论文部分内容阅读
[摘要]新建中波天线时，在天线高度受到限制的情况下，既要满足现在播出的需要，又要满足未来数字化播出的要求，播出带宽要达到40KHZ以上，天线选型是个难题；通过对各种类型中波天线技术参数特性的分析比对，选择建设76米锥面顶负荷自立式天线，后经实际播出后的技术参数测量验证，证明该方案是可行的，是一种很好的选择。
[关键词]中波天线 宽频带 测量验证 顶负荷 自立式
引言
近几年随着城市的发展，中波发射台的搬迁已成为常态。中波发射台搬迁的关键工作在中波天线的选型和布局规划，下面将就榆林中波台搬迁建设中天线的选型和应用实践，以及一些体会作简单介绍。
一、天线的技术要求
榆林中波台担负着三套中波广播节目的播出任务，建于上世纪70年代末，由于老台址所在地已成为城市中心区，所以实施了搬迁。新址的选择按照GY5069-2001《中波、短波发射塔场地选择标准》及榆林市区可用地限制条件，在保证原覆盖区不变的条件下，最后确定新址在东沙生态公园的永久绿地内。天线的选型受下面的条件约束：
1.高度受限
由于新台址与榆林市机场跑道中心线的垂直距离问题，以及新址地势较高，所以天线的高度受限制，只能选择建100米以下的中波发射天线。
（1）功能要求
a.双频共塔：榆林台的规划播出频率有4个693KHz、855KHz、1143KHz、1359KHz，实际播出3个频率；老台址有3座发射塔，都是单频单塔播出；新址受土地限制只能建2座发射塔，所以必须双频共塔播出。
b.满足中波数字化播出要求：考虑到中波广播的发展需求，数字化是必然趋势，所以新天线必须是宽频带的，尤其是在700KHz以下的波段，播出带宽要达到40KHz以上。
c.天线系统参数受天气的影响要尽可能小：新址所在地为沙土地，下雨天和晴天的地导系数差别大，一年四季的地导系数也有很大差别，带来的問题是匹配网络参数的相应调整，以及播出质量和安全的隐患，所以新天线系统要较好地解决此问题。
二、天线的选型
可供选择的中波天线有拉线式、自立式、并馈式和顶负荷式等；由于是新建台，需要确保长久高质量安全播出的原因，所以天线应尽可能的高，76米以下的小天线不作考虑。
1.各型中波天线的简要技术特点：
a.拉线式：底部绝缘，高度可以做到1/2-5/8波长之间，通过塔高和塔宽的改变可以使输入阻抗得到合理值，塔底要铺设地网，可实现二频、三频、甚至4频共塔；缺点是占用土地面积大，维护周期短，并且难度大等。
b.传统自立式：底部绝缘，高度可以做到1/2波长，通过改变塔高可满足200KW以上的大功率播出，塔底要铺设地网，也可实现双频、三频共塔；占地面积小，维护容易。
c.并馈式：底部接地，防雷效果好，大功率播出容易实现，塔底要铺设地网，另外可在其上安装FM、TV天线实现多功能应用；缺点是实现双频共塔难度大、效果不理想，投资大，施工难度大。
d.新型锥面顶负荷天线：是咸阳广通电子科技有限公司近年来开发的新型天线，是专利产品；是传统自立式天线和并馈式天线的改进型，顶部加锥型顶负荷体，塔体中间接地；其突出的技术特点是频带宽，防雷效果好，76米就可实现200K W的大功率播出，双频共塔实现容易、效果好。
鉴于以上情况，我们在选择榆林台发射天线时将76米（或100米）传统自立式和76米新型锥面顶负荷自立式天线作为备选方案，并对它们的参数进行了对比分析。
2.传统76米自立式和锥面顶负荷76米自立式天线的阻抗对比
锥面顶负荷76米自立式天线阻抗值由咸阳广通电子科技有限公司提供，76米自立塔阻抗值由实际测量获得，阻抗对比值及变化曲线见下表1和图1：
3.传统120米自立式和76米锥面顶负荷自立式天线的阻抗对比
120米自立塔阻抗值由实际测量获得，锥面顶负荷76米自立式天线阻抗值由厂家提供，具体阻抗对比值及变化曲线见下表2和图2：
从上面的两组天线阻抗数据及图形对比可以看出，在中波全频段530KHz 1602KHz范围内，76米锥面顶负荷自立式中波天线阻抗特性和带宽明显优于76米自立式中波天线；与120米自立式中波天线相比其阻抗变化范围小，也有一定优势；可确保在任何一个频点上面都能很好的实现阻抗匹配；在驻波比≤1.25时，带宽达到40khz以上。
4.新型76米锥面顶负荷自立式中波天线（结构示意图见图3）的原理简析
