中波轉(zhuǎn)播臺天線系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計與實施

吳 杰，李天琦

（1.遼寧朝陽三二八轉(zhuǎn)播臺，遼寧 朝陽 122000；2.上海大學(xué)，上海 200444）

0 引言

傳播媒介離不開廣播電視，中波轉(zhuǎn)播臺是無線廣播網(wǎng)中波信號的重要傳輸平臺之一。中波轉(zhuǎn)播臺傳輸設(shè)備主要包括發(fā)射機、阻抗變換器及天饋線系統(tǒng)，天線系統(tǒng)的質(zhì)量會直接影響播出信號的質(zhì)量及其傳輸節(jié)目的覆蓋面[1]。工作環(huán)境處于室外的發(fā)射天線，因轉(zhuǎn)播臺場地原因，大多數(shù)不備有備用天線，如果出現(xiàn)故障會造成節(jié)目長時間停播。

為了確保天線系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，需要定期對天饋線系統(tǒng)進行維護以及指標測試[2]。針對發(fā)射機易發(fā)生的天線駐波比故障、天線零位數(shù)值過高、地網(wǎng)對地電阻過大、發(fā)射天線雷雨天氣放電現(xiàn)象等問題，對天線系統(tǒng)進行相應(yīng)的改造與優(yōu)化設(shè)計是行之有效的解決方法。本文闡述了天線性能優(yōu)化設(shè)計方案，并結(jié)合具體案例分析了方案實施的結(jié)果。

1 衛(wèi)星天線性能優(yōu)化設(shè)計與實施

1.1 衛(wèi)星天線接收信號原理

衛(wèi)星天線即衛(wèi)星接收天線，俗稱 “大鍋” ，是一個金屬拋物面，主要由天線、饋源、高頻頭、衛(wèi)星接收機組成，如圖1 所示。衛(wèi)星天線將衛(wèi)星傳來的微弱信號反射到饋源和高頻頭，對信號進行放大、變頻、濾波處理，再經(jīng)過饋線傳遞給衛(wèi)星接收機，以獲取要播出節(jié)目的信號[3]。

圖1 衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)

1.2 衛(wèi)星天線的優(yōu)化設(shè)計與實施

1.2.1 衛(wèi)星天線位置及天線類型選擇

為了更好地接收到衛(wèi)星信號，衛(wèi)星天線要安裝在視野開闊、無高大建筑物遮擋且遠離噪聲源的空曠地最高處。工作中使用的天線口徑理論上來說越大越好，因為天線的直徑越大，所接收的信號強度就越強。但考慮場地、運輸、安裝成本等因素，實操中要求在滿足接收通信衛(wèi)星基本要求的前提下天線直徑規(guī)格應(yīng)盡量小。在具體工作中，各臺站可根據(jù)實際情況選擇合適口徑的衛(wèi)星天線。

一般情況下，通信衛(wèi)星要求地面接收站的G/T 值不小于26 dB·K-1，故對于C 頻段（3.7 ～4.2 GHz）衛(wèi)星接收天線需使用較大口徑的正饋天線，一般選擇直徑為1.8 ～6.0 m 的天線。Ku 波段（11.7 ～12.2 GHz）的頻率較高，衛(wèi)星天線口徑可小于1 m。例如，使用0.35 m 天線就能接收中星9 號的電視節(jié)目。

1.2.2 合理選擇高頻頭

高頻頭是衛(wèi)星天線的核心部件，將饋源傳輸來的信號進行解調(diào)、放大、變頻、濾除雜波后，經(jīng)電纜線送入衛(wèi)星接收機。衛(wèi)星天線一般選用本振頻率穩(wěn)定度高、本振相位噪聲小、動態(tài)增益大的高頻頭[4]。

隨著第五代移動通信技術(shù)（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，緊鄰5G 基站的轉(zhuǎn)播臺站C 波段衛(wèi)星天線的信號易受到干擾。針對這一問題，可安裝使用抗5G 干擾的高頻頭，或在高頻頭前增加過濾5G 干擾裝置。

1.2.3 選擇合適的饋線長度

連接拋物面天線和室內(nèi)衛(wèi)星接收機的饋線越短越好，饋線過長會衰減信號。例如， “遼寧之聲” 的信號有段時間出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，經(jīng)故障分析排查，原因正是連接天線和衛(wèi)星接收機的饋線過長。將繞行的饋線改為近距離連接，即可正常接收衛(wèi)星信號。選擇合適的饋線長度對接收衛(wèi)星信號十分重要。

