廣播電視無線發(fā)射臺站調(diào)頻天線改造設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王實(shí)現(xiàn)

（寧波廣播電視集團(tuán)，浙江 寧波 315036）

0 引 言

茅洋山發(fā)射臺（以下簡稱臺站）位于寧波市東北方向茅洋山頂，海拔300 m左右，是寧波廣電集團(tuán)下屬的骨干發(fā)射臺之一，承擔(dān)著寧波調(diào)頻廣播音樂頻道98.6 MHz、地面數(shù)字電視等發(fā)射任務(wù)。該調(diào)頻發(fā)射臺的天線于2013年建設(shè)完成，現(xiàn)從安全播出與覆蓋優(yōu)化角度出發(fā)，需對發(fā)射天線進(jìn)行改造。基于此，本文詳細(xì)介紹調(diào)頻天線改造的設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

1 天線更新改造的必要性

1.1 發(fā)射天線存在安全隱患

臺站技術(shù)人員對天線進(jìn)行專項(xiàng)例行檢查時，發(fā)現(xiàn)原天線存在多處導(dǎo)體中心玻璃鋼防水罩開裂、天線接口防水膠帶老化、四面天線均不在同一水平面上且偏置尺寸相差較大、天線發(fā)射板強(qiáng)度差晃動大等問題?；谠摪l(fā)射天線材料質(zhì)量、施工安裝工藝上存在較明顯的問題，臺風(fēng)時極可能引起停播故障，安全播出隱患嚴(yán)重，已經(jīng)到了必須更新的程度。

1.2 覆蓋場形有優(yōu)化空間

經(jīng)測試原有天線場強(qiáng)覆蓋情況，寧波主城區(qū)總體已達(dá)到調(diào)頻覆蓋場強(qiáng)值要求，但存在覆蓋場強(qiáng)部分能量偏向于舟山方向海面區(qū)域，一定程度上造成寧波市區(qū)場強(qiáng)電平弱化，鎮(zhèn)海北侖方向能量分布相對分散；造成城區(qū)南部場強(qiáng)偏小，部分車載收音機(jī)無法自動鎖臺等問題；且天線場形分布不規(guī)則，場形波瓣存在較明顯波谷。因此，需通過更新調(diào)頻天線并對場形優(yōu)化調(diào)整，提高人口密集區(qū)的覆蓋效果。

基于以上原因，需對發(fā)射天線進(jìn)行更新改造，以提升覆蓋的范圍和質(zhì)量。

2 天線改造的目標(biāo)和需求

對于本次天線更新改造，主要的目標(biāo)需求如下：

（1）在保證原有寧波主城區(qū)為主要覆蓋區(qū)外，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)慈溪、余姚兩市地區(qū)場強(qiáng)，并涵蓋奉化區(qū)大部、鎮(zhèn)海、北侖區(qū)全部，象山港大橋大部；

（2）調(diào)整原天線覆蓋布局，減少舟山北侖方向場強(qiáng)，新天線布局向主城區(qū)傾斜兼顧慈溪余姚覆蓋，沿用原天線垂直極化方式，優(yōu)先考慮車載接收；

（3）重新設(shè)計(jì)天線偏置方向，使水平場形波瓣峰谷比降低，減少原天線場形波瓣凹陷的問題；

（4）因原有寧波主城區(qū)方向8層天線垂直覆蓋波瓣角狹小，針對性地對此進(jìn)行電氣下傾與零點(diǎn)填充，使寧波主場區(qū)場強(qiáng)得到改善；

（5）因需要考慮慈溪余姚的覆蓋，寧波北部海面依舊存在部分能量的情況不能避免，但應(yīng)盡量減小在北部海面的能量損耗。

3 天線方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)天線更新改造的需求，西側(cè)寧波主城區(qū)要求覆蓋理想，距離約15～20 km；西北側(cè)慈溪至杭州灣希望能兼顧覆蓋到，最遠(yuǎn)距離約80 km；西南側(cè)覆蓋至奉化區(qū)，距離約45 km；東側(cè)需要覆蓋約20 km；北側(cè)海面無覆蓋需求。由于發(fā)射鐵塔方向?yàn)槠D(zhuǎn)19°，因此天線面板在布局時可以不用通過安裝構(gòu)件加以偏向，可以通過天線層數(shù)的定向布局，增加所需要加強(qiáng)天饋系統(tǒng)方向性增益朝向的天線層數(shù)（即增大天線口徑）[1]，即可實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)域的需求變化。

