160kW調(diào)頻天線設(shè)計構(gòu)想

梁芳域 廣東省廣播電視技術(shù)中心 電視調(diào)頻發(fā)射總臺

一、引言

越秀山發(fā)射塔調(diào)頻天線肩負著FM89.3 MHz、FM91.4MHz、FM97.4MHz、FM99.3 MHz、FM103.6MHz等多個國家級和省級調(diào)頻廣播節(jié)目在廣州及周邊地區(qū)的發(fā)射覆蓋任務(wù)，發(fā)射功率大，影響范圍廣。

該天線安裝于2001年，材質(zhì)為不銹鋼，結(jié)構(gòu)為上下對稱型，共四面八層32塊天線面板，上四層天線極化方向是水平極化，下四層是垂直極化。經(jīng)過十七年的日曬雨淋，天線構(gòu)件老化，發(fā)射效果變差。而近年來調(diào)頻廣播節(jié)目的不斷增多，發(fā)射總功率也不斷逼近天線的極限。隨著發(fā)射臺對調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)的不斷升級，發(fā)射機和多工器更新改造相繼完成，天線的更換工程也提上了日程。

更換新天線要解決的問題很多，我們在向天線廠家發(fā)布招標文件前，需要先梳理自己的用戶需求，列出各項要求。比如技術(shù)指標是多少、采用什么樣的結(jié)構(gòu)、各構(gòu)件尺寸是多少、使用什么材料和考慮外部環(huán)境的影響等等。

二、技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《GY/T 196-2003 調(diào)頻廣播覆蓋網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》和《GY/T 5088-2013 電視和調(diào)頻廣播發(fā)射天線饋線系統(tǒng)技術(shù)指標及測量方法》，結(jié)合實際情況，確定新天線的技術(shù)參數(shù)。

(一)頻率范圍：調(diào)頻廣播全頻段，87~108MHz。

(二)極化形式：按照發(fā)射臺早期規(guī)劃為水平極化。

(三)輸入阻抗：天饋線系統(tǒng)輸入阻抗標稱值應(yīng)為50Ω。

(四)功率容量：本臺調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)多工器的功率容量為150kW，連接天線的兩條主饋管功率容量均為80kW，那么新天線功率容量應(yīng)≥160kW，是目前為止國內(nèi)單體功率容量最大的調(diào)頻天線。

(五)天線增益：≥9dBd；天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力。在同等發(fā)射機功率條件下，天線增益加大，特定方向覆蓋范圍也加大，自然是越大越好。但這將增加支持物(塔桅)的長度，增加天饋線系統(tǒng)的復(fù)雜性，也增加服務(wù)邊界同頻鄰頻干擾場強，所以它是一個綜合性的問題，要根據(jù)覆蓋網(wǎng)的規(guī)劃要求及各地具體服務(wù)要求、經(jīng)濟條件等確定。

(六)駐波比：根據(jù)標準，調(diào)頻天饋線駐波比甲級≤1.15，乙級≤1.20。所以設(shè)定新天線單個的天線面板駐波比≤1.15，施工完成后天饋線系統(tǒng)全頻段整體要求≤1.15。

(七)天線場型設(shè)計：

發(fā)射塔坐標：113°15′51″，23°08′36″

發(fā)射塔塔基海平面高度：50米

天線中心相對地面高度：140米

根據(jù)工程情況和發(fā)射塔周邊環(huán)境，利用計算機仿真優(yōu)化系統(tǒng)的場型。

1.水平面場型：

對于一個全向的天線來說，不圓度是指水平面方向圖中，其最大值或最小值電平值與平均值的偏差，其中平均值是指水平面方向圖中最大間隔不超過5°方位上電平(dB)值的算術(shù)平均值。此指標根據(jù)頻率規(guī)劃要求、服務(wù)范圍及天線支持物結(jié)構(gòu)截面尺寸在設(shè)計時確定，但應(yīng)不劣于±3dB。因本天線安裝位置塔桅邊寬為3500mm，超過了最優(yōu)寬度，會對場型圓度造成比較大的影響。鑒于此我們按標準要求不圓度＜±3dB即可。

2.垂直面場型：

天線增益大，中心高度超過100m，第一、第二零點方向照射的距離較遠，因此對服務(wù)效果影響較大，需零點填充。一般零點填充量為5%到20%，本天線我們要求第一零點填充大于10%。

另外，需要根據(jù)高度情況設(shè)計合理的天線波束下傾角，達到減少向上半空間輻射的電磁波能量、提高電波能量的利用率的目的。一般情況下波束下傾角計算公式如下：

