曲線式中波小天線與接地式自立中波天線的工作原理特點及天調(diào)阻抗匹配與多頻共塔

韓祿嘉

【摘要】隨著我國經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，土地日益稀少，原先處于郊外的中波臺站也逐漸被許多建筑和廠礦包圍，中波天線場區(qū)逐步遭到蠶食，發(fā)射環(huán)境進(jìn)一步惡化，地網(wǎng)破壞嚴(yán)重，中波覆蓋越來越差。如何在現(xiàn)有的條件下，減少傳統(tǒng)中波天線的占地面積，提高發(fā)射效果，實現(xiàn)一塔多頻更好的為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。由于調(diào)幅廣播（AM）和調(diào)頻廣播（FM）在無線電頻率中所處的頻段不同，其發(fā)射方式存在較大的差異，形成兩套截然不同的發(fā)射系統(tǒng)，不能做到資源共享。隨著廣播技術(shù)水平的日益提高，通過計算機(jī)仿真技術(shù)，利用曲線式中波小天線和接地式自立塔中波天線進(jìn)行改造，從而為中波調(diào)頻兼容播出提供了可靠地技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】曲線式中波小天線;接地式自立塔中波天線;三頻共塔

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.08.01

1. 曲線式小天線

1.1 曲線式小天線采取的技術(shù)和理論

a、饋電采取單極的非平衡饋電，解決了中波小天線實現(xiàn)雙頻共塔的難題;網(wǎng)絡(luò)采用阻塞、陷波、并諧匹配等復(fù)合技術(shù)。

b、利用非傳統(tǒng)的天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)，使天線的帶寬得以展寬，帶外衰減大大提高，有效防止了本臺或臨近其它頻率之間的相互串?dāng)_，也可省去傳統(tǒng)的陷波網(wǎng)絡(luò);同時使天線端與發(fā)射機(jī)之間形成物理隔離，并形成多次防雷接地，大大提高了發(fā)射機(jī)的防雷效果。

c、該型天線是在傳統(tǒng)拉線式中波天線的基礎(chǔ)上，根據(jù)縮短型中波小天線的理論研制而成。

1.2 曲線式中波小天線的特點

中波小天線采用了實用的自立式鋼塔結(jié)構(gòu)，可依據(jù)我國各地的地理及氣候條件因地制宜設(shè)計中波塔的抗風(fēng)抗震強(qiáng)度。塔身為自立式鋼塔結(jié)構(gòu)，無拉線，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造型美觀;具有以下特點：

a、根據(jù)頻率選定塔身高度，天線的高度范圍在1/8λ-1/12λ之間，無需鋪設(shè)傳統(tǒng)天線式的大型地網(wǎng)，占用土地面積?。?0-100平方米）。

b、天線頂端振子形狀可根據(jù)用戶需要選用直錐形、曲線錐形和高斯曲線錐形等三種形式，可使天線同周圍建筑物相互協(xié)調(diào)，個性而美觀。此外，增加了天線技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性和設(shè)備性能的穩(wěn)定性，溫度適應(yīng)范圍在-40℃+50℃。

1.3 曲線式中波小天線工作原理

縮短型曲線式中波小天線是在傳統(tǒng)λ/4拉線塔的基礎(chǔ)上演變而來，通過增加振子直徑和曲線加頂使得天線高度縮短，加頂?shù)姆绞教岣吡颂炀€電流波幅點的位置高度從而有效降低天線高度，提高了增益。天線上部頂振子做成指數(shù)曲線或高斯曲線錐體，其等效電路仍是一種串聯(lián)諧振電路（如圖1），天線結(jié)構(gòu)如圖2所示：

天線由曲線錐形振子A和電感塔身L以及接地板B和饋電箱K組成。曲線錐體振子由金屬導(dǎo)體制成，直徑為10米。L設(shè)計為鋼塔結(jié)構(gòu)，接地板B采用10×10米金屬板或網(wǎng)焊接而成。錐形振子由鋼塔及玻璃鋼支撐，并通過特制饋電箱單極饋電。

該天線為非平衡饋電，電流經(jīng)由天線振子與其鏡象形成對稱曲線振子分布，在空間輻射能量。由于接地網(wǎng)集中做成較小的接地板，從而使天線占地面積縮小到約50-100米2，從而實現(xiàn)天線的小型化。

天線為垂直極化天線，主要輻射地波。

1.4 曲線式中波小天線輻射場形

天線是由振子與其鏡像在空間形成輻射，可以通過計算機(jī)軟件建立天線模型來分析天線的阻抗和輻射場形。以48米天線模型結(jié)構(gòu)為例，計算的天線輻射場形的三維圖形如圖3：