1.2.4 定期維護

在日常工作中，應(yīng)通過檢測衛(wèi)星接收機信號的強度，監(jiān)聽伴音的音質(zhì)、響度，定期或不定期微調(diào)天線，使其始終處于最佳的工作狀態(tài)。在雷雨雪天氣，特別是北方的冬季，要及時清理金屬拋物面和饋源上的雨雪，以免雨衰、雪衰造成接收信號衰減或中斷。為防止反射面長期風吹日曬雨淋造成掉漆、腐蝕，應(yīng)定期對金屬拋物面涂漆[5]。

2 發(fā)射天線系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計與實施

2.1 發(fā)射天線及其作用

發(fā)射天線是將導(dǎo)行波模式的射頻電流或電磁波變換成擴散波模式的空間電磁波的轉(zhuǎn)換器，中波轉(zhuǎn)播臺發(fā)射機的輸出功率依靠發(fā)射天線才能有效地輻射出去。發(fā)射天線具有兩個作用：一是把傳輸線上傳的高頻電磁能轉(zhuǎn)化為自由空間的電磁波；二是集中能量，減少其他方向的能量損耗。

對于中波轉(zhuǎn)播臺來說，發(fā)射機輸出的高頻信號能否高效地輻射出去，與天饋線系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。如果天饋線系統(tǒng)的天線質(zhì)量不達標，播出的聲音信號會出現(xiàn)強度弱、失真、噪音大、有串音等等問題。在雷雨雪等極端天氣下，如果天線性能不好，天線駐波比過大將引發(fā)發(fā)射機功率降低，甚至導(dǎo)致關(guān)機故障。因此，發(fā)射天線系統(tǒng)是中波轉(zhuǎn)播臺站安全播出的一個重要環(huán)節(jié)，除日常維護，對長期運行的天饋線系統(tǒng)進行性能優(yōu)化設(shè)計也是轉(zhuǎn)播臺工作的重中之重。

2.2 發(fā)射天線的基本參數(shù)

2.2.1 天線的極化方式

發(fā)射天線是輻射電磁波的器件，天線極化就是指天線輻射電磁波時形成的電場強度方向，其線極化可分為水平極化和垂直極化。當電場矢量平行于地面時為水平極化，此時電波稱為水平極化波；電場矢量垂直于地面時為垂直極化，電波稱為垂直極化波[6]。水平極化波貼近地表面?zhèn)鞑?，由于大地對波有吸收作用，會使電場信號迅速衰減。而垂直極化波不易產(chǎn)生極化電流，信號衰減慢，可以保證信號傳輸質(zhì)量。在無線廣播通信中，一般采用垂直極化的方式。

2.2.2 天線的方向性和天線增益

發(fā)射天線會向空間中輻射電磁波，但不同的方向上天線輻射電磁波的能量不相同，即天線具有方向性。天線的方向性是指天線輻射的能量集中在期望方向上的程度，可以用方向圖表示，如圖2 所示。

圖2 直角坐標系天線方向圖

天線增益是用于定量描述天線把輸入功率輻射出去的程度的指標，是天線的重要參數(shù)之一。在輸入功率相同的情況下，實際天線和理想天線在空間同一點處的功率密度之比即為天線增益。天線增益與天線方向圖密切相關(guān)，方向圖主瓣越窄能量輻射越集中，副瓣越小，能量分散越少，增益越高。

2.2.3 天線輸入阻抗與天線駐波比

天線和饋線的連接處稱為天線的輸入端或饋電點。對天線來說，天線輸入端的電壓與電流的比值則稱為天線的輸入阻抗，表達式為

式中：Rin為實部，稱為輸入電阻；Xin為虛部，稱為輸入電抗；U和I分別為天線輸入端的電壓與電流。

天線的輸入阻抗與天線本身的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、工作頻率、饋電點位置及工作環(huán)境等因素有關(guān)。當天線的輸入阻抗和饋線的特性阻抗不匹配，即天線輸入阻抗等于饋線特性阻抗時，會在饋線上產(chǎn)生反射波，稱為駐波比（Standing Wave Ratio，SWR）。SWR 就是饋線上的電流（或電壓）最大值與電流（或電壓）最小值之比。

