楚紅明

（作者單位：河南廣播電視臺(tái)104臺(tái)）

1 中波天線最佳高度的分析

中波傳統(tǒng)天線大部分采用垂直鐵塔天線，天線頂端開路，底端用絕緣瓷柱與地隔離，鐵塔底部以鐵塔為中心用銅線輻射狀向外鋪設(shè)0.3～0.5 λ長度的地網(wǎng)線，與鐵塔構(gòu)成一個(gè)開放的電容器結(jié)構(gòu)，可以無方向性的向外發(fā)射與地面垂直的電磁波，如下圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)拉線塔

對(duì)于中波而言，由于其波長187 m＜λ＜566 m，所以天線的橫向尺寸無論如何都小于其發(fā)射波長。這樣就可以把天線當(dāng)作細(xì)導(dǎo)體來看待。其上的電流分布計(jì)算可以近似為：

I=I0sink(h-z)

單塔天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)是天線上各段電流的輻射場(chǎng)強(qiáng)的矢量和，主要由波腹附近的電流起作用，其他部分電流的影響較小。所以，增加天線的高度就可以將電流的波腹向上移，增強(qiáng)輻射效果，從而達(dá)到更遠(yuǎn)距離傳播的要求。而經(jīng)過研究表明，天線高度并不是越高越好，當(dāng)天線高度超過0.625λ時(shí)，在近距離就會(huì)產(chǎn)生天波干擾，經(jīng)過試驗(yàn)，最合適的天線高度為0.53λ，所以，0.53λ高度的天線也稱作抗衰落天線。

圖2 電流分布圖

2 增加天線高度的方法

增加天線高度的方法有兩種。

2.1 增加天線的物理高度

對(duì)于中波天線低頻段來說，要想達(dá)到理想的0.53λ天線高度。需要架設(shè)200～300 m的天線高度，天線的架設(shè)及維修有很大困難。

2.2 增加天線的有效高度

天線的有效高度定義為：一個(gè)電流分布不均勻的天線高度如為h，用一個(gè)沿天線具有均勻電流分布的電基本振子天線等效，與h對(duì)應(yīng)的有效高度就為h0。

其中，I0一般取輸入點(diǎn)的電流值或者最大電流值。

由定義可知，當(dāng)天線的有效高度越高，天線的輻射能力越強(qiáng)。

等效高度與實(shí)際高度對(duì)比如圖3所示。

圖3 有效高度圖

由以上闡述可知，實(shí)際高度與有效高度產(chǎn)生差別的原因是實(shí)際天線上電流分布不均勻造成的，正是因?yàn)殡娏鞣植疾痪?，?dǎo)致天線的輻射效率降低。

為提高天線的效率，就要改善天線上的電流分布，使其分布均勻。改善天線上的電流分布，可以采用頂部加載的方法，即在天線頂端增加電抗負(fù)載或擴(kuò)展?fàn)钪Ω梢栽黾犹炀€的有效高度。有效高度增加了，電流駐波腹部也就隨之升高，天線發(fā)射也就得到了增強(qiáng)，節(jié)目也就可以傳輸?shù)酶h(yuǎn)。天線加載前后電流分布示意圖如圖4所示。

圖4 加載前后對(duì)比圖

可見，天線加載后，改變了天線的有效高度，等效于加高了實(shí)際天線高度。

3 76米雙錐式中波小天線原理分析

第一，利用錐面緩變?cè)恚档徒K端反射和諧振頻率，在塔高一定的條件下使天線的有效高度增加，也不影響天線的效率，如圖5所示。

天線頂端正置一開口向上的，椎體長度為7 m的錐面體，一方面由于電波的緩變效應(yīng)，減小了天線上端的反射。另一方面，錐體與地之間產(chǎn)生了一定的容抗，這就使天線的諧振點(diǎn)下移，從而使同樣波長的發(fā)射所需要的最佳天線高度大大降低。經(jīng)過測(cè)算，7 m的錐面體加上豎直塔體，其有效高度相當(dāng)于原96 m直立塔塔高。

第二，利用天線的長細(xì)比原理，降低阻抗的變化率，提升天線帶寬。我們知道天線的特性阻抗越大，天線的帶寬就越寬，就越能更好地匹配不同的發(fā)射頻率；特性阻抗越小，天線的阻抗帶寬就越窄。根據(jù)天線的長細(xì)比原理，振子天線的特性阻抗主要取決于長細(xì)比α，即α=2ln（2h/r）。其中，h是天線振子臂的長度，r是天線臂的半徑。α越大，天線的特性阻抗就越大，因此，在同樣長度條件下，較粗的天線具有較寬的工作帶寬。

第三，利用套筒天線理論，調(diào)高輸入電阻和輻射電阻，降低阻抗變化率，從而提高小天線的帶寬。套筒內(nèi)發(fā)射體的電流和套筒內(nèi)壁電流反相，起到了傳輸線的作用，套筒外壁電流和內(nèi)發(fā)射體的電流同方向，也構(gòu)成了輻射體的一部分。這種結(jié)構(gòu)不僅提高了天線的機(jī)械強(qiáng)度，而且由于振子加粗，明顯改善了天線的特性阻抗，有效拓展了天線的工作頻帶。

理論分析和實(shí)驗(yàn)都證明：套筒式單極小天線的上輻射體長度為L，套筒長度為l；內(nèi)輻射體的直徑d，套筒直徑為D。當(dāng)l/L=2.25時(shí)，套筒天線方向圖在4：1頻帶范圍內(nèi)變化最小，并可使天線的旁瓣電平最低，所以通常認(rèn)為l/L=2.25是套筒單極子天線的最佳長度。實(shí)驗(yàn)表明，如果加粗上輻射體的直徑，則可進(jìn)一步降低高粗段旁瓣，一般認(rèn)為D/d=2∽39是最佳值，天線的輸入阻抗為：Zc=60lnD/d。

圖5 錐面體小天線

4 錐面頂天線與傳統(tǒng)天線場(chǎng)強(qiáng)的對(duì)比測(cè)試以及主要技術(shù)性能指標(biāo)。

10 kW錐面頂負(fù)荷天線和原拉線天線場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩種天線場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比

由以上闡述和數(shù)據(jù)我們可以看出，新型錐面頂天線已經(jīng)具備了代替?zhèn)鹘y(tǒng)拉線天線的完備功能，而且還具有占地面積小、塔高不高、便于維護(hù)等很多優(yōu)點(diǎn)，所以，錐面頂天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)天線已經(jīng)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。