楚紅明
(作者單位:河南廣播電視臺104臺)
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作細導(dǎo)體來看待。其上的電流分布計算可以近似為:
I=I0sink(h-z)
單塔天線的輻射場強是天線上各段電流的輻射場強的矢量和,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,增強輻射效果,從而達到更遠距離傳播的要求。而經(jīng)過研究表明,天線高度并不是越高越好,當天線高度超過0.625λ時,在近距離就會產(chǎn)生天波干擾,經(jīng)過試驗,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
增加天線高度的方法有兩種。
對于中波天線低頻段來說,要想達到理想的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。
天線的有效高度定義為:一個電流分布不均勻的天線高度如為h,用一個沿天線具有均勻電流分布的電基本振子天線等效,與h對應(yīng)的有效高度就為h0。
其中,I0一般取輸入點的電流值或者最大電流值。
由定義可知,當天線的有效高度越高,天線的輻射能力越強。
等效高度與實際高度對比如圖3所示。
圖3 有效高度圖
由以上闡述可知,實際高度與有效高度產(chǎn)生差別的原因是實際天線上電流分布不均勻造成的,正是因為電流分布不均,導(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載或擴展狀枝干以增加天線的有效高度。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,節(jié)目也就可以傳輸?shù)酶h。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,等效于加高了實際天線高度。
第一,利用錐面緩變原理,降低終端反射和諧振頻率,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)過測算,7 m的錐面體加上豎直塔體,其有效高度相當于原96 m直立塔塔高。
第二,利用天線的長細比原理,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)天線的長細比原理,振子天線的特性阻抗主要取決于長細比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械強度,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。
理論分析和實驗都證明: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l/L=2.25時,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,所以通常認為l/L=2.25是套筒單極子天線的最佳長度。實驗表明,如果加粗上輻射體的直徑,則可進一步降低高粗段旁瓣,一般認為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
10 kW錐面頂負荷天線和原拉線天線場強對比測試數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 兩種天線場強測試數(shù)據(jù)的對比
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、便于維護等很多優(yōu)點,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。