廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用研究

劉嘉

（煙臺(tái)廣播電視臺(tái)，山東煙臺(tái) 264000）

0.引言

伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，廣播電視發(fā)射天線(xiàn)在各方面不斷地完善和更新，進(jìn)一步推動(dòng)了廣播電視技術(shù)的提升。然而天線(xiàn)的實(shí)際運(yùn)用和維護(hù)中，還是會(huì)受到地形、天氣、電磁干擾等不同因素的干擾，從而影響廣播電視的播出效果。煙臺(tái)廣播電視臺(tái)電視發(fā)射臺(tái)是一座調(diào)頻與電視發(fā)射臺(tái)，本文從調(diào)頻與電視發(fā)射入手，從臺(tái)站的實(shí)際出發(fā)，重點(diǎn)分析調(diào)頻與電視發(fā)射技術(shù)發(fā)射天線(xiàn)原理及其應(yīng)用。

1.廣播電視天線(xiàn)發(fā)射的概述

1.1 廣播電視天線(xiàn)發(fā)射的原理

廣播電視發(fā)射原理可以簡(jiǎn)單的歸納為：在發(fā)射機(jī)部分，廣播電視信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)激勵(lì)器調(diào)制成高頻電流能量，再經(jīng)過(guò)功放的再放大，最后經(jīng)饋線(xiàn)送至相應(yīng)的發(fā)射天線(xiàn)。發(fā)射天線(xiàn)將上高頻已調(diào)電流（或?qū)Р芰浚┺D(zhuǎn)換成空間自由傳播的電磁波能量，并將電磁波輻射到規(guī)劃接受方向。相反，在接收端，接受設(shè)備通過(guò)接收天線(xiàn)，將無(wú)線(xiàn)電波的能量轉(zhuǎn)換為高頻電流，然后進(jìn)行信號(hào)解碼與播放[1]。

廣播電視發(fā)射天線(xiàn)的功能其實(shí)就是將各類(lèi)發(fā)射機(jī)輸出的高頻電能轉(zhuǎn)換成向空間輻射的電磁波能量，并按技術(shù)規(guī)范對(duì)服務(wù)區(qū)提供符合場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的有效覆蓋。在發(fā)射臺(tái)發(fā)射塔和天線(xiàn)都是基礎(chǔ)性的關(guān)鍵設(shè)備。發(fā)射塔的作用是提高天線(xiàn)的高度，在基建或改擴(kuò)建時(shí)發(fā)射塔和天線(xiàn)規(guī)劃的合理與否，采用設(shè)備質(zhì)量的好壞，安裝工藝是否專(zhuān)業(yè)，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)是否及時(shí)完善，都直接影響廣播電視安全優(yōu)質(zhì)播出。

1.2 調(diào)頻與電視廣播的有關(guān)技術(shù)政策

我國(guó)的調(diào)頻與電視廣播是由中央、?。ㄗ灾螀^(qū)，直轄市）、市（地、州、盟）和縣（旗）電視臺(tái)開(kāi)辦的電視和調(diào)頻廣播節(jié)目組成四級(jí)混合覆蓋網(wǎng)，以保證全國(guó)95%以上的人口能夠看好電視、聽(tīng)好廣播。

在國(guó)家無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)劃分給調(diào)頻與電視廣播使用的頻段內(nèi)，電視米波頻段48.5MHz～223MHz內(nèi)設(shè)置了12個(gè)頻道，也稱(chēng)為VHF頻段。電視分米波段470MHz～960MHz內(nèi)設(shè)置了56個(gè)頻道，也稱(chēng)為UHF頻段。并規(guī)定了各電視頻道圖象載頻和伴音載頻的頻率。在VHF頻段內(nèi)，包含了調(diào)頻廣播的頻段，在UHF頻段中包含了與其他行業(yè)合用的部分。

我國(guó)的彩色電視每個(gè)電視頻道的必要帶寬為8MHz；其中圖象帶寬為6MHz；伴音載頻與圖象載頻相距6.5MHz。彩色電視的發(fā)射，圖象采用調(diào)幅方式，伴音采用調(diào)頻方式。圖象信號(hào)與伴音信號(hào)的載波功率比為10：1。我國(guó)的調(diào)頻廣播頻段為87MHz～108MHz，每個(gè)頻道的必要帶寬為200kHz，頻道間隔為100kHz的整數(shù)倍，共210個(gè)頻道，采用頻率復(fù)用制[2]。