3.1 天線方案的選擇

為了解決上述覆蓋區(qū)域需求，技術(shù)人員調(diào)研多家天線生產(chǎn)廠家，并對多個天線方案進(jìn)行評估對比。根據(jù)需求，論證的天線布局方案有8864（即對應(yīng)西南、西北、東北、東南方向分別有8層、8層、6層、4層天線，下同），8646，8628，8862，6622及8844。最后選定6622，8844兩種布局進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

如果2個8層方向的下傾角度不同，會使得兩面夾角的場型合成有問題，可能使得寧波主城區(qū)的覆蓋不理想。8層的方向性增益大，但是垂直面波瓣較窄，方向性更強(qiáng)，如果下傾角度設(shè)計(jì)得大，那么必然會對慈溪至杭州灣遠(yuǎn)區(qū)覆蓋不好；如果下傾角度調(diào)小，那么近場的輻射能量可能就較少。因此，最先考慮6622布局，6層天線的垂直面場形胖一些，增益也下降不多，更能同時“照顧”近遠(yuǎn)區(qū)。設(shè)計(jì)的6622天線場形如圖1所示。

圖1 FM98.6 MHz 6622天線方向圖

根據(jù)改造目標(biāo)需求，盡量減小在發(fā)射塔北側(cè)的海面的覆蓋，因此做了北側(cè)6層天線的偏轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算，場型如圖2所示。

圖2 FM98.6 MHz 6622天線方向圖單面旋轉(zhuǎn)15度場型

對比偏轉(zhuǎn)水平場型圖和6622正常布局水平場型圖，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)覆蓋情況變差，因此不再考慮機(jī)械偏轉(zhuǎn)單面的形式。之后，計(jì)算8844布局場型如圖3所示。

圖3 FM98.6 MHz 8844天線方向圖

覆蓋預(yù)測計(jì)算基于ITU-R P.1546建議書，選用50%時間、50%地點(diǎn)位置曲線。

簡單使用天線相對高度h1=150的曲線，固定1 kW有效輻射功率，進(jìn)行計(jì)算。

2662方案的場強(qiáng)估算如下：

（1）2層方向20 km最大場強(qiáng)估算，約62 dB+1.5 dB-1 dB（饋線損耗）=62.5 dB；

（2）6層方向40 km最大場強(qiáng)估算，約48 dB+10.7 dB-1 dB（饋線損耗）=57.7 dB；

（3）6層方向80 km最大場強(qiáng)估算，約30 dB+10.7 dB-1 dB（饋線損耗）=39.7 dB。

8844方案的場強(qiáng)估算如下：

（1）4層方向20 km最大場強(qiáng)估算，約62 dB+5.7 dB-1 dB（饋線損耗）=66.7 dB；

（2）8層方向40 km最大場強(qiáng)估算，約48 dB+11.7 dB-1 dB（饋線損耗）=58.7 dB；

（3）8層方向80 km最大場強(qiáng)估算，約30 dB+11.7 dB-1 dB（饋線損耗）=40.7 dB。

根據(jù)以上結(jié)果，對比8844布局方案和6622布局方案，可知：

為拓展公益訴訟案件線索來源，滕州市檢察院從小處切口，在點(diǎn)上發(fā)力，在全省率先出臺了公益訴訟案件線索舉報(bào)獎勵辦法，對獎勵條件、獎勵金額、獎金發(fā)放程序以及對線索舉報(bào)獎勵工作的監(jiān)督等內(nèi)容作出明確規(guī)定?！掇k法》規(guī)定，社會公眾可以通過來信來訪、撥打電話、電子郵箱、滕州檢察公益訴訟“掌上拍”小程序等多種方式舉報(bào)公益訴訟案件線索，經(jīng)查證屬實(shí)并履行完訴前程序后，即可獲得300元至1000元的現(xiàn)金獎勵；線索特別重大的，經(jīng)檢察長批準(zhǔn)，可獲得1000元至5000元的獎勵。目前，另有4起舉報(bào)線索的獎勵工作正在審批中。

