大功率中波廣播發(fā)射雙頻共塔技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

劉海章

（作者單位：四川廣播電視臺(tái)520發(fā)射傳輸臺(tái)）

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大功率中波廣播發(fā)射雙頻共塔技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

劉海章

（作者單位：四川廣播電視臺(tái)520發(fā)射傳輸臺(tái)）

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(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐，對(duì)業(yè)內(nèi)同等功率等級(jí)中波發(fā)射臺(tái)進(jìn)行技術(shù)改造具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：大功率；中波；雙頻共塔；技術(shù)應(yīng)用

四川廣播電視臺(tái)520發(fā)射傳輸臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)520臺(tái)）是四川省中短波廣播中心發(fā)射臺(tái)，承擔(dān)著2套單機(jī)發(fā)射功率100kW中波、1套單機(jī)發(fā)射功率50kW短波廣播發(fā)射業(yè)務(wù)，發(fā)射中央人民廣播電臺(tái)第1套節(jié)目（中國(guó)之聲）、四川人民廣播電臺(tái)第1套節(jié)目（新聞?lì)l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(wù)。在2014年四川省廣播電視安全播出保障等級(jí)提升工程中，520臺(tái)安全播出設(shè)施改造得以立項(xiàng)，具體實(shí)施對(duì)兩套100kW中波廣播發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行改造。2015年初，520臺(tái)正式啟動(dòng)實(shí)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(shù)改造。

1 項(xiàng)目背景

520臺(tái)于1956年建臺(tái)，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(tái)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(tái)第1套節(jié)目，發(fā)射功率100千瓦。建成投運(yùn)以來(lái)，這兩座中波發(fā)射塔及饋線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用時(shí)間已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)計(jì)壽命，雖然其間進(jìn)行過(guò)幾次維護(hù)，但由于設(shè)施已嚴(yán)重老化，系統(tǒng)指標(biāo)性能降低，急需進(jìn)行更新改造。

由于歷史原因，520臺(tái)639kHz 發(fā)射天線場(chǎng)沒(méi)有辦理土地征用手續(xù)，天饋線處在村民的基本農(nóng)田上。近年來(lái)，520臺(tái)在天饋線維護(hù)檢修工作中，經(jīng)常受到當(dāng)?shù)卮迕竦牡箅y和阻撓。520臺(tái)1116kHz中波發(fā)射天線場(chǎng)位于臺(tái)區(qū)大院內(nèi)，這片近90畝土地在2009年底完善并辦理了國(guó)土證。在臺(tái)區(qū)大院內(nèi)，基本具備改造1座中波發(fā)射塔所需的地理?xiàng)l件。

為了消除安全隱患，提高發(fā)射效率，增強(qiáng)收聽(tīng)效果，提高技術(shù)設(shè)備和土地資源的利用率，由財(cái)政投入專(zhuān)項(xiàng)資金，對(duì)520臺(tái)1116kHz發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行改造更新，并在改造設(shè)計(jì)中運(yùn)用大功率中波雙頻共塔技術(shù)，增加639kHz饋線及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)1116kHz與639kHz兩套100千瓦中波雙頻共塔發(fā)射。

2 問(wèn)題的提出

520臺(tái)1116kHz和639kHz兩座中波發(fā)射天線、饋線、射頻網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重老化，1116kHz主備機(jī)倒換系統(tǒng)不能自動(dòng)切換，沒(méi)有配置假負(fù)載，備用發(fā)射機(jī)是上世紀(jì)八十年代生產(chǎn)的電子管發(fā)射機(jī)，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)下降，不能達(dá)到廣電總局62號(hào)令及專(zhuān)業(yè)實(shí)施細(xì)則的要求。本次實(shí)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(gè)問(wèn)題：

