中波發(fā)射臺搬遷建設(shè)及天線選用

白智彪

內(nèi)蒙古新聞出版廣電局呼倫貝爾廣播發(fā)射中心785臺 內(nèi)蒙古 牙克石 022150

中波發(fā)射臺搬遷建設(shè)及天線選用

白智彪

內(nèi)蒙古新聞出版廣電局呼倫貝爾廣播發(fā)射中心785臺 內(nèi)蒙古 牙克石 022150

本文論述了在新建發(fā)射臺選址時如何建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)中波發(fā)射臺，如何依據(jù)中波廣播特點以及人口面積、行政規(guī)劃覆蓋和地質(zhì)地貌進(jìn)行地網(wǎng)鋪設(shè)、機(jī)房與天調(diào)室設(shè)計及天線選用所需條件。

選址 地網(wǎng) 發(fā)射天線 調(diào)配網(wǎng)絡(luò)

中波廣播發(fā)射臺是調(diào)幅廣播的最后一個環(huán)節(jié)，對有效地擴(kuò)大覆蓋提高播出質(zhì)量有著重要作用。建設(shè)一個新發(fā)射臺從選址到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，都要從理論上進(jìn)行論證，在實踐中按規(guī)范施工。

國內(nèi)許多發(fā)射臺建臺歷史較長，多建于城市郊區(qū)。隨著城市建設(shè)迅猛發(fā)展和規(guī)模日見擴(kuò)大，多數(shù)發(fā)射臺已處于城市市區(qū)。電臺周圍的高大建筑影響了廣播效果，同時對城市環(huán)境也造成一定的電磁污染。中波發(fā)射臺移址重建勢在必行。

1 中波發(fā)射臺選址

建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)中波廣播臺一定要根據(jù)中波廣播特點以及人口面積、行政規(guī)劃覆蓋等，結(jié)合實際調(diào)查，科學(xué)合理并反復(fù)研究論證后選擇臺址。

中波發(fā)射臺建臺以中波反射面各項主要技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)，要達(dá)到盡可能大覆蓋必須考慮提高發(fā)射效率問題，合理選擇臺址對于提高天線輻射效率影響很大。中波廣播傳播特點是白天沿大地表面地波傳播，雖然地波衰減較小，但有很強(qiáng)繞射能力，可以形成一個比較穩(wěn)定服務(wù)區(qū)域，根據(jù)發(fā)射設(shè)備功率大小在林區(qū)和山區(qū)可達(dá)幾十公里，在平原地區(qū)甚至達(dá)幾百公里。夜間除靠大地表面地波傳播和電波向空中發(fā)射后被電離層反射回地面形成天波傳播，在很遠(yuǎn)地方又形成另外一個區(qū)域。但天波覆蓋區(qū)非常不穩(wěn)定常有衰落現(xiàn)象，也會隨著季節(jié)和時間變化而變化。因此需進(jìn)行以下方面考慮。

首先，要考慮地質(zhì)性能。地面電氣特性對于發(fā)射電波和地波在不同地面?zhèn)鞑ル妶鰪?qiáng)度有很大區(qū)別，要考慮因素有：服務(wù)范圍、大地常數(shù)和地勢。特別是在發(fā)射臺周圍地形地導(dǎo)率對天線發(fā)射效率的影響。地形一定要開闊平坦，必須在發(fā)射臺周圍地導(dǎo)率要高以提高發(fā)射效果。地形對地導(dǎo)率的影響數(shù)值，如表1。

表1 地導(dǎo)系數(shù)一般估算值

選址中既不能干擾附近已建有線和無線通信設(shè)施，還應(yīng)符合電磁環(huán)境要求，不能被其他無線電設(shè)施所干擾。此外，要遠(yuǎn)離大功率機(jī)器、油庫、高大建筑物場、飛機(jī)起落航線管制區(qū)、高壓輸電塔等以防止電磁損耗。

2 技術(shù)區(qū)域和機(jī)房

技術(shù)區(qū)域和機(jī)房設(shè)計施工應(yīng)符合廣播電視工程規(guī)范。必須要充分考慮減小噪聲、發(fā)射機(jī)啟動控制以及防止灰塵。新建發(fā)射臺以發(fā)射機(jī)數(shù)量和功率來確定主機(jī)房規(guī)模等級，應(yīng)考慮采用微機(jī)控制機(jī)房設(shè)微機(jī)控制室并進(jìn)行屏蔽。使用微機(jī)控制臺可以自動化控制播出比提高播出質(zhì)量，可以減少人為造成的播出事故。主機(jī)房安裝設(shè)計施工建筑凈高裝修后，天花板至地面高度要達(dá)到4～5米，機(jī)房寬敞明亮且通風(fēng)較好。設(shè)計時要充分考慮電源、饋管、信號線接入，應(yīng)設(shè)計為上下夾層最好機(jī)房內(nèi)看不到過多同軸開關(guān)和饋管，地線、供電線等維護(hù)非常安全方便。中波發(fā)射臺技術(shù)區(qū)域和機(jī)房有主機(jī)房和一個天調(diào)室，兩者相距幾十米，用饋管連接時電長度應(yīng)避開1/4工作波長。