（1）水平面場形，2個方案形態(tài)相同，只是6622方案的2層方向的場形于歸一場形中相比8844方案的4層方向場形要??；

（2）垂直面場形中，6622方案的2層天線無法做零點(diǎn)填充，覆蓋存在零點(diǎn)位置；

（3）增益計(jì)算方面，8844方案中4層增益為5.7 dB，8層為11.7 dB；2662方案中2層增益為1.5 dB，6層為10.7 dB。從增益計(jì)算看，6622方案增益小于8844方案，尤其在東側(cè)區(qū)域。

通過賦形預(yù)測軟件對天線8844方案進(jìn)行仿真計(jì)算和技術(shù)分析，可以判斷8844方案是可以滿足覆蓋需求的，并且計(jì)算得出分支電纜不同相位可以精準(zhǔn)控制輻射主向下傾角度，盡最大可能“照顧”到近遠(yuǎn)場區(qū)。

經(jīng)研究，對比多種天線布局、安裝方案與覆蓋預(yù)測，最終根據(jù)覆蓋地形和人口范圍、塔體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、實(shí)施難易度、雙頻共塔要求等多方面綜合評估，形成改造方案，最終考慮選擇新天線陣列形式為4884，即東南側(cè)4層，西南側(cè)8層、西北側(cè)8層、東北側(cè)4層。新天線布局如圖4所示，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 新天線布局平面圖

圖5 新天線方案結(jié)構(gòu)圖

采用垂直極化調(diào)頻雙偶極子板天線替代原有天線。陣列賦形后，主瓣最大方向性約為11 dBd。

3.2 主向下傾與零點(diǎn)填充

當(dāng)發(fā)射天線的主向與水平線為同一方向時，由于垂直面方向圖的對稱性，使得一半有效輻射功率因朝著水平線以上方向發(fā)射而得不到利用[2]。為此，在天線的賦形設(shè)計(jì)中，為使盡可能多的有效輻射功率分布于服務(wù)區(qū)，同時又不過多地降低發(fā)射天線的增益，可將發(fā)射天線的主向向下傾斜一個適當(dāng)角度。主向下傾對有效輻射功率的利用率與天線增益大小有關(guān)[3]。主向下傾分為電氣下傾和機(jī)械下傾兩種方法。

根據(jù)天線專業(yè)技術(shù)專家的理論計(jì)算和天饋線工程經(jīng)驗(yàn)，改變分支電纜長度（即相位），通過精準(zhǔn)計(jì)算，可以使得電氣下傾和零點(diǎn)填充同時進(jìn)行[4]。使用此方法的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）機(jī)械下傾是通過安裝件實(shí)現(xiàn)，而在實(shí)際安裝過程中，無法精準(zhǔn)地對每片天線設(shè)定相同的下傾角度，如果正面天線同時下傾，上層天線安裝邊寬大于下層天線的邊寬，會導(dǎo)致水平場型不統(tǒng)一。而使用電氣下傾，計(jì)算準(zhǔn)確，并能減少構(gòu)件的使用，降低隱患。

（2）改變電流相位而進(jìn)行的零點(diǎn)填充不改變電流幅度，能夠使得天線輸入功率達(dá)到最大。

參照ITU-R P.1546建議書中相關(guān)內(nèi)容，水平線與最大視距線之間的夾角為，其中θH表示水平線與最大視距線之間的夾角，Ht表示發(fā)射天線中心相對于距發(fā)射天線3～15 km內(nèi)平均地面高度的高度差。

波束下傾角θ一般為θH的1.5～2.0倍。本工程天線安裝于相對標(biāo)高315 m處，經(jīng)過計(jì)算，水平線與最大視距線之間的夾角為0.57°，電波直射距離最大為54 km。

