中波天線地網(wǎng)對發(fā)射效果的影響分析

劉鈺毅

（廣東省惠州中波轉(zhuǎn)播臺，廣東 惠州 516007）

0 引 言

中波廣播主要是以地面波為主、以夜間天波為輔來進行信息傳播的。發(fā)射天線是中波廣播系統(tǒng)重要的組成部分，其主要功能是將發(fā)射的信號轉(zhuǎn)換為電磁波。天線接地網(wǎng)不僅可以有效減少各種環(huán)境因素對信號的干擾，而且可以提高發(fā)射系統(tǒng)的信號質(zhì)量。

1 中波天線地網(wǎng)的原理和運用

1.1 中波地網(wǎng)的原理

地網(wǎng)以天線鐵塔為中心，在發(fā)射場地地下鋪設(shè)導(dǎo)線，作為天線輻射的回路。地網(wǎng)導(dǎo)線的電阻遠小于大地電阻，因此在大地形成的電流通常都小于地網(wǎng)導(dǎo)線電流，這樣很大程度地減少了信號在大地的損耗，從而提高天線效率。中波天線的地網(wǎng)主要以鐵塔的底部作為中心圓心，使用直徑φ2～3 mm銅導(dǎo)線。在數(shù)量方面需要考慮土壤地導(dǎo)系數(shù)情況以及相關(guān)的地形情況，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合長度和高度，充分考慮地面狀況和土壤性質(zhì)情況。一般情況下導(dǎo)線長度為0.3λ～0.5λ（λ為信號的波長），很多時候其長度等于塔高。為減少地損，地網(wǎng)的埋設(shè)深度越淺越好，但為了保護導(dǎo)線，地網(wǎng)的深度一般在離地面0.3～0.5 m。距離天線塔底中心部位小于0.5λ的區(qū)域設(shè)置為天線電磁感應(yīng)區(qū)，考慮到損耗和地網(wǎng)的關(guān)系，距離塔底大于0.5λ的區(qū)域一般都是輻射場，但與天線效率無關(guān)。

通常情況下，發(fā)射臺都處于城市的中心位置，天線大多被高層建筑遮擋，也需要進行地網(wǎng)敷設(shè)，這樣才可以提高發(fā)射效率。天線地網(wǎng)可以采用中心徑向敷設(shè)模式，這樣可以擴大中波發(fā)射范圍，提升收聽穩(wěn)定性[1]。

1.2 中波地網(wǎng)的運用實踐

以惠州中波轉(zhuǎn)播臺新臺搬遷建設(shè)為例，介紹地網(wǎng)在實際工作中的運用。

惠州中波轉(zhuǎn)播臺新臺共建設(shè)3座中波自立塔，其中2座高120 m（1 170 kHz與1 557 kHz共塔，927 kHz與1 206 kHz共塔），另外1座高76 m（1 098 kHz單頻塔）。鐵塔地網(wǎng)以中波自立塔（塔基中心）為圓心，每3°鋪設(shè)一根Φ3 mm紫銅線（地網(wǎng)線），共120根，埋深40～50 cm，呈放射狀均勻向外鋪設(shè)，鋪設(shè)至天線區(qū)場地邊界和兩塔距離中間的交界處。地網(wǎng)長度小于0.3λ的要在地網(wǎng)線的末端靠外圍墻處加建簡易高頻地井（每12條地網(wǎng)線末端配置1個）。地網(wǎng)線之間用3個不同半徑的圓環(huán)（內(nèi)環(huán)、中環(huán)及外環(huán)）連接，如圖1所示。

