中波广播发射台搬迁建设时的天线选型和应用实践

2016-10-11 11:32:27王红旗
西部广播电视 2016年15期
关键词:特性阻抗输入阻抗新址

王红旗

中波广播发射台搬迁建设时的天线选型和应用实践

王红旗

(作者单位:陕西广播电视台高级工程师)

中波广播发射台新建时,天线的选型受多种因素影响,若场地条件有限,而天线高度由受到限制的情况下,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40 kHz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,选择建设新型锥面顶负荷自立式天线,实践证明是一种很好的选择。

中波天线;宽频带;顶负荷;自立式

近几年,随着城市的发展,大多数建于20世纪70、80年代的中波广播发射台的搬迁已成为常态。地址和用地规模确定后,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,下面以宝鸡中波台搬迁建设中天线的选型和应用实践为例,对笔者的一些体会进行简单介绍。

1 天线的技术要求

宝鸡中波台现担负着三套中波广播节目的播出任务,建于20世纪70年中后期,由于老台址在新建的高铁站旁,已成为城市中心区,所以实施了搬迁。新址的选择按照GY 5069-2001《中波、短波发射塔场地选择标准》及当地可规划用地限制条件,在保证原覆盖区基本不变的条件下,最后确定新址在蟠龙新区的永久绿地内。

发射天线就是一种能量转换装置,它将发射机提供的高频电流能量变成了电磁波的能量,并辐射到空间。以前的中波发射天线多采用对地绝缘的铁塔天线,其高度由工作频率决定,理论上讲1/2波长为最佳高度,也是转换效率最高的;如果发射台播出频率多,就需要建2座以上的天线,天线之间的距离最好大于所有播出频率波长的1倍,若受用地限制不能到达1倍波长以上,也必须避开1/4波长间距。下面介绍宝鸡台新址的天线选型的一些约束条件。

1.1高度受限

由于老台址原有3座76m高拉线天线,在搬迁时,受用地规模、资金、城市规划等多方因素的限制,新建的中波天线的高度受限制,只能选择建100m以下的中波发射天线。

1.2功能要求

1.2.1双频或三频共塔

中波发射天线由于地网的存在,占地面积大,宝鸡台的规划播出频率有5个(603 kHz、747 kHz、900 kHz、1 008 kHz、1 143 kHz),新址受用地面积的限制只能建2座中波天线,所以必须实现双频和三频共塔的长期稳定高效播出。

1.2.2满足数字化播出要求

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700 kHz以下的波段,播出带宽也要达到40 kHz以上,满足中波广播数字化播出的基本要求。

1.2.3天线参数受天气的影响要尽可能小

新址所在地为黄土塬上,下雨天和晴天的大地导电系数差别比较大,四季差别很大,带来的问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。

2 天线的选型

现有条件下,可供选型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,除了要确保长久高质量安全播出外,还应该尽可能地提高能量转换效率,所以高度应该尽量高一点,下面具体分析对比各型天线。

2.1各型中波天线的简要技术特点

2.1.1拉线式

底部绝缘,高度可以做到1/2~5/8波长,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,可实现双频、三频共塔播出;缺点是占用土地面积大,维护周期短,并且难度大等。

2.1.2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200 kW以上的大功率播出,塔底要铺设地网,也可实现双频、三频共塔播出;实际占地面积相对叫小,维护也较容易。

2.1.3并馈式

底部接地,优点是防雷效果好,大功率播出容易实现,塔底要铺设地网,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。

2.1.4新型锥面顶负荷天线

新型锥面顶负荷天线是近年来开发的新型天线,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,76m就可实现200 kW的大功率播出,双频、三频共塔播出实现比较容易。

鉴于以上情况,在选择宝鸡中波台两座发射天线时,我们将76m(或100m)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。

2.2传统76m自立式和锥面顶负荷76m自立式天线的阻抗对比

锥面顶负荷76m自立式天线阻抗值由设备生产厂家提供,76m自立塔阻抗值由我们对原有的天线实际测量获得,阻抗对比值及变化曲线见图1。

图1 传统自立式76米与锥面顶负荷76米天线阻抗变化图

2.3传统120m自立式和76m锥面顶负荷自立式天线的阻抗对比

120m自立塔阻抗值由我们在其他发射台的播出天线上实际测量获得,锥面顶负荷76m自立式天线阻抗值由厂家提供,阻抗对比值及变化曲线见图2。

图2 传统自立式120米与锥面顶负荷76米天线阻抗变化图

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530~1 602 kHz范围内,76m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120m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都能很好的实现阻抗匹配;在驻波比≤1.25时,带宽能达到40 kHz以上。

2.4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)该型天线利用锥面缓变原理,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λ/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(θ0/2)。

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1/2,即:Zin=Zc=60 ㏑ctg(θ0/2)。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k0h的变化都十分平缓,尤其是在2θ0接近90°时,这种天线的输入电抗在k0h>л/2以后几乎为0,其输入阻抗接近50 Ω,因而这种天线具有很宽的阻抗带宽。

因为上面所述原因,76m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40 kHz以上,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,选择在宝鸡台新址建设新型76m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。

3 天线的建设实施及效果

3.1天馈线系统建设时采取的相应措施

由于宝鸡台新址在黄土塬上,土壤电导率不高,为了降低地导损耗,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) 严格按3°一根,辅设120根,用∮3.0的硬铜线;2) 地网埋设深度也较浅,30 cm深,终端用较粗铜线连接起来;3)天线底座基础全部用铜带屏蔽,屏蔽层和塔基础四周汇流条焊接在一起;4)由于地网线的长度不到工作频率的1、2波长,所以在终端打入3.5米接地棒,并与地网焊接起来。

图3 锥面顶负荷自立式中波天线结构示意图

图4 无限长双锥和单锥的特性阻抗图

3.2工程效果

1)建成后的76米锥面顶负荷自立式中波天线见图5。

图5 实景图

2)天线建成后我们进行了技术参数的实际测量,与厂方提供参数基本一致,见表1。天线具有宽频带特性,在中波全频段,播出带宽可达40 kHz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,很好地实现网络匹配,尤其在低频点,与传统天线比更显优势;另外双频共塔和三频共塔也很容易实现。

3)天线投入使用以后,又进行了2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,远优于原有的76m拉线塔的播出效果,完全达到了设计要求。

4 结语

通过76米锥面顶负荷自立式天线的建设实践,实际验证了该型天线的技术特点:在中波广播播出的全频段阻抗变化率小,对于不同频率不会产生大电流和高电压,安全可靠;播出频带宽,完全可以满足中波的数字化播出要求;双频、三频共塔播出实现比较容易。总之,该型天线是新建中波天线时较好的选择。

表1 76米锥面顶负荷自立式天线实测阻抗

王红旗(1965-),男,陕西兴平人,本科,高级工程师,研究方向:广播发射技术。

[1]张照锋,谭立荣.电波与天线[M]西安:西安电子科技大学出版社,2012.

[2]王元坤,李玉权.线天线的宽频带技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995.

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