中波廣播發(fā)射天線的原理與維護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)分析

王建軍

【摘要】827臺(tái)是全省最大功率中波骨干發(fā)射臺(tái)，總裝機(jī)容量是210Kw。播出中央新聞綜合一套廣播節(jié)目和甘肅新聞綜合一套廣播節(jié)目，兩部發(fā)射天線按地理東西走向布置，意在組成弱定向天線陣，增強(qiáng)處在甘肅東西狹長(zhǎng)地域分布河西走廊方向輻射場(chǎng)。鐵塔高度151米，5層拉線地錨接地系統(tǒng)。甘肅臺(tái)684kHz饋線采用籠形饋線，中央臺(tái)1035kHz饋線采用國(guó)產(chǎn)SDY-50-80軟饋線。

【關(guān)鍵詞】中波廣播;發(fā)射天線;原理與維護(hù);關(guān)鍵點(diǎn)分析

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.13..014

1. 中波發(fā)射機(jī)構(gòu)成

中波發(fā)射機(jī)采用全固態(tài)數(shù)字調(diào)幅發(fā)射機(jī)，簡(jiǎn)稱DAM數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)，這種發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是高效率、高穩(wěn)定度，其工作原理可以簡(jiǎn)捷的描述為：對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼形成地址碼，通過(guò)第二次編碼形成功率合成器功率模塊瞬間“導(dǎo)通”“關(guān)斷”的12bit開(kāi)關(guān)信號(hào)，功率合成器根據(jù)音頻信號(hào)送來(lái)的這個(gè)比特流，瞬時(shí)關(guān)閉和開(kāi)通功率模塊，功率模塊就像磊“積木”一樣，實(shí)現(xiàn)功率增減，形成含有量化臺(tái)階的射頻包絡(luò)調(diào)幅信號(hào)。以50Kw發(fā)射機(jī)為例，ZF-50A DAM50KW發(fā)射機(jī)射頻功率合成器采用128塊功率模塊，其中大臺(tái)階模塊123個(gè)，二進(jìn)制模塊5個(gè)，最小量化臺(tái)階的電壓是（1/32）E大臺(tái)階電壓數(shù)，對(duì)音頻的分辨率為：123×31+123+31=3967個(gè)量化臺(tái)階，即11.9bit，再加上72Khz抖動(dòng)PDM補(bǔ)償3-4bit即可達(dá)到12bit人耳對(duì)音頻分辨率的要求，其它功率級(jí)別的發(fā)射機(jī)雖然功率模塊數(shù)量不同，都能滿足12bit人耳對(duì)音頻分辨率的要求。發(fā)射機(jī)功率模塊核心器件使用場(chǎng)效應(yīng)管。

2. 中波發(fā)射天線原理

2.1 中波垂直天線輻射場(chǎng)型建立的理論

先從基本的電磁場(chǎng)理著手，再?gòu)膫鬏斁€方程，平板電容開(kāi)放后的電場(chǎng)分布開(kāi)始分析中波發(fā)射天線的特性。

中波饋線和發(fā)射天線核心問(wèn)題是高頻電磁場(chǎng)的建立、電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，以及和產(chǎn)生它們的電荷、電流之間的相互關(guān)系。麥克斯韋方程式分析描述上述關(guān)系的最核心的理論。下面是麥克斯韋方程組。

中波天線和饋線是電磁場(chǎng)理論的邊值問(wèn)題，中波發(fā)射天線可以看做是終端張開(kāi)900的二線傳輸線。用傳輸線理論分析實(shí)際的饋線和天線，可以對(duì)中波天饋線系統(tǒng)做一準(zhǔn)確的分析。下面是二線傳輸線方程：

β是衰減常數(shù)，表示單位長(zhǎng)度衰減量。

α是相移常熟，表示單位長(zhǎng)度的相移。

由上述傳輸線方程，當(dāng)傳輸線終端開(kāi)路，此時(shí)為全反射，即ρ=+1，S=∞，K=0線上只有駐波，為了分析中波垂直天線的特性，我們只分析傳輸線上電壓、電流和傳輸線長(zhǎng)度的關(guān)系：

終端開(kāi)路傳輸線的特征可以歸納為：

電壓、電流幅值沿線上的分布呈周期性變化，周期為λ/2，電壓分布為余弦規(guī)律，電力分布為正弦規(guī)律，這個(gè)規(guī)律對(duì)于分析垂直中波發(fā)射天線是非常重要的。中波發(fā)射以地波為主，水平面上場(chǎng)形是個(gè)圓，因?yàn)樘炀€終端開(kāi)路，是一個(gè)駐波天線，天線上電流分布符合正弦規(guī)律。