圖1 惠州中波轉(zhuǎn)播臺地網(wǎng)簡易平面圖

在鐵塔圍墻和調(diào)配室外側(cè)、鐵塔與調(diào)配室之間沿著調(diào)配室墻外側(cè)鋪設(shè)10 cm×0.75 mm紫銅板，作為連接地網(wǎng)線與塔基回流條的地網(wǎng)內(nèi)環(huán)，用厚10 cm、寬40 cm的混凝土固封。在地網(wǎng)半徑30 m處設(shè)一中環(huán)，用紫銅線將所有地網(wǎng)線連接起來。在地網(wǎng)線的末端設(shè)一外環(huán)，用紫銅線連接所有地網(wǎng)線的末端，并與相鄰地網(wǎng)連接。地網(wǎng)遇到圍墻圈界的地方鋪設(shè)至圍墻底端，遇建筑障礙的地方繞過后繼續(xù)鋪設(shè)；遇水池時，將相鄰12根并接后以3 mm×30 mm紫銅板埋池底深50 cm敷設(shè)，每隔6 m使用1根10 cm×10 cm×60 cm的砼柱垂直固定，離砼柱上端10 cm處開孔，用于穿孔固定紫銅板。蓄水池需使用的砼柱數(shù)量約為80根（臺站有兩個水池，大概面積為3 000 m2）。在地網(wǎng)末端加一根長度為40 cm、直徑為12 mm的圓鋼，將其砸入地下，以保證接地更完好。在沿外墻的地網(wǎng)末端，用10 cm×10 cm×60 cm的砼柱作標(biāo)志，使用量約為240根。惠州中波轉(zhuǎn)播臺每座中波自立塔要沿天線區(qū)邊緣建簡易高頻地井10個，具體建設(shè)方法為：挖直徑1 m、深度為2.5 m的圓柱形地井，埋入Φ3 mm紫銅線焊接的直徑1 m、高2 m的圓柱形銅籠，回填混合土，其中包括降阻劑50 kg和改良土1.5 m3，填充時加水并分層踏實[2]。

惠州中波轉(zhuǎn)播臺新臺位于城市郊區(qū)，已經(jīng)播出運行了3年。跟舊臺相比，整個地網(wǎng)敷設(shè)設(shè)計更加完善，改善了播出的質(zhì)量和覆蓋范圍，以新臺為中心的45 km范圍內(nèi)收聽質(zhì)量優(yōu)良，而且極大地減少了極端雷雨天氣產(chǎn)生的天線駐波過大等故障，也避免了發(fā)射機受到雷電的侵害。

2 中波天線地網(wǎng)對發(fā)射效果的影響分析

天線設(shè)計、地網(wǎng)設(shè)計以及地網(wǎng)鋪設(shè)質(zhì)量，會直接影響發(fā)射天線的輻射功率、輻射范圍以及信號質(zhì)量。詳細分析地網(wǎng)多方面因素對發(fā)射效果的影響，在地網(wǎng)施工中綜合考慮各種因素，可以更好地提升中波的傳輸效果。

地網(wǎng)不良主要有以下表現(xiàn)。

（1）接地電阻增大，天線輻射能量有一部分損失在地面，造成輻射效率降低。天線發(fā)射信號時，應(yīng)當(dāng)考慮其輻射效率，即將天線高頻電流充分地轉(zhuǎn)換為電磁波能量，天線輻射效率η是輻射功率Pr與輸入功率Pi之比。設(shè)天線電流為IA，輻射電阻為RA，損耗電阻為RL，則：η=Pr/（Pr+PL）=RA/（RA+RL）。由這個公式可以看出，影響天線輻射效率的因素主要有兩個，分別是天線輻射電阻RA和地電阻RL（即地面損耗）。如果地網(wǎng)設(shè)計和鋪設(shè)效果不理想，會導(dǎo)致接地電阻增大，造成地面損耗大，輻射效果減弱。一般接地電阻要小于2 Ω，越小越好。

