中波天線地網對發射效果的影響分析

劉鈺毅

（廣東省惠州中波轉播臺，廣東 惠州 516007）

0 引 言

中波廣播主要是以地面波為主、以夜間天波為輔來進行信息傳播的。發射天線是中波廣播系統重要的組成部分，其主要功能是將發射的信號轉換為電磁波。天線接地網不僅可以有效減少各種環境因素對信號的干擾，而且可以提高發射系統的信號質量。

1 中波天線地網的原理和運用

1.1 中波地網的原理

地網以天線鐵塔為中心，在發射場地地下鋪設導線，作為天線輻射的回路。地網導線的電阻遠小于大地電阻，因此在大地形成的電流通常都小于地網導線電流，這樣很大程度地減少了信號在大地的損耗，從而提高天線效率。中波天線的地網主要以鐵塔的底部作為中心圓心，使用直徑φ2～3 mm銅導線。在數量方面需要考慮土壤地導系數情況以及相關的地形情況，還應當結合長度和高度，充分考慮地面狀況和土壤性質情況。一般情況下導線長度為0.3λ～0.5λ（λ為信號的波長），很多時候其長度等于塔高。為減少地損，地網的埋設深度越淺越好，但為了保護導線，地網的深度一般在離地面0.3～0.5 m。距離天線塔底中心部位小于0.5λ的區域設置為天線電磁感應區，考慮到損耗和地網的關系，距離塔底大于0.5λ的區域一般都是輻射場，但與天線效率無關。

通常情況下，發射臺都處于城市的中心位置，天線大多被高層建筑遮擋，也需要進行地網敷設，這樣才可以提高發射效率。天線地網可以采用中心徑向敷設模式，這樣可以擴大中波發射范圍，提升收聽穩定性[1]。

1.2 中波地網的運用實踐

以惠州中波轉播臺新臺搬遷建設為例，介紹地網在實際工作中的運用。

惠州中波轉播臺新臺共建設3座中波自立塔，其中2座高120 m（1 170 kHz與1 557 kHz共塔，927 kHz與1 206 kHz共塔），另外1座高76 m（1 098 kHz單頻塔）。鐵塔地網以中波自立塔（塔基中心）為圓心，每3°鋪設一根Φ3 mm紫銅線（地網線），共120根，埋深40～50 cm，呈放射狀均勻向外鋪設，鋪設至天線區場地邊界和兩塔距離中間的交界處。地網長度小于0.3λ的要在地網線的末端靠外圍墻處加建簡易高頻地井（每12條地網線末端配置1個）。地網線之間用3個不同半徑的圓環（內環、中環及外環）連接，如圖1所示。

圖1 惠州中波轉播臺地網簡易平面圖

在鐵塔圍墻和調配室外側、鐵塔與調配室之間沿著調配室墻外側鋪設10 cm×0.75 mm紫銅板，作為連接地網線與塔基回流條的地網內環，用厚10 cm、寬40 cm的混凝土固封。在地網半徑30 m處設一中環，用紫銅線將所有地網線連接起來。在地網線的末端設一外環，用紫銅線連接所有地網線的末端，并與相鄰地網連接。地網遇到圍墻圈界的地方鋪設至圍墻底端，遇建筑障礙的地方繞過后繼續鋪設；遇水池時，將相鄰12根并接后以3 mm×30 mm紫銅板埋池底深50 cm敷設，每隔6 m使用1根10 cm×10 cm×60 cm的砼柱垂直固定，離砼柱上端10 cm處開孔，用于穿孔固定紫銅板。蓄水池需使用的砼柱數量約為80根（臺站有兩個水池，大概面積為3 000 m2）。在地網末端加一根長度為40 cm、直徑為12 mm的圓鋼，將其砸入地下，以保證接地更完好。在沿外墻的地網末端，用10 cm×10 cm×60 cm的砼柱作標志，使用量約為240根。惠州中波轉播臺每座中波自立塔要沿天線區邊緣建簡易高頻地井10個，具體建設方法為：挖直徑1 m、深度為2.5 m的圓柱形地井，埋入Φ3 mm紫銅線焊接的直徑1 m、高2 m的圓柱形銅籠，回填混合土，其中包括降阻劑50 kg和改良土1.5 m3，填充時加水并分層踏實[2]。

