160kW調頻天線設計構想

梁芳域 廣東省廣播電視技術中心 電視調頻發射總臺

一、引言

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

該天線安裝于2001年，材質為不銹鋼，結構為上下對稱型，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。經過十七年的日曬雨淋，天線構件老化，發射效果變差。而近年來調頻廣播節目的不斷增多，發射總功率也不斷逼近天線的極限。隨著發射臺對調頻發射系統的不斷升級，發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。比如技術指標是多少、采用什么樣的結構、各構件尺寸是多少、使用什么材料和考慮外部環境的影響等等。

二、技術參數

根據《GY/T 196-2003 調頻廣播覆蓋網技術規定》和《GY/T 5088-2013 電視和調頻廣播發射天線饋線系統技術指標及測量方法》，結合實際情況，確定新天線的技術參數。

(一)頻率范圍：調頻廣播全頻段，87~108MHz。

(二)極化形式：按照發射臺早期規劃為水平極化。

(三)輸入阻抗：天饋線系統輸入阻抗標稱值應為50Ω。

(四)功率容量：本臺調頻發射系統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≥160kW，是目前為止國內單體功率容量最大的調頻天線。

(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信號的能力。在同等發射機功率條件下，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，增加天饋線系統的復雜性，也增加服務邊界同頻鄰頻干擾場強，所以它是一個綜合性的問題，要根據覆蓋網的規劃要求及各地具體服務要求、經濟條件等確定。

(六)駐波比：根據標準，調頻天饋線駐波比甲級≤1.15，乙級≤1.20。所以設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全頻段整體要求≤1.15。

(七)天線場型設計：

發射塔坐標：113°15′51″，23°08′36″

發射塔塔基海平面高度：50米

天線中心相對地面高度：140米

根據工程情況和發射塔周邊環境，利用計算機仿真優化系統的場型。

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)值的算術平均值。此指標根據頻率規劃要求、服務范圍及天線支持物結構截面尺寸在設計時確定，但應不劣于±3dB。因本天線安裝位置塔桅邊寬為3500mm，超過了最優寬度，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，需要根據高度情況設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——發射天線中心對應于服務區的相對高度(m)；

?H——水平線與最大視距線之間的夾角 (° )。

本發射臺Ht=140m，代入公式可得?=0.6°。

3.覆蓋場強要求：

發射功率10kW的信號覆蓋場強要求如下(不考慮發射塔東北方向有山遮擋)：

距離發射塔中心10公里范圍≥74dBμ V/m

距離發射塔中心20公里范圍≥74dBμ V/m

距離發射塔中心30公里范圍≥66dBμ V/m

距離發射塔中心40公里范圍≥60dBμ V/m

距離發射塔中心50公里范圍≥54dBμ V/m

以上場強數值是根據歷年的接收數據和實際的收聽效果確定，使距離發射塔中心50公里范圍內能達到相對滿意的收聽質量。

(八)環境溫度：-40℃ ~60℃。

(九)風荷截：29KN，天線位于臺風多發區，參考往年最大風速160km/h。

三、天線結構

發射塔調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。

考慮塔體結構和高度等實際情況，新天線延續舊天線的結構。天線面板越多，增益越好，輻射范圍越廣，但近場效果變差。所以天線面板數量調整為四面六層共24塊，類型為雙偶極子天線，系統總功率容量要求≥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，數量為24條。天線開關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射，并且可以通過板上的開關切換到單天線播出。

四、要點

(一)材質要求

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

舊天線的發射板材料為不銹鋼，防腐蝕性能強。但通過長期使用發現，該天線發射的調頻信號互調失真比較明顯，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，調頻天線要有一定的波束下傾角。下傾角的實現有三種方式，包括：天線面板傾斜、分支電纜長度調整、天線面板位置調整。

從施工角度考慮，天線面板數量太多，板傾的話傾斜度太小，不容易統一實現。直接調整某些天線面板的安裝位置是最容易施工的，至于調整哪些面板，通過計算機仿真來優化即可。

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。圖1是調頻天線面板安裝位置的實拍圖。

五、結束語

本發射臺更換完調頻新天線后，效果明顯改善。通過接收數據比對得知，覆蓋范圍內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全頻段的增益表現非常均衡，而原先天線則會出現不同頻率增益差異非常大的情況，導致某些頻道的接收效果很差。除了客觀數據比對，直接監聽也明顯感覺音質有所提升，互調失真減弱，雜音消失不見。整體上說，本次調頻天線更換工程的設計實施過程是成功的，達到了預期的效果，也得到了業內的好評。本文主要側重講述工程前期的需求構想過程，希望給大家以借鑒。