并饋式自立中波天線的原理及應(yīng)用

張富強(qiáng)

(忻州中波轉(zhuǎn)播臺，山西 忻州 034000)

0 引言

忻州中波轉(zhuǎn)播臺原有一座拉線式天線，發(fā)射中國之聲、山西新聞綜合廣播、山西農(nóng)村廣播三個頻率信號。2018年8月臺址搬遷，設(shè)計用原拉線式天線發(fā)射中國之聲信號，頻率為540 kHz，功率為1 kW；同時，自建一座并饋式自立中波天線，雙頻共塔發(fā)射山西新聞綜合廣播和山西農(nóng)村廣播信號，頻率分別為1 269 kHz、1 008 kHz，功率均為10 kW。

新建發(fā)射場地南北寬180 m，東西長230 m。因兩座天線鐵塔距離不能太近，因此選擇在東西方向立塔。西邊建設(shè)拉線式天線鐵塔，距西邊界53 m；東邊建設(shè)并饋式自立中波天線鐵塔，距東邊界53 m。兩塔之間相距124 m，減小互相干擾。

1 并饋式自立中波天線的優(yōu)點(diǎn)

并饋式自立中波天線近年來得到普遍運(yùn)用。與傳統(tǒng)的底部絕緣拉線天線相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 并饋式自立中波天線鐵塔直接接地，雷電不會侵入發(fā)射機(jī)，不會損壞發(fā)射設(shè)備；

2) 取消了絕緣拉繩，大大節(jié)省了占地面積，由于沒有拉線，發(fā)射臺更美觀，同時對周圍環(huán)境影響較??；

3) 可以承受大功率、可以多頻工作；

4) 可以在并饋式自立中波天線鐵塔上安裝微波天線，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 并饋式自立中波天線的結(jié)構(gòu)

忻州中波轉(zhuǎn)播臺并饋式自立中波天線高100 m，鐵塔底部為邊長16 m的正方形結(jié)構(gòu)，鐵塔架體為鋼管塔接式、金字塔結(jié)構(gòu)，從上往下有三個維修平臺。

天線平臺三高度為40 m，平臺與塔身電氣接觸良好，從平臺三向四周引下12根銅包鋼絞線，下端與地通過絕緣子連接，保證與地良好絕緣。銅絞線水平集中于塔中心的連接銅盤A點(diǎn)，通過連接銅管與調(diào)配網(wǎng)絡(luò)連接，如圖1所示。

圖1 并饋式自立中波天線示意截圖

地網(wǎng)與拉線式中波天線相同，以鐵塔為中心，每隔3°成輻射狀埋設(shè)120根銅質(zhì)地網(wǎng)線，塔基接地與機(jī)房接地裝置焊接。

3 并饋式自立中波天線的原理

并饋式自立中波天線是一種新的發(fā)射方式，其實(shí)質(zhì)是高頻能量通過一個并聯(lián)電抗去激勵天線，雖然天線直流接地，但天線對高頻不接地。原理如圖2所示，A點(diǎn)為調(diào)配室輸出端，C點(diǎn)為自立塔中部饋電平臺，D點(diǎn)為自立塔頂端，E點(diǎn)為自立塔底部地網(wǎng)位置。由調(diào)配室輸出的高頻電流i流至中部饋電平臺C點(diǎn)時，分i1和i2兩路，i1流向自立塔頂部D點(diǎn)，形成了高度為H的ACD輻射天線體，i2流向自立塔底部地網(wǎng)E，形成了高度為h的CE接地線，該接地線的輸入阻抗為：Zin=R+jXL。

當(dāng)中部饋電平臺高度h=λ/4時，對于天線而言，正好處于天線駐點(diǎn)端，CE接地線輸入阻抗Zin=∞，因此i2=0，高頻調(diào)幅能量經(jīng)ACD形成天線體向外輻射。

當(dāng)中部饋電平臺高度h≠λ/4時，CE接地線輸入阻抗Zin為純電抗，此時i2≠0,通過CE流入大地。對于高頻調(diào)幅能量來說，此時的Zin無損耗，但是會影響天線的整體輻射效率。因此，中部饋電平臺的高度h原則上應(yīng)設(shè)計為載波頻率的四分之一波長處[1]。

圖2 并饋式自立中波天線原理圖

4 并饋式自立中波天線的調(diào)配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

并饋式自立中波天線的雙頻共塔調(diào)配網(wǎng)絡(luò)由預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)、阻塞網(wǎng)絡(luò)、匹配網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成[2]，如圖3所示。

圖3 雙頻共塔調(diào)配網(wǎng)絡(luò)框圖

4.1 預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)

以忻州中波轉(zhuǎn)播臺為例，并饋式中波自立天線鐵塔架設(shè)完成后，實(shí)測1 008 kHz信號的天線輸入阻抗ZA1=32+j129Ω，1 269 kHz信號的天線輸入阻抗ZA2=381.5+j370.1Ω，兩個頻率天線輸入阻抗相差太大。當(dāng)共塔工作的兩個頻率的輸入阻抗模值相等時，兩個阻塞網(wǎng)絡(luò)的視在功率最小。為了減小兩個頻率天線輸入阻抗模值，需要在天線底部加預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。