SWR 是天線及發(fā)射機是否能夠穩(wěn)定工作的電氣指標，對于發(fā)射系統(tǒng)而言，SWR 越小，反射功率越小，能量傳輸效率相對越高。一般情況下，移動通信天線的SWR≤1.5，單頻工作的中波天線SWR≤1.1。

3 中波發(fā)射天線優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵因素

發(fā)射天線類型的選取由天線工作頻率決定。在天線的優(yōu)化設(shè)計中，天線的方向性、天線增益、輸入阻抗、SWR 及帶寬都是決定天線性能的關(guān)鍵因素，在具體實施過程中要考慮天線高度、天線結(jié)構(gòu)、地網(wǎng)和饋線系統(tǒng)的鋪設(shè)，調(diào)配網(wǎng)絡(luò)的匹配等問題。

中波天線是中頻波段的傳輸設(shè)備。中波廣播的 頻 率 為526.5 ～1 606.5 kHz，波 長 為567.0 ～187.3 m。中波工作的頻率低，波長比較長，不易受到建筑物的影響，根據(jù)這個頻段的電波傳播特性，中波能以表面波（地波）和天波的形式傳播，中波轉(zhuǎn)播臺采用垂直極化天線。以前常用T 形發(fā)射天線和倒L 形發(fā)射天線，發(fā)射效率低、效果差，現(xiàn)在逐漸被自立塔天線或桅桿式單塔天線取代。

4 天線優(yōu)化設(shè)計方案的具體實施案例

遼寧朝陽三二八轉(zhuǎn)播臺為中波轉(zhuǎn)播臺站，轉(zhuǎn)播的兩套工作頻率在600 ～900 kHz 的節(jié)目采用雙頻共塔的方式發(fā)射，工作頻率之比為1.25，滿足雙頻共塔的兩個發(fā)射頻率之比不小于1.25 的要求。在日常維護檢測中發(fā)現(xiàn)發(fā)射天線存在以下問題：第一，天線地網(wǎng)對地電阻過大，近10 Ω；第二，發(fā)射機面板顯示屏電壓駐波比經(jīng)常亮紅燈；第三，天線零位過高，最高紀錄達12.9；第四，遇到打雷天氣，發(fā)射塔的放電現(xiàn)象比較嚴重?；谝陨蠁栴}對發(fā)射天線實施優(yōu)化改造，具體從以下5 個方面實施。

第一，采用76 m 拉線桅桿式單塔天線。塔身由若干截面為正三角的塔節(jié)組成，帶三方向拉繩，底部絕緣。桅桿鋼材采用Q355C 鋼，絕緣子均采用能承受雷電激發(fā)的靜電場影響的高頻瓷，拉線塔基礎(chǔ)為獨立基礎(chǔ)，地錨為板式錨。

第二，地網(wǎng)應(yīng)與塔底的地井良好連接。地網(wǎng)線每3°一根，深埋0.3 m，均勻鋪設(shè)到鐵塔周圍的接地銅帶上，錫焊牢固。地網(wǎng)線、鐵塔地線及調(diào)配室接地線均采用電氣連接，以確保其接地良好。

第三，在塔座底部的絕緣子上并聯(lián)避雷器作為防雷措施。石磨放電球的間距調(diào)節(jié)到2 cm，如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)屏蔽與放電球裝置

第四，鐵塔天線的拉繩用高頻絕緣子隔開，分段連接，減少感應(yīng)電流的二次輻射對鐵塔的影響。

第五，桅桿優(yōu)化設(shè)計改造之后，對天線的調(diào)配網(wǎng)絡(luò)進行測試，使輸入阻抗與饋線的特性阻抗相匹配。天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化大多由電感元件線圈帶動引線電感產(chǎn)生，配合網(wǎng)絡(luò)測試儀微調(diào)電感線圈，使天線輸入阻抗與饋線的負載阻抗匹配，最終確定參數(shù)。

5 結(jié)語

隨著科技的不斷進步和對節(jié)目質(zhì)量要求的不斷提高，天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及實施已成為必然趨勢。遼寧朝陽三二八轉(zhuǎn)播臺的天線系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計和改造后，性能得到極大改善。實踐表明，該方法具有一定的有效性，可以為中波轉(zhuǎn)播臺天線系統(tǒng)的設(shè)計改造提供參考。