1.3 調(diào)頻與電視廣播的視距傳播

地面電視與調(diào)頻廣播頻段的頻率范圍在48.5MHz～960MHz，在無(wú)線(xiàn)電波的頻譜中屬于超短波范圍。超短波傳播的特點(diǎn)：（1）因其頻率高、波長(zhǎng)短，地波的衰減很大，電波穿入電離層又不能反射回地面，因此地波和天波都不能利用，而主要靠距地面10km以?xún)?nèi)的、由直射波和地面反射波組成的空間波傳播。（2）具有幾何光學(xué)的性質(zhì)，視線(xiàn)所及的地方，電波才能達(dá)到，在視距范圍內(nèi)可以穩(wěn)定接收，因此也稱(chēng)為視距波傳播。（3）因電波離地面較近，受地球曲率的影響，傳播距離不遠(yuǎn)一般只有幾十公里，為了擴(kuò)大服務(wù)范圍天線(xiàn)需要架高。但是，天線(xiàn)的高度主要根據(jù)服務(wù)區(qū)的大小來(lái)確定，增加天線(xiàn)的離地高度，遠(yuǎn)區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)增加，天線(xiàn)附近的區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)要減小。服務(wù)區(qū)通常以視線(xiàn)距離為限，視線(xiàn)距離與接收和發(fā)射天線(xiàn)的關(guān)系：

設(shè)發(fā)射天線(xiàn)架高為h1、接收天線(xiàn)架高為h2，由于地球曲率的影響，當(dāng)2根天線(xiàn)A、B間的距離r＜rv時(shí)，2根天線(xiàn)互相“看得見(jiàn)”；當(dāng)r＞rv時(shí)，2根天線(xiàn)互相“看不見(jiàn)”，距離rv為收、發(fā)天線(xiàn)高度分別為h2和h1時(shí)的視線(xiàn)極限距離，簡(jiǎn)稱(chēng)視距。a為地球半徑，可推出關(guān)系式:

將地球半徑a=6.371×106m代入上式，即有

式中，單位為m。

視距傳播時(shí)，電波是地球表面?zhèn)鞑ナ艿礁鞣N因素的影響，電波產(chǎn)生折射與衰減，并不能達(dá)到公式的理想狀態(tài)。當(dāng)考慮大氣等現(xiàn)實(shí)因素的影響，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)算，視距公式應(yīng)修正為：

2.調(diào)頻與電視廣播常用天線(xiàn)

2.1 數(shù)字電視發(fā)射天線(xiàn)

現(xiàn)階段我國(guó)模擬電視基本全部關(guān)停，電視發(fā)射以數(shù)字地面電視為主，電視發(fā)射天線(xiàn)以數(shù)字電視發(fā)射天線(xiàn)進(jìn)行介紹。其中數(shù)字電視發(fā)射天線(xiàn)常用的主要有UHF四偶極子天線(xiàn)、UHF一體型垂直極化發(fā)射天線(xiàn)和UHF縫隙天線(xiàn)。

2.1.1 UHF四偶極子天線(xiàn)

天線(xiàn)采用蝶幅式金屬振子將4個(gè)振子整合在一個(gè)反射板上，并采用大功率同軸饋電方式供電，以滿(mǎn)足數(shù)字地面電視發(fā)射峰值功率大的特點(diǎn)。饋電內(nèi)導(dǎo)體及振子采用先進(jìn)的技術(shù)工藝，反射板采不銹鋼材料，饋電保護(hù)外罩采用玻璃纖維樹(shù)脂，天線(xiàn)具有一致性強(qiáng)度、饋電損耗小、密封性能好、頻帶寬等特點(diǎn)。饋電系統(tǒng)天線(xiàn)單板增益要大于12dBd，駐波比小于1.10。此天線(xiàn)既可用于UHF頻段，也可用于數(shù)字電視廣播，如圖1所示。

圖1 四偶極子天線(xiàn)

2.1.2 UHF縫隙天線(xiàn)

縫隙天線(xiàn)是由諧振腔體和防護(hù)外罩組成，矩形諧振腔的寬邊開(kāi)有若干個(gè)縫隙，縫隙的多少?zèng)Q定天線(xiàn)的增益。在軸線(xiàn)方向上2層縫隙之間的距離約一個(gè)波長(zhǎng)，每個(gè)縫隙的長(zhǎng)度也將近一個(gè)波長(zhǎng)，理論計(jì)算時(shí)按照一個(gè)波長(zhǎng)計(jì)算。每個(gè)縫隙的饋電是靠電感或電容耦合的，通過(guò)調(diào)整每個(gè)縫隙的諧振幅度的均衡從而獲得天線(xiàn)的最大增益?？p隙天線(xiàn)的饋電系統(tǒng)容于天線(xiàn)腔體的內(nèi)部，因此天線(xiàn)的饋電接頭少，饋電緊湊，小型化，饋電損耗低，加上饋電系統(tǒng)全部密封在天線(xiàn)罩內(nèi)，因此，天線(xiàn)具有緊湊，密封性強(qiáng)，穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 縫隙天線(xiàn)