（2）天線輻射的主電場與地面地電流反射副電場相位不一致，導(dǎo)致輻射總電場減弱。在發(fā)射空間電磁波時，一般情況下地面會受電磁波作用而產(chǎn)生地電流。地電流由位移電流和傳導(dǎo)電流組成，其中電導(dǎo)率成正比。在天線的輻射空間里，地電流會產(chǎn)生再輻射，因此除了主電場外，還有附加副電場，總電場是由主電場和副電場共同疊加形成的。由于兩個電場的電磁波在空間中的路徑不同，因此存在很大的相位差，會使天線振幅發(fā)生波動，導(dǎo)致所需要覆蓋的區(qū)域覆蓋不了，不需覆蓋的區(qū)域又可收到信號。為了減少地電流的影響，在選擇新建臺站地址時，除了選擇平坦、濕潤及導(dǎo)電性好的地面外，還要妥善細致地做好天線地網(wǎng)的鋪設(shè)工作，地網(wǎng)可以為地電流提供良好的通路[3]。

（3）影響天線和饋線的匹配度，使阻抗不匹配，造成反射過大。天線的輸入阻抗是一個復(fù)數(shù)Z=R+Xj。在天線的特性方面，阻抗與天線形狀、工作頻率、周圍環(huán)境、地網(wǎng)以及季節(jié)因素有關(guān)。當(dāng)特性阻抗與饋線特性相等，稱為阻抗匹配。通常饋線的特性阻抗為50 Ω，天線的特性阻抗可以通過天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)整，使其達到50 Ω，與饋線匹配。這時天線系統(tǒng)的輻射電阻和損耗電阻正好吸收了發(fā)射機輸出并通過饋線發(fā)送。當(dāng)天饋線不匹配時，所造成的電波主要從天線系統(tǒng)反射回饋線以及向發(fā)射機傳輸，從而造成傳輸效率下降。因此地面環(huán)境的變化和地網(wǎng)會影響天線的特性阻抗，從而影響到天饋線的匹配。

（4）作為發(fā)射天線的接地端，如果地網(wǎng)質(zhì)量不好，易造成發(fā)射機駐波過大甚至遭到雷擊。如果天線接地不好，阻抗匹配容易受天氣的影響，在雷雨天氣，容易造成天線阻抗變化大，電波反射回發(fā)射機，從而造成駐波比過大，發(fā)射機頻繁降功率，影響播出功率。天線接地不好更為嚴(yán)重的后果是雷電直接通過天饋線通道燒壞發(fā)射機，對廣播設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。

此外，發(fā)射頻率會對輻射場產(chǎn)生較強的影響，其中地波衰減情況與波長有很大關(guān)系。相同的功率等級下，中波發(fā)射機的工作頻率較低，而輻射場的抗衰減能力就會越強，覆蓋半徑也就越大。相反，如果工作頻率較高，那么中波覆蓋半徑就會越小[4]。

3 地網(wǎng)設(shè)計與鋪設(shè)的優(yōu)化措施

3.1 加設(shè)地井和環(huán)形連接

目前，天線地網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，主要的問題是信號的傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性得不到保障。設(shè)計人員可以在地網(wǎng)外環(huán)加設(shè)一定數(shù)量的地井，用顆粒鹽、木炭等阻降劑和改良土進行埋設(shè)，更好地提升發(fā)射效率，并能實現(xiàn)有效的防雷；也可以在地網(wǎng)線之間增加兩至三個圓環(huán)并連接起來，形成良好的導(dǎo)電通路[5]。

3.2 地網(wǎng)鋪設(shè)施工規(guī)范

鋪設(shè)地網(wǎng)前，施工人員要對地形環(huán)境和地質(zhì)條件進行勘察，繪制出細致的施工圖，做好選材工作。鋪設(shè)選材需要進行嚴(yán)格的控制，在夏冬溫差特別大的地區(qū)，考慮到熱脹冷縮對地網(wǎng)的影響，可以選擇鋪設(shè)較粗的銅線。鋪設(shè)地網(wǎng)時，各種連接點的焊接必須采用高溫處理，保證焊接點穩(wěn)固。由于鐵塔正下方的地面的電磁場能量大，為了更好地減少衰減和損耗，在接近鐵塔基座的地方鋪設(shè)的地網(wǎng)要埋得淺一些，以提高天線的輻射效率。在地網(wǎng)的敷設(shè)過程中，遇到調(diào)配室等障礙物時，要繞過障礙物再分散敷設(shè)。天線地網(wǎng)的敷設(shè)是一項難度較大的工程，需要由專業(yè)的技術(shù)人員負責(zé)，檢查天線接地電阻是否達標(biāo)（小于2 Ω）。

