论中波发射的天馈系统

李亮

摘 要：在中波发射中，我们最注重的就是发射机的三大指标。然而在我们服务的范围内，如果场强达不到要求，那受众的收音机也听不到好的效果，再好的指标也是枉然。中波覆盖场强除了跟发射机的功率有关系以外，更重要的是取决于天馈线系统，因此对天馈线系统的研究显得尤为重要。文章将围绕天线辐射、阻抗匹配等方面对中波发射的天馈线系统展开讨论。

关键词：单极天线；辐射；方向性；极化方式；阻抗匹配；传输线

中图分类号：TN838 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）29-0048-02

中波天线属于线天线中的单极天线，一般中波台采用的发射天线的形式是直立拉线铁塔和并馈式自立铁塔，天线末端连接到天调网络。天调网络主要起到天线与馈线（管）阻抗匹配的作用，同时还必须具备一定的防雷功能，如果是双机共塔，还要起到隔离作用。天调网络与发射机之间采用馈线（管）来连接。由此可见，中波发射的天馈部分主要由天线、天调网络和馈线（管）三部分组成。

1 天线部分

1.1 单极天线

单极天线是线天线的一种，所谓线天线就是其导线的长度远大于其横截面直径。天线的基本参数包括天线的方向特性参数、天线阻抗特性、天线的效率、天线的极化特性、天线的有效长度等，针对中波发射的特点，我们着重讨论单级天线的方向特性、阻抗特性和极化特性。

根据天线的方向性函数的定义，对称偶极子的方向函数为

f（？夼）=■（1）

其中l是天线的长度，k0是传播常数。

对于单极天线的分析，我们可以利用镜像法来用一偶极天线来等效。在理想状态下，天线的辐射电阻是可以直接计算出来的，比如当天线高度为四分之一波长时辐射电阻为36.5 ？赘。但是在实际中，天线的辐射电阻与馈电方式及接地平面的性质密切相关，因此更多的用测量方法确定，特别是在中波铁塔的假设中，更多的是围绕一些工程实际问题。

由于电场与磁场有恒定的关系，通常都以电场矢量端点轨迹的取向和形状来表示电磁波的极化特性，电场矢量方向与传播方向构成的平面称为极化平面。工程中常以地面为参考，电场矢量方向与地面平行的波称为水平极化波，电场矢量方向与地面垂直的波成为垂直极化波。

1.2 中波天线的特性

中波波段存在经电离层反射的天波和沿地面传播的地波两种传播模式，当电磁波沿地面传播时，损耗比较小，传播距离比较远，因此，中波发射多采用地波传播。在沿地面传播中，垂直极化波的损耗低于水平极化波的损耗，因此中波天线多采用垂直接地天线，以获得垂直极化的地面波。

当中波波段电磁波向外辐射时，天波和地波大小相近时会产生彼此干涉的衰落现象，为了克服衰落现象，要求抑制天线向高仰角的辐射。直立天线高洋教的辐射是由天线的副瓣产生的，只要天线高度h<0.5 ？姿0就不会出现副瓣。为了在避免副瓣过大的同时尽可能增大主瓣，实际经验证明中波天线高度取h=0.53 ？姿0为宜。

地面是中波直立天线的电流回路，因此地面的损耗电阻应包含在天线的损耗电阻之中。地面损耗电阻的严格计算比较困难，通常由实验方法测量而定。土壤的导电率很低，通常必须采用铺设地网的方法来改善。

1.3 直立拉线铁塔

直立拉线铁塔的塔体是有若干节截面积为正三角形的塔节组成，塔节的三根主柱为圆钢或钢管，横梁为角钢或圆钢，我台的三座铁塔的塔体都采用的是边长为800 mm的塔节。塔体由三方若干根拉线固定，拉线采用镀锌钢丝绳，为了减小拉线上的电流损耗，拉线被分成若干段，每段长度小于八分之一波长，相互之间用绝缘子相连。天线的底座绝缘，除了能承受塔体的重量一位，还要承受天线底部的对地电压，通常以1 cm的绝缘厚度最大能承受1 kV的电压来决定底座绝缘的大小。

中波天线区必须铺设地网，其重要性在上节已经讲过。地网通常由120根径向铺设的导线构成，即每3？觷一根均匀铺设，导线的直径为3 mm，长度约为0.25-0.3波长，埋深20-50 cm。这种形式的地网的损耗电阻约为2，若天线的辐射电阻以36.5计，则天线的效率可达95%。

2 传输线部分

无论是馈线（架空线）还是馈管（同轴电缆），都属于均匀传输线。在此我们引入一个名词——原参数。传输线单位长度的电阻R0、电感L0、电容C0和电导G0称为它的原参数。