（1）利用锥面缓变原理，降低终端反射和谐振频率，天线的长度虽然变小，但也不影响天线的效率。
（2）利用天线长细比原理，降低阻抗的变化率，提升天线带宽。根据天线的长细比原理，振子天线的输入阻抗随电长度而变化的剧烈程度主要取决于天线的特性阻抗。特性阻抗越大，输入阻抗随电长度的变化就越激烈，天线的阻抗带宽就越窄；反之，特性阻抗越小，天线的阻抗带宽就越宽。振子天线的特性阻抗主要取决于长细比，即Ω=2（2L/a），其中L是天线振子臂的长度，a是天线臂的半径。Ω越大，天线的特性阻抗就越大，因此，在同样长度条件下，粗振子天线具有较宽的工作带宽。粗振子有较低的特性阻抗，而不对称的结构形式可以起到类似电路中的参差调谐的作用，从而有效地展宽阻抗带宽。
（3）利用串、并联加载技术调整天线输入阻抗，提升天线发射效率。在锥面顶负荷天线的中部某点处加入一定数值的电感就构成了电感加载，该电感可以抵消该点以上线段对该点所呈现的容抗的一部分，从而增大加感以下天线部分的电流。显然它对加感以上部分以上的电流分布不起作用。加感线圈放置在天线的中部可获得最大的效率增益。
（4）利用并馈技术改善天线与网络、馈线的匹配难度。除在锥面顶负荷天线底部并馈外，也可在天线顶端馈电，馈电点在锥面顶和垂直接地线的顶端之间，垂直线的接地端是电流波腹点。这种馈入方式的优点是当天线的集合高度低于入/4时，垂直线段上的电流分布比较均匀，有效高度接近几何高度，在天线输入端为一感抗（垂直接地线）和一容抗（伞顶）相并联，如选择适当，可很好地与馈线匹配。 （5）利用双锥天线理论，提高辐射电阻，提高了小天线的带宽。对于无限长的双锥天线，由于只有TEM波传输，而且没有反射，因而其输入阻抗即为双锥天线的特性阻抗，即
Zin=zc=120 ctg（00/2）
上式适用于对称双锥天线。置于理想导电面上的直立单圆锥天线的输入阻抗是对称双锥天线的一半，即
Zin=zc=60 ctg（00/2）如下图4
双锥天线的输入阻抗和圆柱偶极子天线相类似，随电长度的变化十分剧烈，因而小锥角双锥天线不具有宽频带特性。如果锥角够大，圆锥天线的输入阻抗和输入电抗随koh的变化都十分平缓，尤其是在200接近90°时，这种天线的输入电抗在koh>n/2以后几乎为零，其输入阻抗接近50Q，因而这种天线具有很宽的阻抗带宽。
因为上面所述原因，76米锥面顶负荷自立式中波天线与现有传统中波发射天线相比，能提高天线的辐射电阻，降低电抗分量，拓展天线带宽到40KHz，使天线的辐射效率提高，完全可以满足中波数字广播的播出要求。
综合分析以上各种情况后，我们选择建设新型76米锥面顶负荷自立式天线，这样既能满足现在播出的需要，又能为以后数字播出的需要，以及可能的功率提升的需要做好准备。
三、天线的建设实施及效果
1.天馈线系统建设时采取的相应措施
由于榆林台新址是沙土地，电导率低，为了降低地损耗，降低气候变化对天线电参数的影响，地网敷设时，除了严格按照《广播电视工程建设规范》第3.1.3条规定实施外，我们还采取了以下措施：
（1）为了提高土壤导电率，在天线场区覆盖了50CM厚的黄土。
（2）地网埋设深度30CM，用f 3.0的硬铜线，辅设120根。
（）3由于地网线的长度不到工作频率的二分之一波长，所以在终端打入3.5米接地棒，并与地网焊接起来。
2.工程效果
（1）建成后的76米锥面顶负荷自立式中波天线的实景见下图5：
（2）建成后我们进行了天线参数的实际测量，与厂方提供参数基本一致；天线具有宽频带特性，在中波全频段，带宽可达40KHz以上；天线阻抗变化率小；匹配网络的设计和调试相对比较容易，在任何一个频点都能很好实现网络匹配，尤其在低频点及双频率共塔时，更显优势。
（3）天线投入使用已经一年多，期间我们进行了4次的参数测试和2次覆盖区内的实际覆盖场强收测；发现天线的阻抗数值变化比较小，匹配网络没有再调整，播出也一直很稳定；信号覆盖区内的场强稳定，优于原有76米拉线塔的播出效果；完全达到了初建时的设计要求。
四、结束语
通过76米锥面頂负荷自立式天线在榆林广播转播台的建设实践，实际验证了它的技术特点：一是采用锥面顶负荷技术，提高了天线输入阻抗；二是利用天线长细比原理，降低了阻抗变化率，提升了天线带宽；三是采用加锥顶和并馈接地技术，天线输入阻抗合理，对于不同频率不会产生大电流和高电压，安全可靠。总之，76米锥面顶负荷自立式天线是新建中波天线时较好的选择。