2.1 及時(shí)消除安全隱患，防止發(fā)生倒塔事故

520臺(tái)1116kHz、639kHz中波發(fā)射天線塔及配套設(shè)施已分別使用57年和53年，屬?lài)?yán)重超期服役，塔體銹蝕已非常嚴(yán)重，塔體的鋼管多處有塊狀脫落，塔的拉錨拉桿銹蝕、機(jī)械張力已不能保證塔體安全的需要。如不及時(shí)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(cái)產(chǎn)損失，后果將非常嚴(yán)重。及時(shí)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(tái)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(lái)，經(jīng)過(guò)多次維修，饋線已有多個(gè)斷點(diǎn)連接，饋線形狀多處嚴(yán)重變形，特別是季節(jié)交替溫差較大的情況下，經(jīng)常造成饋線行波系數(shù)減小，發(fā)射機(jī)輸出阻抗與天饋線阻抗不匹配，影響了高頻信號(hào)的有效傳輸，造成了一定量的射頻信號(hào)衰減。及時(shí)改造1116kHz、639kHz饋線系統(tǒng)，可以有效提高中波射頻信號(hào)傳輸效率，增強(qiáng)發(fā)射效果。

2.3 完善系統(tǒng)配置，確保安全播出

520臺(tái)1116kHz、639kHz所用備用發(fā)射機(jī)是已經(jīng)使用近30年的電子管發(fā)射機(jī)，設(shè)備嚴(yán)重老化、故障頻發(fā)。由于大部份重要元器件已停產(chǎn)，直接造成發(fā)射運(yùn)行維護(hù)成本增加和不能提供可靠的備份播出系統(tǒng)的問(wèn)題；發(fā)射系統(tǒng)無(wú)假負(fù)載，在播出期間檢修故障發(fā)射機(jī)很不方便；天線切換開(kāi)關(guān)陳舊，故障率高，且不能自動(dòng)倒換。這些陳舊的發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備達(dá)不到國(guó)家廣電總局62號(hào)令及無(wú)線發(fā)射專(zhuān)業(yè)實(shí)施細(xì)則的要求。對(duì)1116kHz、639kHz發(fā)射配套系統(tǒng)進(jìn)行改造，能有效減少發(fā)射運(yùn)行維護(hù)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(jìn)事業(yè)發(fā)展

520臺(tái)1116kHz發(fā)射塔系50年代北京雙橋鐵塔廠生產(chǎn)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(chǎng)土地資源利用率極低。拉線絕緣子系20世紀(jì)50年代末從前蘇聯(lián)進(jìn)口的器件，單個(gè)重量達(dá)600多公斤，體積很大，維護(hù)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(tái)的事業(yè)拓展創(chuàng)造了條件。

3 制定技術(shù)方案時(shí)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?cè)谥贫夹g(shù)方案時(shí)主要考慮了下面幾個(gè)因素：

3.1 大功率中波雙頻共塔發(fā)射的可行性

通過(guò)與設(shè)計(jì)單位的咨詢(xún)和對(duì)全國(guó)各省區(qū)市的廣泛了解，全國(guó)大功率中波雙頻共塔技術(shù)運(yùn)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(gè)，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(shù)的成功應(yīng)用，工作人員向有關(guān)咨詢(xún)和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了詳細(xì)深入的技術(shù)交流和咨詢(xún)，并派出2名高級(jí)工程師前往成功進(jìn)行過(guò)2×100kW中波雙頻共塔技術(shù)改造的某省人民廣播電臺(tái)發(fā)射臺(tái)實(shí)地考察，獲取了實(shí)施2×100kW中波雙頻共塔技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)及所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)過(guò)可行性研究論證，確定在臺(tái)實(shí)施2×100kW中波雙頻共塔技術(shù)改造是可行的。

3.2 中波自立塔的選型

在不同功率等級(jí)的自立式中波發(fā)射塔型式中，考慮本項(xiàng)目使用頻率的波長(zhǎng)、造價(jià)、塔體穩(wěn)定性、業(yè)務(wù)拓展的可能性等因素，確定選用四邊形鋼結(jié)構(gòu)塔；考慮底座絕緣子承載負(fù)荷重、生產(chǎn)廠家極少、造價(jià)成本高、維護(hù)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(shù)工藝的成熟性和可靠性，選用了目前國(guó)際上廣泛使用的在自立式中波鐵塔外用銅包鋼導(dǎo)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(yù)測(cè)