天調(diào)室安裝調(diào)配網(wǎng)絡(luò)也是機(jī)房的重要部分，是天線輸入阻抗經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換后相當(dāng)于饋管特性阻抗，即終端匹配和調(diào)配網(wǎng)絡(luò)具有濾波性能，只能讓工作頻率通過對其它頻率，特別是工作頻率高次諧波有較大衰減作用。若濾波性能差則發(fā)射機(jī)諧波衰減小將有較強(qiáng)輻射，其他中波發(fā)射機(jī)通過天線會收到發(fā)射機(jī)較強(qiáng)信號甚至帶來明顯干擾。設(shè)計調(diào)試好調(diào)配網(wǎng)絡(luò)對提高發(fā)射效率改善播出質(zhì)量十分重要。

應(yīng)根據(jù)共塔工作情況、功率及工作頻率來決定天調(diào)室的面積大小。室內(nèi)六面內(nèi)壁須采取屏蔽措施，應(yīng)備有防盜報警裝置、交流電源及照明。天調(diào)室應(yīng)合理設(shè)計大小，否則會帶來網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)增大影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。注意調(diào)配網(wǎng)絡(luò)防熱、防雷和通風(fēng)問題，溫度變數(shù)會影響網(wǎng)絡(luò)中的電容增加了網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。在天線塔和天調(diào)室需用圍墻圍住，以保護(hù)天線設(shè)施和防止人員接觸，確保設(shè)備及人身安全。

3 地網(wǎng)與發(fā)射天線

發(fā)射天線是能量轉(zhuǎn)換裝置，將發(fā)射機(jī)提供高頻已調(diào)電流能量變成電磁波能量并輻射到天空。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射臺發(fā)射天線多采用對地絕緣鐵塔。對地絕緣鐵塔天線根據(jù)工作頻率決定其高度。天線機(jī)械長度從理論上講，0.53λ長度效率最高即天線最佳高度。在實踐中，中波廣播高頻段可以做到0.53λ長度，但在低頻段由于受資金、場地面積等因數(shù)制約，大多采用1/4λ長度。除考慮天線長度還要注意天線位置。一個發(fā)射臺根據(jù)頻率多少，架設(shè)兩座到三座鐵塔，需慎重確定兩鐵塔間距離。單桅桿非定向天線塔間距離大于1λ，不宜取1/4λ塔距。電磁波沿地面?zhèn)鞑ブ写怪睒O化波其電場方向與大地垂直損耗低于水平極化波損耗，因此，中波天線多采用矗立于大地的垂直天線來獲取垂直極化電磁波。

中波發(fā)射天線主要有四類：（1）細(xì)截面垂直天線，即T型和倒L型天線。（2）底部絕緣拉繩鐵塔天線，即桅桿天線。（3）自立式鐵塔天線，包含有底部絕緣和底部接地λ/4并饋式自立鐵塔天線。（4）電小天線，天線高度H≤λ/2π，λ為工作波長。

細(xì)截面垂直天線是由一根銅導(dǎo)線或數(shù)根銅導(dǎo)線絞合組成，懸掛于兩支撐物之間，支撐物是木桿或是帶絕緣鋼支架。沿天線導(dǎo)體電流分布可視為正弦分布，該天線主要用于小功率發(fā)射機(jī)。

底部絕緣拉繩鐵塔天線是用鋼絲繩固定，為了避免鋼絲繩對電氣影響，在鋼絲繩上用絕緣子將之分成數(shù)段互相隔開。底部絕緣拉繩鐵塔天線由于其結(jié)構(gòu)特點，高度可以做到工作波長1/2～5/8之間；根據(jù)天線特性阻抗圖頻率低（531～810 KHz），功率大（100KW～2000KW），通過增加塔高和塔寬改善輸入阻抗，使輸入阻抗提升，滿足輸入電流和輸入電壓達(dá)到合理值滿足發(fā)射需求，同時在塔底以塔為中心地面下（30～50cm）敷設(shè)有輻射狀地網(wǎng)（60～120根；長度約為0.3～0.5λ），因而有較高輻射效率和良好輻射圖形。如圖1所示。

圖1 底部絕緣拉繩鐵塔天線輸入阻抗和天線輸入阻抗比較

在這種塔上既可以承受大功率工作，也可以在其上實現(xiàn)雙頻或三頻共塔工作。共塔頻率愈多，其網(wǎng)絡(luò)損耗愈大，機(jī)器發(fā)射效果愈差。如果發(fā)射功率大（100～2000KW），頻率高（1008～1602KHz），通過減少塔高和增加塔寬來改善輸入阻抗，使輸入阻抗降低滿足輸入電流和輸入電壓達(dá)到一定的合理值滿足發(fā)射需求。