[关键词]中波天线 宽频带 测量验证 顶负荷 自立式
引言
近几年随着城市的发展，中波发射台的搬迁已成为常态。中波发射台搬迁的关键工作在中波天线的选型和布局规划，下面将就榆林中波台搬迁建设中天线的选型和应用实践，以及一些体会作简单介绍。
一、天线的技术要求
榆林中波台担负着三套中波广播节目的播出任务，建于上世纪70年代末，由于老台址所在地已成为城市中心区，所以实施了搬迁。新址的选择按照GY5069-2001《中波、短波发射塔场地选择标准》及榆林市区可用地限制条件，在保证原覆盖区不变的条件下，最后确定新址在东沙生态公园的永久绿地内。天线的选型受下面的条件约束：
1.高度受限
由于新台址与榆林市机场跑道中心线的垂直距离问题，以及新址地势较高，所以天线的高度受限制，只能选择建100米以下的中波发射天线。
（1）功能要求
a.双频共塔：榆林台的规划播出频率有4个693KHz、855KHz、1143KHz、1359KHz，实际播出3个频率；老台址有3座发射塔，都是单频单塔播出；新址受土地限制只能建2座发射塔，所以必须双频共塔播出。
b.满足中波数字化播出要求：考虑到中波广播的发展需求，数字化是必然趋势，所以新天线必须是宽频带的，尤其是在700KHz以下的波段，播出带宽要达到40KHz以上。
c.天线系统参数受天气的影响要尽可能小：新址所在地为沙土地，下雨天和晴天的地导系数差别大，一年四季的地导系数也有很大差别，带来的問题是匹配网络参数的相应调整，以及播出质量和安全的隐患，所以新天线系统要较好地解决此问题。
二、天线的选型
可供选择的中波天线有拉线式、自立式、并馈式和顶负荷式等；由于是新建台，需要确保长久高质量安全播出的原因，所以天线应尽可能的高，76米以下的小天线不作考虑。
1.各型中波天线的简要技术特点：
a.拉线式：底部绝缘，高度可以做到1/2-5/8波长之间，通过塔高和塔宽的改变可以使输入阻抗得到合理值，塔底要铺设地网，可实现二频、三频、甚至4频共塔；缺点是占用土地面积大，维护周期短，并且难度大等。
b.传统自立式：底部绝缘，高度可以做到1/2波长，通过改变塔高可满足200KW以上的大功率播出，塔底要铺设地网，也可实现双频、三频共塔；占地面积小，维护容易。
c.并馈式：底部接地，防雷效果好，大功率播出容易实现，塔底要铺设地网，另外可在其上安装FM、TV天线实现多功能应用；缺点是实现双频共塔难度大、效果不理想，投资大，施工难度大。
d.新型锥面顶负荷天线：是咸阳广通电子科技有限公司近年来开发的新型天线，是专利产品；是传统自立式天线和并馈式天线的改进型，顶部加锥型顶负荷体，塔体中间接地；其突出的技术特点是频带宽，防雷效果好，76米就可实现200K W的大功率播出，双频共塔实现容易、效果好。
鉴于以上情况，我们在选择榆林台发射天线时将76米（或100米）传统自立式和76米新型锥面顶负荷自立式天线作为备选方案，并对它们的参数进行了对比分析。
2.传统76米自立式和锥面顶负荷76米自立式天线的阻抗对比
锥面顶负荷76米自立式天线阻抗值由咸阳广通电子科技有限公司提供，76米自立塔阻抗值由实际测量获得，阻抗对比值及变化曲线见下表1和图1：
3.传统120米自立式和76米锥面顶负荷自立式天线的阻抗对比
120米自立塔阻抗值由实际测量获得，锥面顶负荷76米自立式天线阻抗值由厂家提供，具体阻抗对比值及变化曲线见下表2和图2：
从上面的两组天线阻抗数据及图形对比可以看出，在中波全频段530KHz 1602KHz范围内，76米锥面顶负荷自立式中波天线阻抗特性和带宽明显优于76米自立式中波天线；与120米自立式中波天线相比其阻抗变化范围小，也有一定优势；可确保在任何一个频点上面都能很好的实现阻抗匹配；在驻波比≤1.25时，带宽达到40khz以上。
4.新型76米锥面顶负荷自立式中波天线（结构示意图见图3）的原理简析
（1）利用锥面缓变原理，降低终端反射和谐振频率，天线的长度虽然变小，但也不影响天线的效率。
