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

王紅旗

中波廣播發(fā)射臺(tái)搬遷建設(shè)時(shí)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(tái)高級(jí)工程師）

中波廣播發(fā)射臺(tái)新建時(shí)，天線的選型受多種因素影響，若場(chǎng)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(gè)難題；通過對(duì)各種類型中波天線技術(shù)參數(shù)特性的分析比對(duì)，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(tái)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(tái)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(tái)搬遷建設(shè)中天線的選型和應(yīng)用實(shí)踐為例，對(duì)筆者的一些體會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1　天線的技術(shù)要求

寶雞中波臺(tái)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(tái)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(chǎng)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(duì)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(zhǎng)為最佳高度，也是轉(zhuǎn)換效率最高的；如果發(fā)射臺(tái)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(zhǎng)的1倍，若受用地限制不能到達(dá)1倍波長(zhǎng)以上，也必須避開1/4波長(zhǎng)間距。下面介紹寶雞臺(tái)新址的天線選型的一些約束條件。

1.1高度受限

由于老臺(tái)址原有3座76m高拉線天線，在搬遷時(shí)，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(tái)的規(guī)劃播出頻率有5個(gè)（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(zhǎng)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(shì)，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(tái)，除了要確保長(zhǎng)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(duì)比各型天線。

2.1各型中波天線的簡(jiǎn)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(zhǎng)，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(zhǎng)，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(duì)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(tái)兩座發(fā)射天線時(shí)，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(duì)它們的參數(shù)進(jìn)行了對(duì)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(duì)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(duì)原有的天線實(shí)際測(cè)量獲得，阻抗對(duì)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(duì)比

120m自立塔阻抗值由我們?cè)谄渌l(fā)射臺(tái)的播出天線上實(shí)際測(cè)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(duì)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(duì)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(shì)；可確保在任何一個(gè)頻點(diǎn)上都能很好的實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；在駐波比≤1.25時(shí)，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(jiǎn)析

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

2）利用天線長(zhǎng)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(zhǎng)細(xì)比原理，振子天線的輸入阻抗隨電長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)細(xì)比，即Ω=2㏑（2L/a），其中L是天線振子臂的長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)于無(wú)限長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(shí)，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(tái)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(shí)采取的相應(yīng)措施

由于寶雞臺(tái)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(duì)天線電參數(shù)的影響，地網(wǎng)敷設(shè)時(shí)，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(zhǎng)度不到工作頻率的1、2波長(zhǎng)，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(wú)限長(zhǎng)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(cè)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(duì)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(shì)；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(cè)試和2次覆蓋區(qū)內(nèi)的實(shí)際覆蓋場(chǎng)強(qiáng)收測(cè)，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(hào)覆蓋區(qū)內(nèi)的場(chǎng)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(yǔ)

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(duì)于不同頻率不會(huì)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(shí)較好的選擇。

表1　76米錐面頂負(fù)荷自立式天線實(shí)測(cè)阻抗

王紅旗（1965-），男，陜西興平人，本科，高級(jí)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.