2.1.3 UHF一體型垂直極化發(fā)射天線(xiàn)

一體型垂直極化發(fā)射天線(xiàn)是為適應(yīng)現(xiàn)階段數(shù)字電視發(fā)射的特點(diǎn)，將振子等發(fā)射元件整合在絕緣玻璃鋼防水罩里的垂直極化的發(fā)射天線(xiàn)，它具有安裝簡(jiǎn)單，占用空間小等特點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 一體化垂直極化天線(xiàn)

2.2 調(diào)頻廣播發(fā)射天線(xiàn)

2.2.1 雙偶極子調(diào)頻廣播發(fā)射天線(xiàn)

雙偶極子天線(xiàn)由2對(duì)陣子組成，每對(duì)陣子約為波長(zhǎng)的一半，即天線(xiàn)長(zhǎng)度為半波波長(zhǎng)?？梢苑Q(chēng)為半波陣子天線(xiàn)。雙偶極子天線(xiàn)的振子可水平極化，也可垂直極化。它的方向以饋電點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)，半波振子的中心為饋電點(diǎn)，阻抗為純電阻，約50Ω，如圖4所示[4]。

圖4 雙偶極子調(diào)頻發(fā)射天線(xiàn)

雙偶極子天線(xiàn)有2個(gè)特點(diǎn)：一是天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，無(wú)任何多余元件，有較高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)化天線(xiàn)，無(wú)需調(diào)試，安裝簡(jiǎn)單。二是寬頻帶，駐波比小，天線(xiàn)的駐波比S≤1.10的范圍覆蓋了調(diào)頻87.5MHz～108MHz所有帶寬內(nèi)，常用于多工器的多天線(xiàn)天饋線(xiàn)系統(tǒng)。天線(xiàn)組成天線(xiàn)陣時(shí)，通過(guò)相位補(bǔ)償饋電，天線(xiàn)的駐波比還能做得更低，在實(shí)際運(yùn)用中，4層4面和4層6面比較常用，其中，4層4面寬帶二偶極子反射板天線(xiàn)系統(tǒng)在87.5MHz～108MHz頻率范圍內(nèi)，反射損耗L≤-30dB（即駐波比S≤1.06），因此成為調(diào)頻廣播發(fā)射系統(tǒng)最常用的天線(xiàn)形式。

2.2.2 單偶極子調(diào)頻廣播發(fā)射天線(xiàn)

單偶極子發(fā)射天線(xiàn)顧名思義就是單個(gè)陣子組成。單偶極子天線(xiàn)的振子大部分為垂直位置，由于鐵塔的反射，方向性較雙偶極子天線(xiàn)更為明確，一般用于特定方向上的發(fā)射，4面的單偶極子發(fā)射天線(xiàn)也可以作為全方向發(fā)射，是雙偶極子天線(xiàn)的補(bǔ)充，如圖5所示。

圖5 雙偶極子調(diào)頻發(fā)射天線(xiàn)

3.天線(xiàn)常見(jiàn)的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用為為廣播電視安全優(yōu)質(zhì)播出提供了重要保障，天線(xiàn)質(zhì)量、安裝以及運(yùn)行維護(hù)的好壞，直接影響廣播電視節(jié)目傳輸?shù)膹?qiáng)度和質(zhì)量。所以，在日常工作中，廣播電視發(fā)射天線(xiàn)運(yùn)行和維護(hù)顯得尤為重要。但是由于發(fā)射塔的高空作業(yè)影響，天饋線(xiàn)的維護(hù)存在一定的困難，而在實(shí)際的廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)維護(hù)的過(guò)程中存在著一些普遍存在的問(wèn)題和故障，檢測(cè)廣播電視發(fā)射天線(xiàn)維護(hù)的好壞，判斷廣播電視發(fā)射天線(xiàn)的是否有正常，都有一定的經(jīng)驗(yàn)和積累。天饋線(xiàn)的好壞可以通過(guò)天線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的判斷。下面我們就根據(jù)平常天線(xiàn)發(fā)射維護(hù)工作中常見(jiàn)的故障進(jìn)行詳細(xì)闡述和講解，對(duì)廣播電視天饋線(xiàn)維護(hù)和故障判斷提供一些幫助。