惠州中波轉播臺新臺位于城市郊區，已經播出運行了3年。跟舊臺相比，整個地網敷設設計更加完善，改善了播出的質量和覆蓋范圍，以新臺為中心的45 km范圍內收聽質量優良，而且極大地減少了極端雷雨天氣產生的天線駐波過大等故障，也避免了發射機受到雷電的侵害。

2 中波天線地網對發射效果的影響分析

天線設計、地網設計以及地網鋪設質量，會直接影響發射天線的輻射功率、輻射范圍以及信號質量。詳細分析地網多方面因素對發射效果的影響，在地網施工中綜合考慮各種因素，可以更好地提升中波的傳輸效果。

地網不良主要有以下表現。

（1）接地電阻增大，天線輻射能量有一部分損失在地面，造成輻射效率降低。天線發射信號時，應當考慮其輻射效率，即將天線高頻電流充分地轉換為電磁波能量，天線輻射效率η是輻射功率Pr與輸入功率Pi之比。設天線電流為IA，輻射電阻為RA，損耗電阻為RL，則：η=Pr/（Pr+PL）=RA/（RA+RL）。由這個公式可以看出，影響天線輻射效率的因素主要有兩個，分別是天線輻射電阻RA和地電阻RL（即地面損耗）。如果地網設計和鋪設效果不理想，會導致接地電阻增大，造成地面損耗大，輻射效果減弱。一般接地電阻要小于2 Ω，越小越好。

（2）天線輻射的主電場與地面地電流反射副電場相位不一致，導致輻射總電場減弱。在發射空間電磁波時，一般情況下地面會受電磁波作用而產生地電流。地電流由位移電流和傳導電流組成，其中電導率成正比。在天線的輻射空間里，地電流會產生再輻射，因此除了主電場外，還有附加副電場，總電場是由主電場和副電場共同疊加形成的。由于兩個電場的電磁波在空間中的路徑不同，因此存在很大的相位差，會使天線振幅發生波動，導致所需要覆蓋的區域覆蓋不了，不需覆蓋的區域又可收到信號。為了減少地電流的影響，在選擇新建臺站地址時，除了選擇平坦、濕潤及導電性好的地面外，還要妥善細致地做好天線地網的鋪設工作，地網可以為地電流提供良好的通路[3]。

（3）影響天線和饋線的匹配度，使阻抗不匹配，造成反射過大。天線的輸入阻抗是一個復數Z=R+Xj。在天線的特性方面，阻抗與天線形狀、工作頻率、周圍環境、地網以及季節因素有關。當特性阻抗與饋線特性相等，稱為阻抗匹配。通常饋線的特性阻抗為50 Ω，天線的特性阻抗可以通過天線調配網絡進行調整，使其達到50 Ω，與饋線匹配。這時天線系統的輻射電阻和損耗電阻正好吸收了發射機輸出并通過饋線發送。當天饋線不匹配時，所造成的電波主要從天線系統反射回饋線以及向發射機傳輸，從而造成傳輸效率下降。因此地面環境的變化和地網會影響天線的特性阻抗，從而影響到天饋線的匹配。

（4）作為發射天線的接地端，如果地網質量不好，易造成發射機駐波過大甚至遭到雷擊。如果天線接地不好，阻抗匹配容易受天氣的影響，在雷雨天氣，容易造成天線阻抗變化大，電波反射回發射機，從而造成駐波比過大，發射機頻繁降功率，影響播出功率。天線接地不好更為嚴重的后果是雷電直接通過天饋線通道燒壞發射機，對廣播設施造成嚴重破壞。

此外，發射頻率會對輻射場產生較強的影響，其中地波衰減情況與波長有很大關系。相同的功率等級下，中波發射機的工作頻率較低，而輻射場的抗衰減能力就會越強，覆蓋半徑也就越大。相反，如果工作頻率較高，那么中波覆蓋半徑就會越小[4]。

