苗桀勝 胡紹明

（作者單位：甘肅省廣電局無(wú)線傳輸中心五三五臺(tái)）

1 甘肅省廣播電視局535 臺(tái)中波廣播覆蓋現(xiàn)狀

甘肅省廣播電視局535 臺(tái)于2021 年新建了一座76 m 絕緣自立式中波發(fā)射天線，共塔播出684 kHz 和1 035 kHz 兩個(gè)頻率，發(fā)射功率均為10 kW。天線新址與蘭州市區(qū)直線距離為20 km，且中間有5 座高山遮擋，信號(hào)接收地蘭州城區(qū)比發(fā)射點(diǎn)位置低，落差約1 300 m；舊址天線位于蘭州市區(qū)內(nèi)，新天線系統(tǒng)建成后雖覆蓋范圍有較大幅度增加，但小部分區(qū)域收聽效果不盡如人意，經(jīng)覆蓋仿真模擬，蘭州城區(qū)大面積可用場(chǎng)強(qiáng)均處在邊緣場(chǎng)強(qiáng)值，實(shí)際收測(cè)時(shí)若遇到遮擋或進(jìn)入樓宇，信號(hào)的收聽質(zhì)量下降較為嚴(yán)重。

2 甘肅省廣播電視局535 臺(tái)中波廣播覆蓋分析

中波傳播同時(shí)產(chǎn)生天波和地波，地波沿地表面?zhèn)鞑ジ采w（見圖1），天波為對(duì)流層傳播，是一種干擾現(xiàn)象。地波傳播的鏡像原理：若振子高度＜λ/2，則垂直振子（天線）和它的鏡像共同組成一副對(duì)稱振子。其中，H 為垂直場(chǎng)型高度，K、B、C、D、E、F、A、A’、K 為垂直場(chǎng)型邊緣節(jié)點(diǎn)并形成電流閉合環(huán)路。F’為A’的鏡像節(jié)點(diǎn)，h 為鐵塔高度。

圖1 場(chǎng)型傳播圖

地網(wǎng)埋深小于0.5 m。f（d）為地形包絡(luò)曲線。傳播方向由左至右，箭頭表示波瓣方向性，E（場(chǎng)強(qiáng)）隨傳播距離增加而減小。

地波傳播損耗因素包括介電常數(shù) rε和電導(dǎo)系數(shù)σ。不同性質(zhì)土壤 rε相差幾十倍，而σ相差十幾萬(wàn)倍至幾十萬(wàn)倍，所以地波傳播損耗主要受σ影響。其中，地網(wǎng)區(qū)（A′K）段σ產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)同等長(zhǎng)度σ產(chǎn)生的影響。為減少地?fù)p失，地網(wǎng)長(zhǎng)度應(yīng)按0σ值設(shè)計(jì)。

3 地網(wǎng)與覆蓋效果關(guān)系

在覆蓋區(qū)內(nèi)，如果接收效果較差，主要是有其他發(fā)射機(jī)的電磁波在電離層產(chǎn)生反射干擾，造成接收信號(hào)變壞或音質(zhì)變差。在幾千公里范圍內(nèi)，當(dāng)沒(méi)有新增發(fā)射機(jī)時(shí)，干擾和熱噪聲都不會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)，提高接收?qǐng)鰪?qiáng)就成為唯一改善音質(zhì)的辦法。接收?qǐng)鰪?qiáng)式為：

式（1）中，Eu為標(biāo)稱可用場(chǎng)強(qiáng)，（夜間地波農(nóng)村地區(qū)）；P為發(fā)射功率，dBV；Lt為饋線損耗，dB；G為天線增益，dBi；E0為歸一化場(chǎng)強(qiáng)，dBμV/m。根據(jù)《頻率在10KHz 到30MHz 的地波傳播曲線》ITU-R P 368 中的圖2 確定傳播范圍。La為地網(wǎng)效率因子，La=-10lgη（dB），η為地網(wǎng)效率。

圖2 功率相加法計(jì)算曲線

甘肅省廣播電視局535 臺(tái)地網(wǎng)的土壤為較干燥土壤，地導(dǎo)系數(shù)介電常數(shù)rε =7。當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)的根數(shù)為120 根時(shí)，地網(wǎng)效率η（%）與地網(wǎng)長(zhǎng)度M的關(guān)系式為：

