锥形套筒小天线发射效率的加顶改造方案

孙　里　王　鹏

1.2.内蒙古新闻出版广电局包头广播发射中心台　内蒙古　包头市　014010

1　概　述

随着广播发射台发射频率的增多（因天线场地面积限制），发射台新建设的中波天线多数采用小天线方案，其机械高度在32～38米之间。由于其地网最大长度在50米以下，相较于76米桅杆天线，占地面积减少了60%，节约了大量的场地资源。小天线使用倾斜导体制作锥形顶负载，增大了对地电容分布，天线顶端电流不为零，进而达到增高天线有效高度的目的。在近年的建设使用中，小天线的优势在于建设成本低、建设周期短，以及较高的中波频段良好的辐射服务范围。

小天线能在较高的中波频段发挥良好的性能，但在较低的中波频段，由于其几何高度的限制，辐射效果不尽理想，增大了调配网络设计的难度和网络器件的工作负荷。比如，发射台播出的675KHz在使用锥形小天线后，经常性出现发射机反射功率增加，天线零位增大的现象。排除发射机、调配网络等因素外，测量发现该频率在小天线上带宽较窄，天线Q值较高。对此，提出一套新的加顶改造方案，并应用于实际工作。通过测量对比数据进行分析，该方案达到了提高工作带宽和发射系统工作稳定性和效率的目的。

2　理论分析

中波天线的有效高度同工作波长相近时，电磁波能够有效辐射，工作效率最高。因垂直桅杆天线可以等效为一个单偶极子天线（设其长度为L），天线对地镜像后，其有效高度可等效为2L。当天线高度在半波长时，辐射效率最佳，最低高度也要达到四分之一波长。为了提高低频率（波长较长）段的辐射能力，需要提高天线的有效高度Le，如图1所示。

图1　天线的等效高度

对于38米锥形小天线，天线振子电长度相当于76米拉线塔的高度，但是，当工作频率低于950KHz时（四分之一波长为79米），38米套筒中波天线振子有效长度明显偏小。尤其是小天线高度低至32米时，天线上的最大电流点下移，使天线实部阻抗R降低，因此辐射效率也较低。对于调配网络需要匹配的天线输入阻抗，当实部R较低，虚部阻抗X较大时，天线Q值偏大，造成了工作频率中心点阻抗与边带阻抗相差较大，也就是在950KHz的中波带宽内，驻波比曲线不平坦，边带驻波比升高或偏移。天线带宽窄，造成发射机工作不稳定，出现高音频调制反射功率增大的情况。随着季节和温度的变化，天线高频接地电阻发生变化，引起天线阻抗发生变化，天调网络失配，使机器反射增加，天线“零”位增大。

解决上述问题的方案是在不增加天线几何高度的前提下，沿天线顶端连接一条导电体，呈折线形式固定到天线一侧，相当于在锥形加顶端再延伸一段辐射体，增加电长度，通过改变天线上的电流分布，提高最大电流点在天线上出现的位置，从而达到增大天线输入阻抗，提高辐射电阻，进而提高天线的有效高度。这项加顶加载方案，当在中波低频段工作时，可以使天线电流分布从驻波变为行波，从而达到了增宽天线工作频带宽度的目的。

3　工程实例

天线加顶采用有辅助固定杆实施方案：图2左侧为锥形小天线侧视图，右侧为加顶拉线辅助固定杆侧视图。辅助固定杆基础及辅助固定杆地锚需要在天线加顶安装前制作。对于频率675KHz天线加顶，其辅助固定杆基础中心距离天线塔身中心位置40米，在建设中，尽可能不破坏原有的地网结构，保障天线近场区电流回路通畅，同时，避免辐射场型发生较大的变化，如图2所示。

天线加顶线长100米，采用25#钢绞线，从小天线锥形底部，经辅助固定杆B、塔身中部固定环C，与塔基D相连。其中，A点与天线锥形加顶底部直接连接，作为加顶线的起点。

在B、C、D点作为加顶线的折线固定端，尽可能在有限天线场地面积内实现较长的加顶导体连接，以上连接点使用高强度绝缘棒固定连接，使加顶线与天线塔身及大地绝缘。

图2　有辅助立柱加顶改造侧视图

该副锥形小天线加顶改造前，675KHz天线底部输入阻抗为5.84-j143.63Ω，Q=24.6，改造后阻抗为36-j206.9Ω，Q=5.74，其输入阻抗的实部有了明显的提高。

结束语

目前，运行中的锥形套筒小天线塔高多数为32米，不考虑其顶部容性加载的情况下，电长度相当于1172KHz（波长256米）的1/4λ振子，故低于该频率的发射频率其辐射电阻较小，发射效率较低。因此，采用再次加载的方式，改变天线上电流的分布情况，从而提高天线有效高度，增加工作频带宽度，提高阻抗的稳定度。通过工程实践，此项改造可增加工作带宽2～4KHz左右，进而改善天线在高音频、高调制时工作的不稳定性，提高发射系统工作效率。