。

綜合分析以上各種情況后，選擇在寶雞臺新址建設(shè)新型76m錐面頂負(fù)荷自立式天線，這樣既能滿足現(xiàn)在播出的需要，又能為以后數(shù)字播出的需要。

3　天線的建設(shè)實(shí)施及效果

3.1天饋線系統(tǒng)建設(shè)時采取的相應(yīng)措施

由于寶雞臺新址在黃土塬上，土壤電導(dǎo)率不高，為了降低地導(dǎo)損耗，降低氣候變化對天線電參數(shù)的影響，地網(wǎng)敷設(shè)時，除了嚴(yán)格按照《廣播電視工程建設(shè)規(guī)范》第3.1.3條規(guī)定實(shí)施外，我們還采取了以下措施：1） 嚴(yán)格按3°一根，輔設(shè)120根，用∮3.0的硬銅線；2） 地網(wǎng)埋設(shè)深度也較淺，30 cm深，終端用較粗銅線連接起來；3）天線底座基礎(chǔ)全部用銅帶屏蔽，屏蔽層和塔基礎(chǔ)四周匯流條焊接在一起；4）由于地網(wǎng)線的長度不到工作頻率的1、2波長，所以在終端打入3.5米接地棒，并與地網(wǎng)焊接起來。

圖3　錐面頂負(fù)荷自立式中波天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　無限長雙錐和單錐的特性阻抗圖

3.2工程效果

1）建成后的76米錐面頂負(fù)荷自立式中波天線見圖5。

圖5　實(shí)景圖

2）天線建成后我們進(jìn)行了技術(shù)參數(shù)的實(shí)際測量，與廠方提供參數(shù)基本一致，見表1。天線具有寬頻帶特性，在中波全頻段，播出帶寬可達(dá)40 kHz以上；天線阻抗變化率小，匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和調(diào)試相對比較容易，很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)匹配，尤其在低頻點(diǎn)，與傳統(tǒng)天線比更顯優(yōu)勢；另外雙頻共塔和三頻共塔也很容易實(shí)現(xiàn)。

3）天線投入使用以后，又進(jìn)行了2次的參數(shù)測試和2次覆蓋區(qū)內(nèi)的實(shí)際覆蓋場強(qiáng)收測，發(fā)現(xiàn)天線的阻抗數(shù)值變化比較小，匹配網(wǎng)絡(luò)沒有再調(diào)整，播出也一直很穩(wěn)定；信號覆蓋區(qū)內(nèi)的場強(qiáng)穩(wěn)定，遠(yuǎn)優(yōu)于原有的76m拉線塔的播出效果，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)語

通過76米錐面頂負(fù)荷自立式天線的建設(shè)實(shí)踐，實(shí)際驗(yàn)證了該型天線的技術(shù)特點(diǎn)：在中波廣播播出的全頻段阻抗變化率小，對于不同頻率不會產(chǎn)生大電流和高電壓，安全可靠；播出頻帶寬，完全可以滿足中波的數(shù)字化播出要求；雙頻、三頻共塔播出實(shí)現(xiàn)比較容易?？傊?，該型天線是新建中波天線時較好的選擇。

表1　76米錐面頂負(fù)荷自立式天線實(shí)測阻抗

王紅旗（1965-），男，陜西興平人，本科，高級工程師，研究方向：廣播發(fā)射技術(shù)。

[1]張照鋒,譚立榮.電波與天線[M]西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2012.

[2]王元坤,李玉權(quán).線天線的寬頻帶技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1995.