式（2）中，M 為地網(wǎng)長(zhǎng)度，m。若M=15m，η=37%；若M=80，η=65%，

△La=4.32-1.87=2.45 dB。計(jì)算說(shuō)明，地網(wǎng)長(zhǎng)度增加，等效于E0值（場(chǎng)強(qiáng)）的增加。表1 為載干比（C/I）、信噪比（S/N）與主觀評(píng)分的關(guān)系。

表1 載干比、信噪比與主觀評(píng)分的關(guān)系

通過(guò)表1，可以看出載干比越高，信噪比越高，音質(zhì)等級(jí)越高。當(dāng)接收?qǐng)鰪?qiáng)增加后，聲音信號(hào)的強(qiáng)度相應(yīng)增加，音質(zhì)等級(jí)相應(yīng)增加。

4 解決辦法

在實(shí)際工程中，欲收功率與非欲收功率空間場(chǎng)強(qiáng)的合成，可以采用功率相加法計(jì)算曲線圖2 的辦法，步驟如下：第一步，確定欲收?qǐng)鰪?qiáng)E欲和非欲收?qǐng)鰪?qiáng)E非；第二步， 非欲收?qǐng)鰪?qiáng)E非疊加保護(hù)率A；第三步，計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)差△=E欲-（E非+A）；第四步，根據(jù)△值查對(duì)應(yīng)J值，J為合成場(chǎng)強(qiáng)。如果非欲收功率E非不止一個(gè)，先用功率合成辦法合成所有的E非，再按上述步驟計(jì)算。

4.1 地波覆蓋預(yù)測(cè)

地波覆蓋預(yù)測(cè)由專業(yè)覆蓋軟件ATDI 計(jì)算。參數(shù)設(shè)置包括Nominal Power（發(fā)射機(jī)標(biāo)稱功率）；Tx ant gain（發(fā)射天線水平極化增益）；Rx ant gain （接收天線增益，取0 dB）；losses(損耗包括調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)、絕緣，同等損失dB）；附加損耗La=20lgη，η為發(fā)射天線效率，其值由匹配網(wǎng)絡(luò)電阻值、絕緣電阻損失、地網(wǎng)長(zhǎng)度、土壤特性等決定，取η=65%，（地網(wǎng)長(zhǎng)80 m)；Frequency（工作頻率684 kHz 和1 035 kHz）；Antenna height（天線高度，取中點(diǎn)位于地面0 m 位置）；Tx/Rx bandwidth（發(fā)射帶寬取9 kHz ）；Horizontal pattern（天線發(fā)射場(chǎng)型取圓形）。設(shè)置完成后，再計(jì)算相應(yīng)的覆蓋，并疊加到電子地圖上。

4.2 地網(wǎng)改造辦法

為了擴(kuò)大天線的有效覆蓋面并提高其輻射效率，提高天線的實(shí)有增益是最好的方案，而減少地?fù)p耗則是最有效的解決措施。天線地網(wǎng)是為了減少地?fù)p耗而敷設(shè)的，當(dāng)然在選擇發(fā)射臺(tái)臺(tái)址時(shí)也要注意選擇導(dǎo)電性能良好的地面，以減少地網(wǎng)的損耗[1]。

地網(wǎng)導(dǎo)線埋入地下，對(duì)減少地?fù)p耗而言，埋設(shè)得越淺越好，但由于地網(wǎng)占地很大，地面又要利用，為保護(hù)導(dǎo)線，地網(wǎng)埋設(shè)深度300～500 mm 為宜。

計(jì)算地?fù)p耗近似的方法：首先確定理想導(dǎo)電大地的電流分布，然后由這個(gè)分布電流及實(shí)際地面的土壤導(dǎo)電參數(shù)計(jì)算出地面損耗功率和地電阻。為了減少地電阻的損耗，應(yīng)在天線底部鋪設(shè)放射狀地網(wǎng)，使地網(wǎng)導(dǎo)電電流與土壤導(dǎo)電電流的比值變大，等效于地電阻變小，相應(yīng)的天線輻射效率也隨之增加。天線的增益與天線的輻射效率成正比，敷設(shè)良好的地網(wǎng)相當(dāng)于提高了天線增益。