在較良好地面情況下，典型的水平輻射場形和垂直輻射場形的方向性圖如圖4：

實際計算結(jié)果表明：天線的輻射場形圖與傳統(tǒng)拉線塔天線基本一致，天線增益相當(dāng)。

通過計算，當(dāng)?shù)孛鎸?dǎo)電率較低、地電阻較高時，天線的垂直場形主波束同樣將上翹。較差土壤電阻率地區(qū)上翹傾角甚至可達(dá)二十余度，海水地面及鹽堿濕地約有6?以上。此時天線地面增益將有所降低（如下圖所示），因此采取措施控制垂直場形上翹，能有效提高天線輻射效果。

1.5 48米曲線式中波小天線參數(shù)

規(guī)格：48米

型號：LFT ZB-S/48

工作頻率：603kHz

功率容量：10kw

駐波比：VSWR≤1.20（載頻駐波比：VSWR≤1.05）

傳輸帶寬：>9KHz

輸入阻抗：50Ω

天線增益：>3dBi（與傳統(tǒng)76米拉線天線相當(dāng)）

方向性：全向

極化方式，垂直極化

抗風(fēng)強(qiáng)度：12級

抗震烈度：8度

接口：IF70

主饋線：10kw節(jié)目采用地埋 HHTAY-50-42電纜

2. 接地式自立塔中波天線

2.1 接地式自立塔中波天線的特點

該天線設(shè)計為中波與調(diào)頻廣播及電視共用發(fā)射塔，即在中波發(fā)射天線塔上還可以安裝其他調(diào)頻廣播及數(shù)字電視天線系統(tǒng)。天線通過計算機(jī)建模計算。

天線主體采用自立塔結(jié)構(gòu)，塔體主材直接接地而無絕緣座子，因而結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，比起其他天線增強(qiáng)了天線的抗風(fēng)、裹冰能力。由于采取了天線直接接地，從而使得調(diào)頻、電視天線安裝在中波塔體上共同使用成為可能，也增加了天線的利用效能。

天線使用頻段為531-1602kHz，功率1-200kw，其輻射效果和同等高度傳統(tǒng)拉線式中波天線相近。F1FE5913-3AD1-4A50-9F86-65BD14EBA964

天線為四邊形自立接地式中波鐵塔結(jié)構(gòu)（單線圖附后）。頂部有3米避雷針，避雷針下面為桅桿，可安裝垂直極化分米波數(shù)字電視天線，桅桿下邊是2.5米邊寬的正方形方塔，直線段可安裝二偶極子反射板調(diào)頻天線（塔身安裝調(diào)頻天線在重慶已有應(yīng)用）。在直線段下方建有一小平臺，平臺下面是四邊形梯形鐵塔，鐵塔與地基礎(chǔ)直接連接，防雷效果較好，可抗12級風(fēng)力（也可根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件設(shè)計鐵塔結(jié)構(gòu)以達(dá)到更高抗風(fēng)能力要求）。

中間平臺是中波的饋電點，均布4-12根饋電線，匹配網(wǎng)絡(luò)輸出的功率信號經(jīng)饋電線接到平臺上實現(xiàn)饋電。

中波發(fā)射塔地網(wǎng)半徑50-80米，應(yīng)保證與高頻地良好連接。

接地自立式中波天線的優(yōu)點如下：

a、中波天線發(fā)射塔可同時實現(xiàn)中波、調(diào)頻、電視同塔發(fā)射，而且中波頻段內(nèi)可實現(xiàn)雙頻或三頻共塔發(fā)射，這樣充分利用高塔的有效資源。b、中波塔可建在山崗上。由于山崗上地勢較高，有助中波的輻射，同時更有利于調(diào)頻和電視的覆蓋。

天線采用了實用的自立式鋼塔結(jié)構(gòu)，可依據(jù)我國各地的地理及氣候條件因地制宜設(shè)計中波塔的抗風(fēng)抗震強(qiáng)度。塔身為自立式鋼塔結(jié)構(gòu)，無拉線，維護(hù)簡單;

饋電采取非平衡饋電，網(wǎng)絡(luò)采用阻塞、陷波、并諧匹配等復(fù)合技術(shù)，保證了天線技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性和設(shè)備性能的穩(wěn)定性，溫度適應(yīng)范圍在-40℃+80℃。利用非傳統(tǒng)天線的電磁耦合雙并聯(lián)諧振回路調(diào)配網(wǎng)絡(luò)，使天線的帶寬得以展寬，帶外衰減大大提高，有效防止了本臺或鄰近其它臺的頻率之間的相互串?dāng)_。這種新技術(shù)使天線端與發(fā)射機(jī)之間形成物理隔離，可大大提高了發(fā)射機(jī)的防雷效果

2.2 接地式自立中波天線工作原理

接地自立式中波天線饋電改變了以往底部絕緣的串聯(lián)饋電方式，采用了并聯(lián)饋電，天線塔體直接與地連接，可增強(qiáng)發(fā)射設(shè)備防雷效果，提高天線抗震抗風(fēng)荷載能力，并能夠在本天線上安裝調(diào)頻、數(shù)字電視等其它頻段的天線系統(tǒng)，增加天線的利用價值。天線由塔體、接地網(wǎng)和并聯(lián)饋電線組成，其3D模擬輻射效果及饋電原理如圖5.