為了確保改造后的發(fā)射效果，委托咨詢(xún)公司通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件建模，進(jìn)行了覆蓋效果計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)在實(shí)測(cè)的發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行比較，確定改造后的理論場(chǎng)強(qiáng)值比較理想，能夠保證達(dá)到原有的覆蓋效果。1116kHz、639kHz兩個(gè)頻率雙頻共塔場(chǎng)強(qiáng)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(yù)留電視調(diào)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(tái)的地理位置，結(jié)合兄弟省市中波發(fā)射臺(tái)業(yè)務(wù)拓展方向，在選擇發(fā)射塔時(shí)，預(yù)留了可以安裝電視和調(diào)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(wù)及其它無(wú)線電業(yè)務(wù)預(yù)留了發(fā)展空間。

3.5 大功率同軸饋管的選用

鑒于機(jī)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(wèn)題，在本次改造中選擇使用進(jìn)口大功率中波同軸饋管（國(guó)產(chǎn)同軸軟饋管的功率等級(jí)達(dá)不到要求），采用地溝敷設(shè)方式。選用進(jìn)口軟饋管，既能保證饋線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，也可以減少饋線系統(tǒng)的占地，增加臺(tái)區(qū)大院內(nèi)土地資源的利用率。

4 技術(shù)方案的實(shí)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(jié)構(gòu)自立式接地中波天線塔，根開(kāi)20m，滿(mǎn)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(gè)平臺(tái)，發(fā)射塔上預(yù)留安裝一套4×4雙偶極子反射板調(diào)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(dá)到發(fā)射天線塔不僅能實(shí)現(xiàn)中波頻段2套100kW雙頻共塔發(fā)射，而且考慮到將來(lái)發(fā)展的需要，可以實(shí)現(xiàn)電視、調(diào)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?chē)?2根銅包鋼線作為導(dǎo)體。自立式發(fā)射塔結(jié)構(gòu)形式及饋電如圖3所示。

中波發(fā)射天線的技術(shù)參數(shù)如下：

天線類(lèi)型：自立式四邊形鋼塔結(jié)構(gòu)

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(fēng)能力：≥11級(jí)

抗震烈度：≥9度

防雷能力：接地電阻≤1Ω

4.2 高頻地網(wǎng)與防雷接地

4.2.1 高頻接地井

在發(fā)射天線下和1116kHz機(jī)房樓下各修建1個(gè)高頻接地井。發(fā)射天線的高頻接地板置于塔基對(duì)角線上兩基腳旁，發(fā)射機(jī)房的高頻接地板置于技術(shù)樓外5m范圍內(nèi)。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(shè)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(wǎng)

天線的地網(wǎng)采用新建與利舊的方式.新建120根長(zhǎng)120m的射頻地網(wǎng)，地網(wǎng)選用Φ4 mm紫銅線，在中心地板四周間隔3°放射狀鋪設(shè)而成。地網(wǎng)在520臺(tái)大院內(nèi)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(chǔ)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(diào)配室的接地母線接好并錫焊牢固。本次改造還要求在建設(shè)過(guò)程中修補(bǔ)舊天線拆除過(guò)程破壞的地網(wǎng)線，將舊地網(wǎng)與新建地網(wǎng)連接在一起，增強(qiáng)高頻地網(wǎng)的輻射效果。新建鐵塔底部的高頻接地系統(tǒng)見(jiàn)圖4所示。

圖3　自立式發(fā)射塔結(jié)構(gòu)形式及饋電

圖4　高頻地網(wǎng)

4.2.3 防雷接地

在發(fā)射機(jī)房和發(fā)射天線下各修建1個(gè)防雷接地網(wǎng)。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(zhǎng)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(diǎn)需進(jìn)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(zhǎng)度分別為180m、250m。主饋電纜敷設(shè)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(shù)樓一樓的一間專(zhuān)用房間內(nèi)，供今后故障處理時(shí)調(diào)整饋管長(zhǎng)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(zhǎng)越好，但實(shí)際上槽段長(zhǎng)度受多種因素綜合制約。