本項(xiàng)目中天線高度為76 m，對(duì)1 035 kHz 而言為1/4 λ，對(duì)684 kHz 而言僅有0.17 λ。地網(wǎng)則以鐵塔底部中心為圓心，用120 根直徑3 mm 的紫銅線以放射狀均勻向外敷設(shè)。為解決主城區(qū)場(chǎng)強(qiáng)值較低的問(wèn)題，我們采用在朝蘭州城區(qū)方向原敷設(shè)地網(wǎng)末端增加地網(wǎng)長(zhǎng)度并在末端增設(shè)地樁的方法，確保地網(wǎng)加長(zhǎng)并鋪設(shè)牢固，經(jīng)過(guò)精心調(diào)試確保發(fā)射機(jī)和天調(diào)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最佳工作狀態(tài)；播出設(shè)備、發(fā)射天線等再次良好接地并委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行防雷接地測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)要求。至此，新址天線場(chǎng)形、增益、效率等性能均得到優(yōu)化改善。如地網(wǎng)分布示意圖3 所示，在扇形區(qū)域外，地網(wǎng)長(zhǎng)度均為60 m，共96 根。在扇形區(qū)域內(nèi)，由于存在2 個(gè)建筑物阻擋，改造前地網(wǎng)長(zhǎng)度為15 m，改造后地網(wǎng)長(zhǎng)度為80 m，共24 根。地網(wǎng)的焊接由扇形區(qū)兩個(gè)邊點(diǎn)和一個(gè)中點(diǎn)繞行后，避開2 個(gè)建筑物，再形成以鐵塔底部中心為圓心，每3°均勻分布的地網(wǎng)放射性輻射區(qū)。地網(wǎng)埋設(shè)深度為300 mm，地網(wǎng)直徑為3 mm，材料為紫銅線。

圖3 地網(wǎng)分布示意圖

4.3 驗(yàn)證

地網(wǎng)改造完成后，我們對(duì)播出設(shè)備和天調(diào)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多次調(diào)試，目前已達(dá)到最佳狀態(tài)。為檢驗(yàn)新址場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和播出質(zhì)量，測(cè)試小組對(duì)新址和舊址的廣播網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況進(jìn)行了場(chǎng)強(qiáng)和可聽度測(cè)試，對(duì)比兩地?cái)?shù)據(jù)，分析搬遷后的覆蓋和收聽效果。測(cè)試小組共采集3 070個(gè)有效樣本點(diǎn)，測(cè)試范圍為蘭州市區(qū)及榆中縣，設(shè)備為車載接收機(jī)，每一個(gè)測(cè)試樣本點(diǎn)包含場(chǎng)強(qiáng)、信噪比測(cè)試數(shù)據(jù)。再與原改造前場(chǎng)強(qiáng)和音質(zhì)進(jìn)行了比較，表中每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的值為平均值。場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表2 所示，分值評(píng)價(jià)對(duì)比結(jié)果如表3 所示：

表2 場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比結(jié)果

表3 分值評(píng)價(jià)對(duì)比結(jié)果表

改造后，頻率為684 kHz 和1 035 kHz 的接收?qǐng)鰪?qiáng)平均分別提高2.3 dBμV/m 和2.4 dBμV/m，分值平均提高0.35 分和0.34 分。0～15 km 范圍內(nèi)，由于場(chǎng)強(qiáng)值和音質(zhì)評(píng)價(jià)均較高，所以改善效果不明顯，15～40 km范圍內(nèi)，改造前后場(chǎng)強(qiáng)值和音質(zhì)均有明顯提高。

5 結(jié)語(yǔ)

由于中波頻段波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，高山或高大建筑只有實(shí)際高度在數(shù)百米以上時(shí)才可能形成覆蓋盲區(qū)，山或建筑越高，盲區(qū)越大。為改善盲區(qū)接收效果，在不增加覆蓋點(diǎn)的情況下，如果采用提高發(fā)射機(jī)功率的辦法是難以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樾袠I(yè)主管部門對(duì)發(fā)射機(jī)功率和天線增益有嚴(yán)格的規(guī)定。理論和實(shí)踐均能證明，適當(dāng)增加地網(wǎng)長(zhǎng)度能夠提高接收?qǐng)鰪?qiáng)和改善收聽質(zhì)量，有效減輕覆蓋區(qū)的干擾影響，并且采用增加地網(wǎng)長(zhǎng)度的辦法，投資較少、施工便利。