式中：?——波束下傾角(°)；

Ht——發(fā)射天線中心對應(yīng)于服務(wù)區(qū)的相對高度(m)；

?H——水平線與最大視距線之間的夾角 (° )。

本發(fā)射臺Ht=140m，代入公式可得?=0.6°。

3.覆蓋場強要求：

發(fā)射功率10kW的信號覆蓋場強要求如下(不考慮發(fā)射塔東北方向有山遮擋)：

距離發(fā)射塔中心10公里范圍≥74dBμ V/m

距離發(fā)射塔中心20公里范圍≥74dBμ V/m

距離發(fā)射塔中心30公里范圍≥66dBμ V/m

距離發(fā)射塔中心40公里范圍≥60dBμ V/m

距離發(fā)射塔中心50公里范圍≥54dBμ V/m

以上場強數(shù)值是根據(jù)歷年的接收數(shù)據(jù)和實際的收聽效果確定，使距離發(fā)射塔中心50公里范圍內(nèi)能達到相對滿意的收聽質(zhì)量。

(八)環(huán)境溫度：-40℃ ~60℃。

(九)風(fēng)荷截：29KN，天線位于臺風(fēng)多發(fā)區(qū)，參考往年最大風(fēng)速160km/h。

三、天線結(jié)構(gòu)

發(fā)射塔調(diào)頻天線位置總高度為20m，塔桅橫截面是正四方形，邊寬為3500mm。舊天線分為上下對稱兩副，分別連接上下路主饋管，共有4面8層32塊天線面板。此次工程需要更換的器件有天線開關(guān)板、功率分配器、分支饋管和天線振子面板，保留兩路從機房至塔上的主饋管。

考慮塔體結(jié)構(gòu)和高度等實際情況，新天線延續(xù)舊天線的結(jié)構(gòu)。天線面板越多，增益越好，輻射范圍越廣，但近場效果變差。所以天線面板數(shù)量調(diào)整為四面六層共24塊，類型為雙偶極子天線，系統(tǒng)總功率容量要求≥160kW，則單個天線面板的功率容量必須大于7kW。

功率分配器作用是將單路饋管信號等分到多個天線振子發(fā)射，整個天線共需要兩個1：2功分器和四個1：6功分器。分支饋管連接功分器和天線振子，數(shù)量為24條。天線開關(guān)板的作用是將多工器出來的載波聚合信號等分，通過兩路饋管分別送到上下兩副天線發(fā)射，并且可以通過板上的開關(guān)切換到單天線播出。

四、要點

(一)材質(zhì)要求

由于常年處于露天環(huán)境，高溫高濕，天線面板(天線振子外導(dǎo)體、天線反射板和天線反射板安裝構(gòu)件)必須采用較強防腐蝕的材質(zhì)。

舊天線的發(fā)射板材料為不銹鋼，防腐蝕性能強。但通過長期使用發(fā)現(xiàn)，該天線發(fā)射的調(diào)頻信號互調(diào)失真比較明顯，收聽時有明顯的雜音，聲音不夠明亮。通過查閱得知，不銹鋼材質(zhì)的天線面板普遍存在這個問題，而使用鍍鋅碳鋼材料既可以避免該問題，又能達到防腐蝕的效果。所以此次更換天線，我們要求廠家提供的必須使用鍍鋅碳鋼作為天線反射板材料。

圖1 天線面板安裝位置實拍圖

(二)安裝要求

為了減少向上輻射的能量，獲得更好的覆蓋效果，調(diào)頻天線要有一定的波束下傾角。下傾角的實現(xiàn)有三種方式，包括：天線面板傾斜、分支電纜長度調(diào)整、天線面板位置調(diào)整。

從施工角度考慮，天線面板數(shù)量太多，板傾的話傾斜度太小，不容易統(tǒng)一實現(xiàn)。直接調(diào)整某些天線面板的安裝位置是最容易施工的，至于調(diào)整哪些面板，通過計算機仿真來優(yōu)化即可。

通過與天線廠家溝通，本次工程我們選擇的施工方案是將中間兩層的天線面板略靠外安裝，其他四層天線面板位置則相對靠內(nèi)。圖1是調(diào)頻天線面板安裝位置的實拍圖。

五、結(jié)束語

本發(fā)射臺更換完調(diào)頻新天線后，效果明顯改善。通過接收數(shù)據(jù)比對得知，覆蓋范圍內(nèi)的接收電平均有不同程度的提高。最明顯的變化是，新天線對88MHz~108MHz全頻段的增益表現(xiàn)非常均衡，而原先天線則會出現(xiàn)不同頻率增益差異非常大的情況，導(dǎo)致某些頻道的接收效果很差。除了客觀數(shù)據(jù)比對，直接監(jiān)聽也明顯感覺音質(zhì)有所提升，互調(diào)失真減弱，雜音消失不見。整體上說，本次調(diào)頻天線更換工程的設(shè)計實施過程是成功的，達到了預(yù)期的效果，也得到了業(yè)內(nèi)的好評。本文主要側(cè)重講述工程前期的需求構(gòu)想過程，希望給大家以借鑒。