（2）利用天线长细比原理，降低阻抗的变化率，提升天线带宽。根据天线的长细比原理，振子天线的输入阻抗随电长度而变化的剧烈程度主要取决于天线的特性阻抗。特性阻抗越大，输入阻抗随电长度的变化就越激烈，天线的阻抗带宽就越窄；反之，特性阻抗越小，天线的阻抗带宽就越宽。振子天线的特性阻抗主要取决于长细比，即Ω=2（2L/a），其中L是天线振子臂的长度，a是天线臂的半径。Ω越大，天线的特性阻抗就越大，因此，在同样长度条件下，粗振子天线具有较宽的工作带宽。粗振子有较低的特性阻抗，而不对称的结构形式可以起到类似电路中的参差调谐的作用，从而有效地展宽阻抗带宽。
（3）利用串、并联加载技术调整天线输入阻抗，提升天线发射效率。在锥面顶负荷天线的中部某点处加入一定数值的电感就构成了电感加载，该电感可以抵消该点以上线段对该点所呈现的容抗的一部分，从而增大加感以下天线部分的电流。显然它对加感以上部分以上的电流分布不起作用。加感线圈放置在天线的中部可获得最大的效率增益。
（4）利用并馈技术改善天线与网络、馈线的匹配难度。除在锥面顶负荷天线底部并馈外，也可在天线顶端馈电，馈电点在锥面顶和垂直接地线的顶端之间，垂直线的接地端是电流波腹点。这种馈入方式的优点是当天线的集合高度低于入/4时，垂直线段上的电流分布比较均匀，有效高度接近几何高度，在天线输入端为一感抗（垂直接地线）和一容抗（伞顶）相并联，如选择适当，可很好地与馈线匹配。 （5）利用双锥天线理论，提高辐射电阻，提高了小天线的带宽。对于无限长的双锥天线，由于只有TEM波传输，而且没有反射，因而其输入阻抗即为双锥天线的特性阻抗，即
Zin=zc=120 ctg（00/2）
上式适用于对称双锥天线。置于理想导电面上的直立单圆锥天线的输入阻抗是对称双锥天线的一半，即
Zin=zc=60 ctg（00/2）如下图4
双锥天线的输入阻抗和圆柱偶极子天线相类似，随电长度的变化十分剧烈，因而小锥角双锥天线不具有宽频带特性。如果锥角够大，圆锥天线的输入阻抗和输入电抗随koh的变化都十分平缓，尤其是在200接近90°时，这种天线的输入电抗在koh>n/2以后几乎为零，其输入阻抗接近50Q，因而这种天线具有很宽的阻抗带宽。
因为上面所述原因，76米锥面顶负荷自立式中波天线与现有传统中波发射天线相比，能提高天线的辐射电阻，降低电抗分量，拓展天线带宽到40KHz，使天线的辐射效率提高，完全可以满足中波数字广播的播出要求。
综合分析以上各种情况后，我们选择建设新型76米锥面顶负荷自立式天线，这样既能满足现在播出的需要，又能为以后数字播出的需要，以及可能的功率提升的需要做好准备。
三、天线的建设实施及效果
1.天馈线系统建设时采取的相应措施
由于榆林台新址是沙土地，电导率低，为了降低地损耗，降低气候变化对天线电参数的影响，地网敷设时，除了严格按照《广播电视工程建设规范》第3.1.3条规定实施外，我们还采取了以下措施：
（1）为了提高土壤导电率，在天线场区覆盖了50CM厚的黄土。
（2）地网埋设深度30CM，用f 3.0的硬铜线，辅设120根。
（）3由于地网线的长度不到工作频率的二分之一波长，所以在终端打入3.5米接地棒，并与地网焊接起来。
2.工程效果
（1）建成后的76米锥面顶负荷自立式中波天线的实景见下图5：
（2）建成后我们进行了天线参数的实际测量，与厂方提供参数基本一致；天线具有宽频带特性，在中波全频段，带宽可达40KHz以上；天线阻抗变化率小；匹配网络的设计和调试相对比较容易，在任何一个频点都能很好实现网络匹配，尤其在低频点及双频率共塔时，更显优势。
（3）天线投入使用已经一年多，期间我们进行了4次的参数测试和2次覆盖区内的实际覆盖场强收测；发现天线的阻抗数值变化比较小，匹配网络没有再调整，播出也一直很稳定；信号覆盖区内的场强稳定，优于原有76米拉线塔的播出效果；完全达到了初建时的设计要求。
四、结束语
通过76米锥面頂负荷自立式天线在榆林广播转播台的建设实践，实际验证了它的技术特点：一是采用锥面顶负荷技术，提高了天线输入阻抗；二是利用天线长细比原理，降低了阻抗变化率，提升了天线带宽；三是采用加锥顶和并馈接地技术，天线输入阻抗合理，对于不同频率不会产生大电流和高电压，安全可靠。总之，76米锥面顶负荷自立式天线是新建中波天线时较好的选择。