平板電容內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布：

平板電容內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度與平板電容上+電荷正比。

中波天線是一個(gè)終端開(kāi)路開(kāi)放900的傳輸線，也是一個(gè)一邊張開(kāi)900的平板電容。從麥克斯韋方程得知，要增加天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)，就要增加天線上的+電荷Q，平板電容的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式也支持這一結(jié)論;從終端開(kāi)路傳輸線上電流分布特性得知，要讓中波天線輻射的更遠(yuǎn)，就要提高電流波幅電在天線上的位置。

上述3理論，從天線上電荷的積累即增加發(fā)射機(jī)功率、增加天線高度、保護(hù)地網(wǎng)等多維方面說(shuō)明了天饋線系統(tǒng)建立輻射場(chǎng)的原理。

2.2 中波發(fā)射天線的理想高度

理想濕地，鐵塔周圍無(wú)限空曠，空間電磁波輻射三維場(chǎng)強(qiáng)模型如下圖：場(chǎng)強(qiáng)由舒來(lái)依金—范德波爾公式計(jì)算：

式中：E為場(chǎng)強(qiáng)，mV/m;d為被測(cè)位置與發(fā)射天線水平距離，km;p為發(fā)射機(jī)標(biāo)稱功率，kW;G相對(duì)于接地基本振子（點(diǎn)源天G=1）的天線增益（倍數(shù)）;A為地面衰減因子;X為數(shù)量距離;λ為長(zhǎng)，m;ε為大地的介電常數(shù)（無(wú)量綱）;σ為大地的導(dǎo)電系數(shù)，1/（Ω*m）。由上述公式可見(jiàn)，要增加地面的輻射場(chǎng)，增加天線的高度和增大發(fā)射機(jī)功率是唯一可選的，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)已選址定型的發(fā)射臺(tái)，ε和σ除了受氣候干旱、地表濕度的變化影響外，公式中決定場(chǎng)強(qiáng)大小的其它量是確定的。天線的高度不是越高越好，天線太高，高仰角的副瓣增強(qiáng)，近區(qū)干擾增強(qiáng)，最理想的天線高度采用0.53λ天線。

3. 天饋線系統(tǒng)管理要求

3.1 對(duì)天饋線系統(tǒng)的要求

天饋線系統(tǒng)發(fā)生故障會(huì)引發(fā)停播，其作用與發(fā)射機(jī)同樣重要，也會(huì)直接影響發(fā)射臺(tái)的停播率。安全、優(yōu)質(zhì)、可靠的天饋線系統(tǒng)是確保發(fā)射臺(tái)優(yōu)質(zhì)安全播出和安全生產(chǎn)的必備條件之一。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，基于全固態(tài)發(fā)射機(jī)使用的場(chǎng)效應(yīng)管是電壓激勵(lì)型器件，不具耐高壓和耐高溫的性能，由此對(duì)天饋線系統(tǒng)運(yùn)作要求愈加嚴(yán)格;雷電是雷雨季造成發(fā)射機(jī)器件損壞，停播的最大危害，天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的防雷設(shè)計(jì)意義重大，對(duì)于新型的DAM發(fā)射機(jī)防雷是尤為重要的。

我臺(tái)從建立到現(xiàn)在已經(jīng)有近三十多年歷史，1035khz頻率一直采用六線式饋線，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行，饋線物理結(jié)構(gòu)及電氣特性變壞，天饋系統(tǒng)問(wèn)題逐漸凸顯。一，多線式饋線性能方面：主要是損耗和雜散輻射大，傳輸效率低。由于內(nèi)饋體僅為2根細(xì)銅線，隨著饋線的長(zhǎng)度增加，電阻值也逐漸增大，帶來(lái)的傳輸損耗也逐漸增加;多線式饋線，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行以及周圍環(huán)境的變化，饋線內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體距離及外導(dǎo)體與地面距離發(fā)生變化，這就帶來(lái)了饋線各處參數(shù)的不一致性，導(dǎo)致饋線阻抗的變化，形成一定的駐波，因此帶來(lái)的反射損耗也就增大;多線式饋線外導(dǎo)體只有4根銅包鋼導(dǎo)線，對(duì)雜散輻射的抑制很有限。二是安全方面。由于建臺(tái)年限過(guò)長(zhǎng)和氣候等特殊原因，饋線常年經(jīng)受風(fēng)雨侵蝕，造成饋線支架、導(dǎo)線老化、銹蝕，架空絕緣子臟污、碎裂，絕緣度下降;這些問(wèn)題一方面對(duì)設(shè)備的指標(biāo)產(chǎn)生影響，使播出質(zhì)量下降。另一方面都對(duì)播出的安全性和完整性造成了極大的影響，導(dǎo)致播出事故增多。為避免以上影響，2019年，我臺(tái)實(shí)施了中央臺(tái)1035kHz饋線采用國(guó)產(chǎn)SDY-50-80軟饋線進(jìn)行改造，其中涉及饋線射頻同軸電纜化、天調(diào)網(wǎng)絡(luò)更換、同軸切換開(kāi)關(guān)更換。