均匀传输线的特性阻抗与原参数的关系是

ZC=■=■=ZCej？夼（2）

对工作频率较高的传输线，由于R0？垲？棕L0和C0？垲？棕C0，所以

ZC=■=■≈■（3）

由此可见此时ZC是纯电阻性质。

一般架空线的特性阻抗ZC约为400～600 ？赘，中波发射采用的六线制馈线就是架空线，其双线传输的特性阻抗为230 ？赘；而电缆的特性阻抗一般为40～100 ？赘，这是因为与架空线相比，电缆中的导线彼此相距较近，而且导线间的绝缘材料的相对介电常数？孜≈4～5，所以L0与C0的比值要比架空线的小，因此电缆的ZC只有架空线的1/6至1/8，我台现在用的就是特性阻抗为50 ？赘的馈管。

当均匀传输线的终端接入的负载与特性阻抗相等时，即负载与传输线相匹配时，由于反射波不存在，通过入射波传输到终端的功率全部为负载吸收，传输效率很高。但是当负载不匹配时，即负载与传输线特性阻抗不相等时，入射波得一部分功率将被反射波带回给始端电源，因此负载得到的功率将比匹配时的小，传输效率也就较低。传输线与负载的匹配，就中波发射来讲就是输入负载发射机与馈管的匹配和馈管与天调网络的匹配，因此在安装设备时一定调整好输入输出阻抗，与馈线（管）相匹配，达到最高的传输效率。

3 天调网络部分

为保证发射机的指标，载波和边带波都需要有效的发射，发射机和天馈线应在载波附近一定范围内实现较好的阻抗匹配。通常采用天调网络完成天线与馈线的匹配，并靠控制天调网络的Q值来保证滤波度和通带宽度，Q值一般在2-6之间。

天调网络不论是Г型、Τ型还是Π型，其目的都是将天线输入阻抗和天调网络综合在一起，看作一个无源二端网络，其阻抗等与馈线特性阻抗Z，从而达到天线与馈线匹配的目的。

由于调配网络所用的元器件对高频都是抗性元器件，其电抗性质是载波频率的函数，因此无反射匹配只是针对载波频率而言，对边带波自然存在一定的反射和损耗。所以从天线输入阻抗经过匹配网络等效的输入阻抗的变化，可以观察到边带波在馈线出口与天调网络入口出的反射情况，当馈线特性阻抗为Z0，终端负载ZL=RL+jXL时，反射系数为：

？籽1=■（4）

设终端负载是R、L、C串联谐振网络，串联谐振时负载为：

ZL=RL+j？棕L-j■=Z0（5）

串联谐振网络半功率带宽的边缘：

ZL=RL±jRL=Z0±jZ0（6）

则

？籽1=■=■（7）

引入匹配带宽的概念，我们将？籽1≤■的带宽定义为天调网络的匹配通带，所以匹配带宽即？籽1≤■的匹配通带的宽度。

当不考虑天线输入阻抗随频率变化时，在载波频率f0±10 KHz的范围内，天线输入阻抗相对变化量不大，采用Г型、Τ型或是Π型的天调网络，其匹配带宽都将等于串联或并联网络的通频带B=f0/Q。而调幅波是窄带信号，基本限制在f0±10 KHz范围内，因此采用各种型式的天调网络，当Q值小于6时，匹配带宽都能得到满足。

4 天馈系统的防雷

雷电的破坏力是极大的，当发生雷击时，其电流脉冲峰值可达22 kA，脉宽为20～100 ？滋s，脉冲上升时间为5 ？滋s，它放电的最高静电压可达20 kV。

4.1 放电球装置

天线与天调网络之间需加装石墨放电球装置，放电球的间隙调整一般按照1 mm=1 kV。放电球是按天线上电压的峰-峰值调整间隙的。

在放电球接地端上，穿套上50只左右的磁环，磁环的特征频率在1.5 MHz左右。发射机正常工作是不起作用，当遭受雷击时，在发射机保护动作以前可以提高发射机的短路阻抗，降低发射机的停播率，因为雷电的主要能量是直流和低频特性，它不会影响雷电的接地通路。

4.2 微亨电感、隔直电容

天线并接一只微亨级电感L0到地。L0电感的并入，是雷电脉冲前沿更陡（电感上电压不能突变），通过放电球入地，另外部分能量也会通过L0入地。同时还要考虑它对天线阻抗的影响，需要把L0和天线阻抗一起等效为一个新的阻抗。

考虑到天线遭受雷击时，还有一部分能量会经馈线去发射机，为此还要加装一个隔直电容C0，一般容量选择在1 000～2 000 pF。当发射机输出功率来越大时，C0选用的伏安量也应该越大。

4.3 移相网络

还可以加入移相网络，它的作用是在保证阻抗匹配的前提下，使铁塔基部和发射机出口处的相位差为180°的整数倍，这样在塔基短路时，发射机出口处也是短路状态，这样就有效的防止雷击对供方管的损坏。

综上所述，天馈系统在中波发射中占有很重要的地位，直接关系到中波发射的覆盖效果。随着人民生活水平的提高，广大受众的品位也在不断提升，只有好的效果才能吸引到更多的听众。维护、改进中波发射的天馈系统，能够保证传播效率，提高广大听众的收听质量，更好地保证安全播出。

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