上面圖1中并聯(lián)饋電點取合適的高度時，L2與C1諧振對f0呈現(xiàn)較高阻抗，此時天線有最大輻射效率，C0與L0、L1等諧振在工作頻率上，R0為地?fù)p耗。

該天線的輻射塔體與其鏡象形成對稱振子，在空間輻射能量。

天線為垂直極化天線，主要輻射地波。

接地網(wǎng)的好壞和大地介質(zhì)也會影響天線的效率。

2.3接地式自立中波天線輻射場形

天線可以看成是由振子與其鏡像在空間形成輻射，通過HFFS和CST計算機(jī)軟件建立天線模型來分析天線的阻抗和輻射場形。以下是100米鐵塔材質(zhì)天線模型計算出的一個實際條件下的三維場形圖如圖6：

在較良地面情況下的典型天線水平輻射和垂直輻射方向性圖如圖7：

當(dāng)?shù)赝寥离娮杪瘦^低、接地電阻較高時，天線垂直場形的波束同樣將上翹。因此，做好地網(wǎng)能有效提高天線輻射效果。

2.4 100米中波接地式自立天線參數(shù)

規(guī)格：100米

型號：LFT ZB-JDZL/100

工作頻率：657kHz（25kw）+792kHz（50kw）+1332kHz（10kw）

功率容量：100kw

駐波比：VSWR≤1.20（載頻駐波比：VSWR≤1.05）

傳輸帶寬：單頻使用>18KHz、多頻共塔使用>9KHz

輸入阻抗：50Ω

天線增益：>3dBi（與傳統(tǒng)76米拉線塔相當(dāng)）

方向性：全向

極化方式，垂直極化

抗風(fēng)強(qiáng)度：12級

抗震烈度：8度

接口：IF110

主饋線：新增50kw節(jié)目采用地埋SDY-50-80電纜

3. 天線阻抗匹配及多頻共塔

3.1 天線阻抗匹配

天線匹配采用電磁耦合雙并聯(lián)諧振回路網(wǎng)絡(luò)，將具有更好的頻率寬帶特性和更大的帶外抑制，以及更有效的防雷效果。本網(wǎng)絡(luò)防雷可認(rèn)為有5級設(shè)防。L1、L3、L4為微亨級的電感線圈將雷電流直接接地，C1以及耦合線圈M隔直，可有效避免雷電流直接進(jìn)入發(fā)射機(jī)。由于雙諧振網(wǎng)絡(luò)帶外抑制度較好，可有效抑制鄰頻干擾，因此一般情況下在網(wǎng)絡(luò)中無需再加裝抑制鄰頻的吸收陷波網(wǎng)絡(luò)。本方案48米小天線采用電磁耦合雙并聯(lián)諧振回路網(wǎng)絡(luò);100米接地式自立天線采用三頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)，其阻塞網(wǎng)絡(luò)采取復(fù)合并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)可減少插入損耗和避免損失頻率帶寬。

3.2 調(diào)幅（AM）及調(diào)頻（FM）的特點理論

中波廣播頻率位于無線電頻率的較低頻段，其頻率范圍為（5312KHz-1602KHz），其傳播方式為地面?zhèn)鞑?。天線系統(tǒng)由鐵塔和地網(wǎng)組成，鐵塔作為信號的輻射體，依照信號波長的不同而有不同的設(shè)計。調(diào)頻頻率工作在甚高頻（VHF）的中低端，其頻率范圍是（87.5MHz-107.5MHz），主要以空間波傳播，其服務(wù)范圍受架設(shè)高度的影響。為擴(kuò)大服務(wù)范圍，一般調(diào)頻天線要架設(shè)在高大建筑物的頂端或調(diào)頻發(fā)射塔上。

3.3中波與調(diào)頻兼容發(fā)射應(yīng)該解決的問題

做好調(diào)頻信號屏蔽減少相互干擾，信號串?dāng)_的隔離;并聯(lián)饋線回路要求;串聯(lián)饋線需提供交流接地與直流接地。

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