3.2 對(duì)天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)的要求

全固態(tài)發(fā)射機(jī)對(duì)天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)有嚴(yán)格的防雷適應(yīng)性要求，天調(diào)網(wǎng)絡(luò)必須具有新型防雷網(wǎng)絡(luò)“三要素”要求的隔離電容C、μH級(jí)雷電接地泄放線圈和石墨放電球。827臺(tái)兩部鐵塔新配置的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)如圖1、2.

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中添加它頻阻塞和吸收網(wǎng)絡(luò)的重要性：因?yàn)楸九_(tái)兩部天線組成弱定向天線陣，兩部天線互為無(wú)源反射，只有這樣，接收端才能收到純真的廣播信號(hào)，如果在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中，不加上述阻塞和吸收網(wǎng)絡(luò)，由于本頻在另外一幅天線上的感應(yīng)信號(hào)與本頻是不同相位的，這樣本塔發(fā)射的信號(hào)會(huì)受到另塔感應(yīng)信號(hào)的的干擾，影響收聽(tīng)的純真度和聲音的圓潤(rùn)度。石墨方電球的特性是，在放電球表面瞬間電弧擊穿后能形成保護(hù)膜，且放電速度較傳統(tǒng)的金屬放電球放電速度快。大家知道，雷電90%的能量集中在10Khz左右，具有上述“三要素”的防雷天調(diào)網(wǎng)絡(luò)足以泄放進(jìn)入天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的雷電。根據(jù)《GB-50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》建議，鐵塔的5層拉線接地體系已泄放了絕大部分雷電。

3.3 對(duì)地網(wǎng)的保護(hù)

理論上地網(wǎng)和天線長(zhǎng)度是相等的，實(shí)際鋪設(shè)的地網(wǎng)長(zhǎng)度稍長(zhǎng)于天線高度。這樣才能形成穩(wěn)定的空間輻射場(chǎng)，如電容電力線分布圖所示，紅色虛線代表的是地網(wǎng)正常時(shí)天線—地網(wǎng)板構(gòu)成板電容形成的電力線，黑色實(shí)線是地網(wǎng)被破壞（縮短）后空間電力線分布。由圖可見(jiàn)，地網(wǎng)被破壞縮短后，α1線向地面方向傾斜，輻射場(chǎng)向天線方向收縮。（α1（黑線）是地網(wǎng)正常時(shí)天線發(fā)射電磁波的仰角線向地面傾斜，α2是地網(wǎng)被破壞縮短后天線發(fā)射電磁波的仰角線）。

由以上分析，保護(hù)地網(wǎng)非常重要，隨著《中華人民共和國(guó)廣播電視法》的即將頒布，我們廣播人將更有信心保護(hù)好地網(wǎng)。

4. 天饋線系統(tǒng)維護(hù)

雷雨天多巡查天線場(chǎng)區(qū)，查看地錨有無(wú)松動(dòng)，拉錨螺絲有無(wú)松動(dòng)，塔體的垂直度有無(wú)變化。

日常檢修維護(hù)，一是高頻饋纜定期充氣，檢查饋纜外皮與支撐架接觸點(diǎn)是否有磨損。二是天調(diào)網(wǎng)絡(luò)要經(jīng)常保持干凈，定期除塵。天調(diào)網(wǎng)絡(luò)器件和支撐架上落塵，隨著塵土的積累，附加潮濕的空氣，網(wǎng)絡(luò)器件的耐壓降低，打火。

天饋線系統(tǒng)日常維護(hù)，切忌螺絲緊了又緊。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)器件螺絲會(huì)隨著工作溫度的上升有輕度膨脹，停機(jī)檢修時(shí)螺絲不能過(guò)度上緊，否則羅素在工作中會(huì)崩斷，造成事故。

要經(jīng)常保持天饋線系統(tǒng)阻抗和發(fā)射機(jī)出口阻抗匹配，用阻抗分析儀在發(fā)射機(jī)出口段調(diào)測(cè)天調(diào)網(wǎng)絡(luò)阻抗是檢修的常態(tài)工作。

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