對于中小功率低頻段用拉繩鐵塔，其鐵塔高度H＜λ/4，輸入阻抗容抗變大電阻部分變小，天線輻射效率降低工作頻帶變窄。采用的補(bǔ)救辦法是在天線頂部拉線作為頂負(fù)荷增加天線有效高度，以提高天線輻射效率和加大天線輻射電阻。頂負(fù)荷拉線是120°分布，長度不宜大于1/2塔高。

早期自立塔用作支撐T型、倒L型天線，后來才演變出底部絕緣和底部接地λ/4饋電自立塔。因期具有較高輻射效率和良好輻射圖形，減少了拉繩占用土地及其維護(hù)工作量，避免了因拉繩故障而倒塔的風(fēng)險。其高度一般在130米以下，在低頻點（531～810KHz）上輸入電流偏大、天線耗損增大和特性阻抗偏低，不利于大功率發(fā)射。在其它頻點通過改變塔高來滿足大功率發(fā)射需要。

自立塔實現(xiàn)雙頻共塔工作其功率容量可達(dá)到200KW。接地自立塔高度一般在100米以上，其獨特優(yōu)點是在其頂部可以安裝FM和TV天線，可以一塔多用，但無法滿足大功率發(fā)射需要。

電小中波發(fā)射天線在國內(nèi)多數(shù)為錐面頂負(fù)荷小天線，天線底部設(shè)有高頻地井，并敷設(shè)輻射狀短地網(wǎng)長度≤15米。在當(dāng)前土地使用緊張地價及原材料昂貴形勢下，可采用小天線套筒式寬頻帶錐面頂負(fù)荷中波小型發(fā)射天線，功率可達(dá)1～200KW。小天線有其獨特性能，工作頻帶寬、高度低、地面積小、防雷和抗風(fēng)性能好、維護(hù)工作量小和結(jié)構(gòu)美觀等優(yōu)點，可實現(xiàn)雙頻共塔。

一般小天線與高度＞λ/4拉繩鐵塔天線相比較有其特有缺點，即輻射電阻Rr小、輸入容抗（Xc）較高、Q值高，因而帶寬較窄。為了實現(xiàn)發(fā)射機(jī)和天線之間匹配，需引入適當(dāng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)消除輸入容抗，以滿足整個系統(tǒng)諧振條件。

由于天線底部電流大帶來較大損耗，由天線效率ηA定義可知：

當(dāng)輻射電阻Rr較小，損耗電阻RL（包括地?fù)p耗和調(diào)配網(wǎng)絡(luò)損耗）較大時，天線效率降低。

套筒式寬頻帶錐面頂負(fù)荷中波小型發(fā)射天線，采用新型上錐頂負(fù)荷發(fā)射體和自立式發(fā)射體相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，提高了電抗分量，降低了天線輻射電阻，拓展了天線工作帶寬。對地網(wǎng)實施電感加載和電容，在電腦上利用Smith導(dǎo)抗圓圖軟件反復(fù)推演得出最優(yōu)化調(diào)配網(wǎng)絡(luò)，拓寬了工作帶寬和降低了損耗，使發(fā)射機(jī)邊帶功率有效從天線輻射到空間。

4 中波天線效率

首先要明確一個界限，即限制在天線底部半個波長以內(nèi)，當(dāng)距離大于半個波長時屬于輻射場。在這以外損耗屬于電波傳播損耗，不再是天線效率問題。

影響中波天線效率的主要因素：導(dǎo)體損耗、絕緣子介質(zhì)損耗、垂直接地天線損耗——地?fù)p耗。在以上三種損耗中，理論和實踐證明導(dǎo)體損耗比較小；絕緣子介電損耗，由于在天線設(shè)備中均用高頻瓷，這種損耗也比較小；影響天線效率主要因素是地?fù)p耗。

若以天線為中心，在地面上與天線距離為a到y(tǒng)1區(qū)域中，如圖2所示，大地功率損耗為：

J 為地電流密度

地?fù)p耗電阻為：

圖2 計算大地?fù)p耗說明

若以天線底部為中心，按《廣播電視工程建設(shè)規(guī)范》第3.1.3條規(guī)定，敷設(shè)一均勻分布的徑向地網(wǎng)，則在地網(wǎng)范圍內(nèi)的總耗損為：

式中N為地網(wǎng)根數(shù)，u為導(dǎo)磁率，Iy為徑向電流，Ib為天線底部電流，a為天線底部接地棒半徑。由于地?fù)p原因，天線效率表示式為：

