76米錐面頂負(fù)荷自立塔式寬頻帶中波發(fā)射天線的結(jié)構(gòu)和特點

游航 李望

【摘要】傳統(tǒng)的中波發(fā)射天線為桅桿式拉線天線，結(jié)構(gòu)簡單，但地網(wǎng)占地面積大，為節(jié)省土地資源，目前國內(nèi)許多發(fā)射站采用中波自立塔的方式覆蓋。自立塔有串饋式、并饋式等多種形式。本文重點介紹分析了76米錐面頂負(fù)荷自立塔式中波發(fā)射天線的結(jié)構(gòu)和特點。

【關(guān)鍵詞】中部傳輸；錐面頂負(fù)荷；中波自立塔；結(jié)構(gòu)；特性

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.004

2021年某市中波轉(zhuǎn)播臺因發(fā)射場區(qū)土地置換，原76米拉線天線需更址遷建，原天線承載省臺農(nóng)村廣播747kHz/10kW和經(jīng)濟廣播972kHz/10kW的發(fā)射覆蓋任務(wù)，新規(guī)劃改建需增設(shè)實驗頻率1557kHz/10kW覆蓋項目，由原雙頻共塔規(guī)劃設(shè)計為三頻共塔。考慮到新規(guī)劃建設(shè)土地面積較小，且占用了中波頻段低、中、高三個頻點區(qū)域，對天線的要求較高，為實現(xiàn)上述目標(biāo)任務(wù)，其規(guī)劃建設(shè)的重點及難點是：新塔建設(shè)選址論證；發(fā)射天線的選擇與建設(shè)；三頻共塔天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計；中波多鄰頻干擾抑制及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試等。經(jīng)技術(shù)論證，選用了76米錐面頂負(fù)荷自立塔式天線，其地網(wǎng)半徑10～15米，占地面積較少，在完成天線遷建后，三個工作頻率均可滿足技術(shù)要求穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運行，其天線如圖1、圖2所示。

1.中波傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)

通信中電磁波按波長分類，頻率300kHz～3MHz為中頻電波，中波在空間可以用地波或者天波方式傳播。地波傳播時波長較短，地面損耗大，繞射能力差，所以傳播有效距離短。又因為中頻頻譜在電離層臨界頻率以下，電離層也能反射中波頻譜，即天波傳播。在空間電離層中，D層離地面約60～120公里，E層離地面約90～160公里，大氣稠密，電子、中性粒子和離子碰撞頻繁，電波在這衰減嚴(yán)重。因此白天D、E層吸收作用大，不能有效反射。夜晚D層消失、E層電子濃度減少，吸收顯著減小，天波傳輸能力增強、輻射距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地波。

2. 天線結(jié)構(gòu)特點及原理

天線高度76米，天線類型為四邊形自立式鋼管，角鋼組合結(jié)構(gòu)形式，天線防腐為熱鍍鋅，天線體為四邊形自立塔結(jié)構(gòu)形式，上錐體為不銹鋼立體結(jié)構(gòu)（采用特制202不銹鋼結(jié)構(gòu)），下錐體采用熱鍍鋅結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)合理科學(xué)；塔體通過中間并聯(lián)接地，防雷效果好，圖1中在塔高50米左右設(shè)并聯(lián)接地；天線底部絕緣子材質(zhì)為特種陶瓷，絕緣裝置設(shè)計合理，安全可靠，更換便捷；采用Solidworks軟件設(shè)計，無線結(jié)構(gòu)美觀。地端口，其接地高度根據(jù)實際情況可調(diào)整，從而改變天線特性阻抗值。

根據(jù)天線的長細(xì)比原理，振子天線的輸入阻抗隨電長度而變化的劇烈程度主要取決于天線的特性阻抗。振子天線的特性阻抗主要取決于長細(xì)比Ω，即Ω=2ln<2L/a>，其中L是天線振子臂的長度，a是天線臂的半徑，Ω越大，天線的特性阻抗就越大，因此，在同樣長度條件下，粗振子天線具有較寬的工作帶寬。該天線頂部錐體結(jié)構(gòu)，正是引用雙錐天線理論，提高輸入電阻，降低阻抗變化率，從而提高了天線的帶寬，也相當(dāng)提高了天線的有效高度，可替代76～150米傳統(tǒng)中波拉線天線，并實現(xiàn)多頻共塔（頻率比≥1.25時），帶寬滿足531kHz ～1602kHz，駐波比VSWR＜1.2，頻率Δf≥20kHz。

3. 天線帶寬提高方式

利用雙錐天線理論，提高輸入電阻，降低阻抗變化率，從而提高了天線的帶寬。

小錐角雙錐天線的輸入阻抗隨電長度的變化十分劇烈，不具有寬頻帶特性。

天線阻抗可能同時包含電抗與電阻成分，天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值，一般來說天線的輸入阻抗是個復(fù)數(shù)，包括實部和虛部，實部稱為輸入電阻，虛部稱為輸入電抗。天線和饋線相連接時，最理想的狀態(tài)是天線的輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時在饋線終端沒有反射功率，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作，就是為了消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使得電阻分量盡可能接近饋線的特性阻抗。將頂端負(fù)載制作成椎體形狀，尤其是錐角2θ接近90°時，其輸入阻抗接近50Ω，因而這種天線具有很寬的阻抗帶寬。