串聯(lián)的X01和并聯(lián)的X02構(gòu)成預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。串聯(lián)的X01調(diào)整輸入阻抗的實(shí)部，并聯(lián)的X02調(diào)整輸入阻抗的虛部。以忻州中波轉(zhuǎn)播臺的預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)為例，1 008 kHz 的天線阻抗ZA1=32+j129Ω串聯(lián)1 008 kHz對X01元件所得的阻抗 X011后，和1 008 kHz對X02元件所得的阻抗X021并聯(lián)，得到并化串阻抗；與1 269 kHz的天線阻抗ZA2=381.5+j370.1Ω串聯(lián)1 269 kHz對X01元件所得阻抗X012后，和1 269 kHz對X02元件所得阻抗X022并聯(lián)，得到的并化串阻抗實(shí)部相等，虛部也相等，建立等式方程，解得X01元件為4μH，X02元件為530pf。即X01元件選用4μH的電感，X02元件選用530pf電容時，兩個頻率的輸入阻抗模值相等。

在實(shí)際應(yīng)用中，兩輸入阻抗接近即可，元件過多易造成不穩(wěn)定，因此X01元件為4μH可以不考慮；選取電容時盡可能使用網(wǎng)絡(luò)中使用的同型號電容，達(dá)到內(nèi)壓相同，同一電壓下內(nèi)部電流相同，因此并聯(lián)的X02元件選取電容C0為500pf。

當(dāng)并入電容C0為500pf時，經(jīng)計算得，ZB1阻抗為89+j203Ω，ZB2阻抗為148-j296Ω。

4.2 阻塞網(wǎng)絡(luò)

阻塞網(wǎng)絡(luò)一般采用LC并聯(lián)諧振電路，串接在本頻的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)里，對他頻進(jìn)行阻塞。由于并聯(lián)諧振電路在諧振頻率附近的等效阻抗很大，把并聯(lián)諧振電路串接在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的串臂上，使諧振頻率等于需要抑制的高頻回饋頻率，他頻信號就被并聯(lián)諧振的高阻抗阻止，不能通過匹配網(wǎng)絡(luò)和饋線進(jìn)入本頻發(fā)射機(jī)。

阻塞網(wǎng)絡(luò)阻抗品質(zhì)因數(shù)Q的大小，一般設(shè)定為數(shù)十量級。選取阻塞網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)Q為40；根據(jù)有關(guān)資料和實(shí)踐證明，若阻塞阻抗Z0對其邊帶呈現(xiàn)的阻抗在5 kΩ以上時，就不會出現(xiàn)交叉調(diào)制和特性變壞等問題，因此Z0選取5kΩ；ω為需要阻塞頻率540 kHz，代入公式，得：

(1)

確定阻塞網(wǎng)絡(luò)L1的電感值為43.4μH，電容C1為2000pf，根據(jù)并聯(lián)電路電抗的倒數(shù)等于每個支路電抗的倒數(shù)之和，可得并聯(lián)電抗值為-j111Ω。由此得ZC1為89+j92Ω。

4.3 匹配網(wǎng)絡(luò)

γ型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，容易達(dá)到天線實(shí)部電阻Ra調(diào)配和抵消虛部電抗，是天線常用的匹配網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)天線實(shí)部Ra

(2)

當(dāng)天線實(shí)部Ra>Zc時，選用倒γ型，倒γ型網(wǎng)絡(luò)公式為：

(3)

以1 008 kHz與發(fā)射機(jī)的匹配網(wǎng)絡(luò)為例分析，在ZE1節(jié)點(diǎn)處得到的節(jié)點(diǎn)阻抗為89+j136Ω，因為天線實(shí)部為89Ω>50Ω，選用倒г型網(wǎng)絡(luò)公式計算，其中Ra為89Ω，Xa為136Ω，Zc為50Ω，帶入公式(3)得：

(4)

(5)

若選擇X1為電感，X2為電容，X1取+111Ω，X2取-79Ω，組成倒γ型匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 倒γ型匹配網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)XL=ωL，XC=1/ωC，得電感L4為17.4μH，電容C4為2000pf。

4.4 其余匹配和阻塞網(wǎng)絡(luò)電容、電感值確定

根據(jù)以上公式分別確定1 269 kHz、1 008 kHz匹配網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)的電容、電感值，計算結(jié)果見表1。最終實(shí)現(xiàn)雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 雙頻共塔設(shè)計各點(diǎn)的阻抗值

圖5 雙頻共塔網(wǎng)絡(luò)圖

5 總結(jié)

網(wǎng)絡(luò)安裝完成后，用網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)表1數(shù)值，從天線端逐步向前調(diào)整，使發(fā)射機(jī)和天調(diào)網(wǎng)絡(luò)匹配。然后開啟一部發(fā)射機(jī)，在另一部發(fā)射機(jī)上根據(jù)反射功率的大小調(diào)節(jié)阻塞網(wǎng)絡(luò)，使反射功率最小。調(diào)整了阻塞網(wǎng)絡(luò)后，需重新微調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)。反復(fù)調(diào)試后，兩機(jī)同時開啟。試運(yùn)行72 h，對雙頻共塔的兩部發(fā)射機(jī)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，全部技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到甲級機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

忻州中波廣播臺并饋式自立中波天線運(yùn)行幾個月來，工作穩(wěn)定，性能良好。