4 地網(wǎng)和發(fā)射天線系統(tǒng)維護

4.1 對于天饋線的維護

對于天饋線的維護要做好天線地網(wǎng)、鐵塔、調(diào)配網(wǎng)絡(luò)以及饋線等天饋線日常維護工作，做好周檢、月檢、季檢及年檢工作。地網(wǎng)焊點多，埋設(shè)較淺，容易因各種原因造成斷損現(xiàn)象。在實踐工作中，維護人員需要及時有效地處理破損問題，焊接好相關(guān)的接頭，檢查地網(wǎng)外觀的完整性。維護人員可利用電纜探位儀測出地網(wǎng)線的斷損位置，測試電氣特性，從而更好地做好地網(wǎng)維護工作。天線鐵塔一般每3年深入維護一次，主要工作是矯正拉線位置的偏差，為拉錨接點和鐵塔各連接點做好緊固工作并上黃油。維護人員要定期檢查接地點和放電球等，測試接地電阻是否合規(guī)。對于調(diào)配網(wǎng)絡(luò)和饋線，維護人員應(yīng)利用每周停機檢修時間進行巡查，特別是在夏天雷雨天氣，需檢查電容電感是否有雷擊燒壞現(xiàn)象，饋線各接點是否架設(shè)穩(wěn)固，杜絕因接觸不良引起饋線傳輸效率低和發(fā)熱現(xiàn)象。

4.2 對于發(fā)射機系統(tǒng)的維護

發(fā)射機維護對于中波發(fā)射系統(tǒng)十分重要，因為發(fā)射機是能量發(fā)射的開端。發(fā)射機對于發(fā)射信號的傳輸具有各種監(jiān)控指標(biāo)和報警信號，主要有入射功率、反射功率、調(diào)制度以及天線駐波比等，值班人員在值班巡查時要留意這些重要指標(biāo)，將實時記錄和之前的記錄進行對比，監(jiān)控異常情況。如果反射功率和駐波比出現(xiàn)異常，值班人員一定要及時進行檢查，盡快解決問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4.3 對于中波發(fā)射系統(tǒng)的維護

中波發(fā)射系統(tǒng)需要定期進行檢查，還需要定期進行大范圍修理，大修的時間是3～5年實施1次。整修過程最重要的是檢查拉線狀況，其對天線鐵塔的影響比較大。在檢查過程中，檢修人員要檢查拉線的腐蝕現(xiàn)象、拉線形狀以及拉線破損情況。對于饋線檢查，檢修人員要先檢查導(dǎo)線情況，查看導(dǎo)線是否有斷裂或者裸露在外的情況，如果有，需要及時更換饋線。在進行全面大修檢查時，檢修人員需要全面和細心地檢查整體中波發(fā)射系統(tǒng)。

5 結(jié) 語

天線地網(wǎng)是中波廣播發(fā)射傳輸過程保證天線發(fā)射效率的重要因素。如果天線地網(wǎng)鋪設(shè)不好，會導(dǎo)致信號發(fā)射效果達不到預(yù)期，影響廣播信號的覆蓋率和收聽質(zhì)量，還會影響傳播設(shè)備的安全。因此在設(shè)計、鋪設(shè)以及維護天線地網(wǎng)的過程中，相關(guān)人員需要根據(jù)中波的發(fā)射特點，不斷地進行地網(wǎng)的完善和優(yōu)化，減少天線的損耗，確保達到良好的中波發(fā)射效果。