4. 天線特性阻抗對比分析

76米錐面頂負(fù)荷自立塔式中波發(fā)射天線，由其結(jié)構(gòu)特性決定了其天線輸入阻抗特性，可定性判斷其天線輸入阻抗的實部和虛部隨頻率改變而變化的幅度與76米自立塔相比應(yīng)較為平緩，在理想狀態(tài)下其兩者天線阻抗對比（如圖3）所示，通過對比可清晰得出前者所呈現(xiàn)的特性優(yōu)勢：在中波全頻率段內(nèi)，無線阻抗無論是實部還是虛部隨頻率改變在曲線平緩，微變特性良好，沒有較劇烈的起伏，Δ×/ΔR<即天線Q值>較小，特別是在中波低端頻率段和高端頻率段呈現(xiàn)出較好的阻抗特性，較好地滿足三頻共塔的需求。

76米錐面頂負(fù)荷自立塔式寬頻帶中波發(fā)射天線與76米自立塔天線經(jīng)實際測量，747kHz、972kHz、1557kHz三個工作頻率的天線輸入阻抗分別為：

737kHz：26.8-j28.7；747kHz：26.5-j25.3；757kHz：26-j21.2

962kHz：78.2+j28.6；972kHz：83.5+j33；982kHz：92.3+j36.1

1547kHz：18.5-j33.8；1557kHz：18.1-j32.7；1567kHz：17.6-j31.4

可以看出實際測量值與理想狀態(tài)有一些差距，這是由發(fā)射場區(qū)環(huán)境、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地網(wǎng)狀況等外部多種因素所造成，應(yīng)屬正常范圍內(nèi)的變化，對其天線特性優(yōu)勢不會產(chǎn)生實質(zhì)性的改變，實際運行效果穩(wěn)定可靠，三個工作頻率帶寬滿足要求，較遷建前的覆蓋效果有顯著提高，達(dá)到并超過了預(yù)期目標(biāo)。

5. 實際應(yīng)用中的調(diào)整

此天線的主要技術(shù)特點是采用新型并聯(lián)加載技術(shù)，天線阻抗可以優(yōu)化調(diào)整，提高天線的發(fā)射效率，拓寬了中波天線的帶寬，因此在實際的安裝調(diào)試特別是天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的測試中，項目開始時在地網(wǎng)東西兩側(cè)各增設(shè)一口地井，并調(diào)整天線接地端的高度位置改變天線阻抗，但其最佳狀態(tài)與該類天線中波頻段理想狀態(tài)頻阻特性仍有一定偏差，特別是高端頻率1557kHz的天線阻抗實部阻值較小（十幾歐姆），與理想狀態(tài)值有近一倍的差距。而天線在高端頻率1557kHz附近阻抗實部較小，通常會造成其帶寬不足，發(fā)射機降功率保護(hù)，天線零位值較高，駐波報警等現(xiàn)象，所以必須在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中需著重加以考慮。

可以調(diào)整偏向網(wǎng)絡(luò)，利用對發(fā)射振子饋以等幅但是不同相位的電流，調(diào)整左右偏向發(fā)射，保留原有的調(diào)配網(wǎng)絡(luò)，需要另外加裝相位網(wǎng)絡(luò)。如果發(fā)射天線和反射天線電流相等，相位差α，則此天線陣輻射場型的最大值不在兩個發(fā)射塔連線的垂直水平線上，而是偏離一個角度，即偏向輻射。移相網(wǎng)絡(luò)的作用是讓天線的主向偏移一個角度，若相移網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載是純電阻W，接移向網(wǎng)絡(luò)后，其術(shù)儒電阻還是W，輸入電流和輸出電流幅度不變，但有一定的相位差。所以，接入移向網(wǎng)絡(luò)并不影響天線和候紛之間的阻抗匹配。可以在中心調(diào)配室和左右發(fā)射塔各安裝一套切換開關(guān)，根據(jù)左偏和右偏，直接接入移向網(wǎng)絡(luò)。主向只使用調(diào)配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)偏向發(fā)射時，接入移向網(wǎng)絡(luò)。移向網(wǎng)絡(luò)通過切換開關(guān)倒換。偏移角度通過工程中實際調(diào)試決定，尋找最大方向性場強圖。

最后在總結(jié)調(diào)試經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，歸納其方法是選擇參照點，以阻抗匹配為主線，輔助調(diào)整干擾抑制。以1557kHz系統(tǒng)聯(lián)調(diào)為例，分別選擇天調(diào)網(wǎng)絡(luò)端口、機房饋線端口和發(fā)射機槽路端口為測試點，調(diào)整天調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射機槽路使之達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，具體操作是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀在端口測試，手機視頻遠(yuǎn)程監(jiān)測調(diào)整，節(jié)省調(diào)整時間，化難入簡。

6. 結(jié)束語

某市中波轉(zhuǎn)播臺中波發(fā)射塔遷建項目自在2020年立項后，由市中波轉(zhuǎn)播臺牽頭組織實施，該項目主要包括：76米錐面頂負(fù)荷自立塔式寬頻帶中波新型發(fā)射天線的建設(shè)和應(yīng)用、三頻共塔天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與改進(jìn)，尤其是采用簡易技術(shù)手段有效改善中波高端頻率1557kHz傳輸覆蓋帶寬。

項目初步驗收結(jié)果表明，完全達(dá)到設(shè)計預(yù)期效果，利用了錐面患變原理、天線長細(xì)比原理、雙錐天線理論，有效提升了天線輻射效率，較大改善了中波天線的技術(shù)性能，加強了天線體穩(wěn)定性能，具有良好經(jīng)濟效益和社會效益。實現(xiàn)了該中波新型自立塔天線在省地市級臺站的首次應(yīng)用，為進(jìn)一步完善中波寬頻帶天線多頻共塔實踐提供了技術(shù)試驗和經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：游航，助理工程師，研究方向：中波覆蓋;李望，助理工程師，研究方向：中波覆蓋.