式中，Rb為天線底部或電流波腹點輻射電阻，RL為地?fù)p耗電阻。

從ηb公式中看出ηb決定于的比值，例如實測得天線塔底阻抗實部為22Ω，其中含地?fù)p耗電阻RL≈2Ω，則天線效率ηb=90%。總之，天線輻射電阻Rb值愈大，地?fù)p耗電阻RL越小則天線的效率越高。

當(dāng)天線高度大于λ/8時，垂直接地天線的輻射電阻表示式為：

E=0.57721 （歐拉常數(shù)）

從式中看出，當(dāng)天線高度已定，Rb即確定。

式中N為地網(wǎng)根數(shù)，u為導(dǎo)磁率，Iy為經(jīng)向電流，Ib為天線底部電流，a為天線底部接地棒半徑。

從上式看出在其他條件已定情況下，要減小R1，就要在接地系統(tǒng)上采取增加地網(wǎng)根數(shù)加大接地棒半徑。如何敷設(shè)地網(wǎng)《廣播電視工程建設(shè)規(guī)范》第3.1.3條規(guī)定，“桅桿天線必須敷設(shè)地網(wǎng)。地網(wǎng)自桅桿中心向四周作輻射狀敷設(shè)相鄰導(dǎo)線夾角相等?！钡鼐W(wǎng)導(dǎo)線根數(shù)每根長度應(yīng)符合表2規(guī)定。

表2 地網(wǎng)導(dǎo)線根數(shù)和導(dǎo)線長度值

地網(wǎng)導(dǎo)線埋設(shè)深度一般為300mm，在耕地上可加深到500mm，但在桅桿中心向外0.1λ以內(nèi)，應(yīng)埋深300mm。根據(jù)上述原則，在地網(wǎng)設(shè)計施工中要認(rèn)真做到：（1）以鐵塔基礎(chǔ)為中心在靠近地表處敷設(shè)一均勻分布徑向輻射地網(wǎng)。（2）地網(wǎng)根數(shù)為120根夾角平均為3°，最佳長度為工作頻率的二分之一波長，銅線用φ3.0硬銅線埋設(shè)深度300mm耕地處為500mm。（3）地網(wǎng)終端用較粗銅線連接起來。（4）天線座底座基礎(chǔ)全部用銅帶屏蔽，屏蔽層和基礎(chǔ)四周匯流條焊接在一起。匯流條用銅條或較粗銅線做成，地網(wǎng)始端導(dǎo)線應(yīng)均勻分布并焊接在此匯流條上。（5）在天線基礎(chǔ)底部打入一根接地銅棒直徑要粗一些，打入地中要深一些達(dá)到電流的集膚深度一般在3米左右。

實踐中一些具體問題由于環(huán)境等一些條件限制，在中波廣播低頻段地網(wǎng)銅線長度很難達(dá)到工作頻率二分之一波長，可在終端打入一接地棒，其深度應(yīng)等于電流集膚深度。在施工中可根據(jù)土壤實際情況打入3～4米鐵樁，然后和地網(wǎng)焊接起來。

若受環(huán)境限制地網(wǎng)根數(shù)不能達(dá)到120根，可均勻減少地網(wǎng)根數(shù)但最少不能少于15根，地網(wǎng)深度在塔基周圍0.1λ以內(nèi)要埋得淺一些。在建設(shè)天調(diào)室和鐵塔圍墻時，要注意保護(hù)地網(wǎng)。

5 發(fā)射臺天線選用

當(dāng)前由于土地使用日趨緊張地價昂貴，標(biāo)準(zhǔn)拉繩鐵塔及其地網(wǎng)占地面積大工程量及維修量大等因素，新建臺已不再專一使用它。多數(shù)新建臺采用自立塔搭配小天線辦法。底部絕緣的自立塔，有著較高的輻射效率和良好輻射圖形，減少了拉繩占用土地和維修工作量，避免了因拉繩故障而倒塔的風(fēng)險，可以雙頻共塔工作最大功率容量為200KW。

套筒式寬頻帶錐面頂負(fù)荷中波小型發(fā)射天線占地面積小、高度低、工作頻帶寬、防雷及抗風(fēng)性能好、結(jié)構(gòu)堅固美觀且能實現(xiàn)雙頻共塔工作。小天線有良好的地井及密集短地網(wǎng)（長度約為0.05λ）。地?fù)p耗電阻較小天線效率相對較高。與76米拉繩塔相比，實測其近區(qū)場強(qiáng)偏低1～2dB,而遠(yuǎn)區(qū)場強(qiáng)則略高1～2dB。

編 輯：烏日山

TN837

B

2096-0751（2017）08-0017-06

白智彪 內(nèi)蒙古新聞出版廣電局呼倫貝爾廣播發(fā)射中心臺785臺 工程師

審稿人：嚴(yán)志剛 內(nèi)蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺 正高級工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