對于西南方向，服務(wù)區(qū)要求是21～31 km，為了使8層天線設(shè)計(jì)的覆蓋區(qū)域位于直射波距離以內(nèi)的區(qū)域，取θ= 1.5θH= 0.768 9 ≈ 0.8，主波束對應(yīng)的距離是24.6 km，正好在主瓣有效覆蓋范圍21～31 km之內(nèi)。

對于西北方向，服務(wù)區(qū)要求是15 km，為了使4層天線的服務(wù)范圍是15 km，4層天線下傾角取θ=1.2°，主波束對應(yīng)的距離是15.345 km。

本項(xiàng)目根據(jù)服務(wù)區(qū)的遠(yuǎn)近需要同時兼顧，為更好地服務(wù)重要覆蓋區(qū)域，對主向天線進(jìn)行計(jì)算，下傾角為0.8°～1°，并保證第一零點(diǎn)填充大于10%。

4 天線改造的實(shí)施與效果

4.1 天線改造的實(shí)施

本次改造項(xiàng)目主要內(nèi)容包括舊天線拆除與新天線安裝、天饋線系統(tǒng)加裝充氣設(shè)備等。項(xiàng)目施工期間，技術(shù)人員全程細(xì)致監(jiān)管，嚴(yán)抓施工質(zhì)量，完成了原調(diào)頻天線24片雙偶極板振子及配件拆除和新調(diào)頻天線24片雙偶極板振子及配件安裝。在整個安裝過程中，技術(shù)人員吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，整套天線經(jīng)過防水、防銹處理，整個天饋系統(tǒng)所有接口全部用密封膠封閉。為防止饋管接頭進(jìn)水，接頭處除使用703膠密封外，待膠水基本干時再纏繞膠布，然后再用703膠補(bǔ)縫，最后外用熱縮套管熱縮。

4.2 新天線駐波比測試

駐波比是發(fā)射天線重要的性能指標(biāo)，反映了天饋線的匹配情況。駐波比高的天饋系統(tǒng)，信號在饋線中損失很大[5]。改造后的天線駐波比應(yīng)盡量接近1.0，越小越好。經(jīng)測試，改造后新天線駐波比為1.01，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 天線駐波比測試

4.3 新天線覆蓋場強(qiáng)測試

設(shè)備安裝完成后，技術(shù)人員對新天線的場強(qiáng)覆蓋情況進(jìn)行了全面的系統(tǒng)的評估，通過德力DS2500T調(diào)頻路測儀（覆蓋路測）獲得客觀的路測數(shù)據(jù)，用車載收音機(jī)、德生PL600收音機(jī)進(jìn)行主觀收聽評測，對FM98.6 MHz在多地的覆蓋效果進(jìn)行了路測和定點(diǎn)測試。為了將路測儀器測得數(shù)據(jù)和通過收音機(jī)主觀收聽評測結(jié)果進(jìn)行清晰的比對，技術(shù)人員將場強(qiáng)信號進(jìn)行了信號劃分，結(jié)果如表1所示。

表1 場強(qiáng)信號劃分

圖7所示的路測數(shù)據(jù)為天線更換之后的全路測區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。路測數(shù)據(jù)表明，接收信號穩(wěn)定、基本無底噪?yún)^(qū)域占比超過70%。經(jīng)實(shí)際路測，調(diào)頻信號在寧波主城區(qū)、北侖和鎮(zhèn)海區(qū)實(shí)現(xiàn)良好覆蓋，奉化區(qū)主要區(qū)域基本覆蓋，余姚和慈溪區(qū)域除山脈遮擋外可接收度得到有效提高。

圖7 FM電平路測場強(qiáng)柱狀圖

5 結(jié) 語

在本次改造項(xiàng)目中，新天線的技術(shù)指標(biāo)、設(shè)備安裝效果與防水密封性能及信號場強(qiáng)覆蓋效果均滿足要求，自更新改造安裝完成啟用以來，已正常運(yùn)行兩年，期間經(jīng)歷了冬天冰凍、長時間的雨天和多次打雷考驗(yàn)，觀察至今天線安裝硬件未出現(xiàn)不良情況。系統(tǒng)駐波比穩(wěn)定未有異常波動，信號接收和場強(qiáng)覆蓋達(dá)到改造預(yù)期結(jié)果。