3.1 進(jìn)水故障

由于天饋線(xiàn)在室外，其最常見(jiàn)的故障就是進(jìn)水。表現(xiàn)為雨雪天氣后發(fā)射機(jī)工作不穩(wěn)定，輸出功率下降，有時(shí)會(huì)因?yàn)榉瓷浯蠖鵁龤肇?fù)載。其中主功分器、分饋線(xiàn)、主饋管、發(fā)射天線(xiàn)等各接頭都很容易進(jìn)水。而進(jìn)水的主要原因是接頭、饋電點(diǎn)密封膠老化、密封不嚴(yán)或有地方龜裂。

應(yīng)對(duì)進(jìn)水故障措施：用充氣機(jī)經(jīng)常對(duì)主饋充氣，觀察氣壓情況。如果天線(xiàn)安裝位置合適的情況下，在功分器分饋線(xiàn)連接處罩上鐵皮桶或膠皮筒，防止雨水直接澆灌接頭。除此，堅(jiān)持每年上塔排查維護(hù)，及時(shí)對(duì)密封點(diǎn)補(bǔ)膠密封。

3.2 短路、開(kāi)路故障

由于進(jìn)水原因，天饋線(xiàn)短路也是常見(jiàn)的故障，而短路后發(fā)熱燒壞也可能造成天饋線(xiàn)開(kāi)路，當(dāng)然也存在其他情況。如分饋線(xiàn)老化、饋線(xiàn)彎曲度過(guò)大、接頭進(jìn)異物等都有可能引起天饋的短路和開(kāi)路現(xiàn)象。表現(xiàn)的現(xiàn)象一般是覆蓋不良。如果在天線(xiàn)系統(tǒng)反射正常的情況下，發(fā)現(xiàn)有某個(gè)或某幾個(gè)方向的覆蓋差了很多，原因可能就在分饋電纜有短路的情況。應(yīng)對(duì)短路、開(kāi)路故障的方法是分支電纜不能隨意捆扎，保證其彎曲半徑。

3.3 打火故障

打火故障也是天饋線(xiàn)存在的故障，主要表現(xiàn)在電視畫(huà)面上，模擬信號(hào)表現(xiàn)為滿(mǎn)屏閃爍橫細(xì)明簾子，數(shù)字信號(hào)主要反映為畫(huà)面經(jīng)常出現(xiàn)馬賽克。2015年煙臺(tái)電視發(fā)射臺(tái)曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)較大的打火故障，造成分饋器爆裂。打火故障一般有2種原因引起，一是分饋線(xiàn)、天線(xiàn)老化造成絕緣程度降低，導(dǎo)致?lián)舸┐蚧?；二是接頭處接觸不良造成打火。擊穿打火可用搖表?yè)u出，接觸不良則不能。在實(shí)際工作中以接觸不良引起的打火故障較多。

應(yīng)對(duì)打火故障的方法同樣是確保接頭的接觸良好，分支電纜按照要求綁扎。但此故障一般不常見(jiàn)，需要注意區(qū)分天線(xiàn)、多工器或發(fā)射機(jī)的故障而引發(fā)的。

總之，天饋線(xiàn)故障直接影響廣播電視的安全播出，加強(qiáng)對(duì)天饋系統(tǒng)的管理和維護(hù)是減少天饋線(xiàn)故障的有效手段。除此之外，增加巡機(jī)時(shí)間，在巡機(jī)過(guò)程觀察發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，駐波比有無(wú)異常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的天饋線(xiàn)問(wèn)題，將故障消除在萌芽里。

4.結(jié)語(yǔ)

天饋系統(tǒng)技術(shù)在廣播電視發(fā)射中起到最后的關(guān)鍵性作用，是無(wú)線(xiàn)發(fā)射最后的出口，若這個(gè)出口處理不好，前期所有的努力都將付之東流。這就要求我們重視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)、在日常維護(hù)保養(yǎng)上下功夫。本文針對(duì)目前煙臺(tái)廣播電視臺(tái)電視發(fā)射臺(tái)天饋線(xiàn)的日常運(yùn)用維護(hù)中出現(xiàn)的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)分析，提出了應(yīng)對(duì)方法和措施，旨在為天饋線(xiàn)提供更好的運(yùn)行和維護(hù)，降低天線(xiàn)的故障率，降低本臺(tái)的事故率和停播率，完成“安全、優(yōu)質(zhì)、不間斷”的播出任務(wù)。