4.4 匹配網(wǎng)絡(luò)

發(fā)射天線采用集中參數(shù)元件調(diào)配，置于發(fā)射塔下調(diào)配室內(nèi)。調(diào)配室中分別設(shè)匹配網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)，調(diào)配網(wǎng)絡(luò)原理如圖6所示。此外，由于臺(tái)區(qū)內(nèi)包含其它中波天線，很難保證各天線之間沒(méi)有相互干擾，在調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中加入對(duì)其他頻率的陷波網(wǎng)絡(luò)。調(diào)配室內(nèi)部各調(diào)配元件的連接保證有良好的電氣接觸，連接處緊密結(jié)合，各導(dǎo)體表面平滑，沒(méi)有毛刺。

4.5 天線調(diào)配室及天線場(chǎng)

在發(fā)射塔下面四個(gè)基座之間建設(shè)48m2的天線調(diào)配室，房屋中間采用實(shí)體墻隔開(kāi)，639kHz和1116kHz的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各放在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間內(nèi)。調(diào)配室六面銅皮屏蔽。調(diào)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(chǎng)內(nèi)新建一根饋管溝，長(zhǎng)150 m，凈空寬80cm，深1200cm，溝壁兩側(cè)各預(yù)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(yù)置檢查用可復(fù)位活動(dòng)拉柄，以方便檢修。

圖5　饋管溝

圖6　調(diào)配網(wǎng)絡(luò)原理圖

圖7　調(diào)配室平面布置

在天線場(chǎng)新建饋線巡邏道路，從播出機(jī)房延伸到天調(diào)室，長(zhǎng)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(shè)備設(shè)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(shè)備設(shè)施：

4.6.1 發(fā)射機(jī)：配置國(guó)產(chǎn)全固態(tài)DAM 50kW中波發(fā)射機(jī)作為備用發(fā)射機(jī)。

4.6.2 假負(fù)載及天線切換開(kāi)關(guān)：為1116kHz發(fā)射機(jī)房安裝200kW假負(fù)載1臺(tái)。安裝同軸天線自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)2套。

4.6.3 安防與門(mén)禁：在天線調(diào)配室安裝視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)和門(mén)禁及報(bào)警系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳送到機(jī)房?jī)?nèi)。

4.6.4 播出機(jī)房配套設(shè)施及維修：對(duì)420m2的播出機(jī)房進(jìn)行維修，地面鋪設(shè)防靜電地板，對(duì)墻面防塵維修，頂面采用沖孔鋁扣板吊頂，安裝自動(dòng)門(mén)禁系統(tǒng)。機(jī)房?jī)?nèi)安裝10P空調(diào)1臺(tái)，饋管充氣機(jī)2臺(tái)等。

5 項(xiàng)目改造的意義

中波廣播是一項(xiàng)公益性的事業(yè)，雖不能帶來(lái)顯著的直接經(jīng)濟(jì)效益，但它的政治效益和社會(huì)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(diǎn)，是無(wú)線廣播區(qū)域覆蓋的重要渠道，有調(diào)頻廣播所不及的戰(zhàn)略覆蓋意義。520臺(tái)100kW中波與省地震信息中心進(jìn)行合作試驗(yàn)，測(cè)試從發(fā)布到接收的時(shí)延僅1.6s，預(yù)警發(fā)布時(shí)效性很好。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)大功率廣覆蓋的中波廣播發(fā)射，實(shí)施地震災(zāi)害預(yù)警等信息發(fā)布是可能的。

在本次技術(shù)改造中，臺(tái)工程技術(shù)人員從方案調(diào)研、擬制到具體實(shí)施，每項(xiàng)工作都全程深入?yún)⑴c。通過(guò)實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)改造，不但消除了臺(tái)技術(shù)安全隱患，提升了播出保障水平，還鍛煉了技術(shù)隊(duì)伍，促進(jìn)了技術(shù)設(shè)施和土地資源利用，可謂一舉多得。本項(xiàng)目的技術(shù)改造可以以供同行參考借鑒。