3 地網設計與鋪設的優化措施

3.1 加設地井和環形連接

目前，天線地網系統的應用過程中，主要的問題是信號的傳輸質量和穩定性得不到保障。設計人員可以在地網外環加設一定數量的地井，用顆粒鹽、木炭等阻降劑和改良土進行埋設，更好地提升發射效率，并能實現有效的防雷；也可以在地網線之間增加兩至三個圓環并連接起來，形成良好的導電通路[5]。

3.2 地網鋪設施工規范

鋪設地網前，施工人員要對地形環境和地質條件進行勘察，繪制出細致的施工圖，做好選材工作。鋪設選材需要進行嚴格的控制，在夏冬溫差特別大的地區，考慮到熱脹冷縮對地網的影響，可以選擇鋪設較粗的銅線。鋪設地網時，各種連接點的焊接必須采用高溫處理，保證焊接點穩固。由于鐵塔正下方的地面的電磁場能量大，為了更好地減少衰減和損耗，在接近鐵塔基座的地方鋪設的地網要埋得淺一些，以提高天線的輻射效率。在地網的敷設過程中，遇到調配室等障礙物時，要繞過障礙物再分散敷設。天線地網的敷設是一項難度較大的工程，需要由專業的技術人員負責，檢查天線接地電阻是否達標（小于2 Ω）。

4 地網和發射天線系統維護

4.1 對于天饋線的維護

對于天饋線的維護要做好天線地網、鐵塔、調配網絡以及饋線等天饋線日常維護工作，做好周檢、月檢、季檢及年檢工作。地網焊點多，埋設較淺，容易因各種原因造成斷損現象。在實踐工作中，維護人員需要及時有效地處理破損問題，焊接好相關的接頭，檢查地網外觀的完整性。維護人員可利用電纜探位儀測出地網線的斷損位置，測試電氣特性，從而更好地做好地網維護工作。天線鐵塔一般每3年深入維護一次，主要工作是矯正拉線位置的偏差，為拉錨接點和鐵塔各連接點做好緊固工作并上黃油。維護人員要定期檢查接地點和放電球等，測試接地電阻是否合規。對于調配網絡和饋線，維護人員應利用每周停機檢修時間進行巡查，特別是在夏天雷雨天氣，需檢查電容電感是否有雷擊燒壞現象，饋線各接點是否架設穩固，杜絕因接觸不良引起饋線傳輸效率低和發熱現象。

4.2 對于發射機系統的維護

發射機維護對于中波發射系統十分重要，因為發射機是能量發射的開端。發射機對于發射信號的傳輸具有各種監控指標和報警信號，主要有入射功率、反射功率、調制度以及天線駐波比等，值班人員在值班巡查時要留意這些重要指標，將實時記錄和之前的記錄進行對比，監控異常情況。如果反射功率和駐波比出現異常，值班人員一定要及時進行檢查，盡快解決問題，確保系統的穩定。

4.3 對于中波發射系統的維護

中波發射系統需要定期進行檢查，還需要定期進行大范圍修理，大修的時間是3～5年實施1次。整修過程最重要的是檢查拉線狀況，其對天線鐵塔的影響比較大。在檢查過程中，檢修人員要檢查拉線的腐蝕現象、拉線形狀以及拉線破損情況。對于饋線檢查，檢修人員要先檢查導線情況，查看導線是否有斷裂或者裸露在外的情況，如果有，需要及時更換饋線。在進行全面大修檢查時，檢修人員需要全面和細心地檢查整體中波發射系統。

5 結 語

天線地網是中波廣播發射傳輸過程保證天線發射效率的重要因素。如果天線地網鋪設不好，會導致信號發射效果達不到預期，影響廣播信號的覆蓋率和收聽質量，還會影響傳播設備的安全。因此在設計、鋪設以及維護天線地網的過程中，相關人員需要根據中波的發射特點，不斷地進行地網的完善和優化，減少天線的損耗，確保達到良好的中波發射效果。