自立式中波小天线新技术的运用与建设

王连发

（作者单位：张家口109转播台）

张家口109转播台因市政建设，原天线场区将被占用，需在发射台区内新建一座中波发射天线，规划天线场地位于发射机房东北角落，面积仅有300 m2。为了解决这一问题，张家口109转播台于2013年采用了成都凌风天线设备有限公司生产的48 m绝缘自立式中波小天线，双频共塔播出中波频率603 kHz与1 278 kHz，发射功率均为10 kW。同时，配合使用电磁耦合并联谐振双回路调配网络，展宽了天线的工作带宽更宽，提高了带外衰减，有效防止了张家口109转播台或临近台其他频率之间的相互串扰，投入运行以来,已正常稳定工作五年多。下面就张家口109转播台对中波小天线应用建设和技术特点进行阐述。

1 中波小天线结构及特点

绝缘自立式中波小天线根据109转播台的地质、气象条件，参考国家《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001而设计。天线主体采用自立式钢塔结构，截面为正方十字形，自下而上逐渐变细，顶部呈倒伞状，无拉线、维护简单；底部采用直放式陶瓷绝缘组合基座专利技术与地绝缘；天线地网半径小约6 m与防雷地网和机房高频地统一连接构成了一张综合平衡接地网，有利于防雷；馈电采取单极非平衡馈电，天线使用频段为531～1 602 kHz，可承受1～50 kW发射功率。

1.1 中波天线绝缘结构处理

对于绝缘自立中波小天线塔体中最为关键的高频陶瓷绝缘柱，它是铁塔安全的重要节点，必须严把质量关。张家口109转播台中波小天线采用宜宾七九九陶瓷厂研制出的高性能专用高频优质陶瓷，并送至权威检测部门进行过质量检测。因此使用的高频陶瓷柱的强度及稳定质量具有根本保证。在以往自立式绝缘中波天线的绝缘基座通常采用一组高频陶瓷柱上下对扣并采用穿心螺杆连接的方式组成，为了承受塔体自身重力和风荷载，陶瓷件一般均做得大、笨、重，这给安装或更换带来很大麻烦，施工工期较长且工序繁琐，安全风险也较大，检修更换时停播时间也长。为了解决上述问题，张家口109转播台中波天线采用了具有专利技术的直放式陶瓷绝缘组合基座，该基座具有如下优点。

（1）直放式组合陶瓷绝缘基座将传统采用的单体大陶瓷柱分解为由4～6个小高频陶瓷组件组合而成。在使用中，单个高频陶瓷可以直接插拔放入基座，检修用更换非常方便。从抗压强度看，单个陶瓷柱件即可承受天线相应的垂直压力，4～6个陶瓷柱组合后则更加保障了天线的强度安全。高频陶瓷组件在施工时可使用方便，且体积小、重量轻，更易于搬运、安装，有效地缩短了施工周期。

（2）直放式组合陶瓷绝缘基座中设计的一组基座底板，可方便调节水平度，保护陶瓷垂直面均匀受力，避免了陶瓷因受力不均而产生的损坏；同时降低了对基础的要求，避免了因基础浇筑的误差而导致的返工。

（3）直放式组合陶瓷绝缘基座中增设的安装检修螺栓，保障了安装过程中高频陶瓷的安全，同时使绝缘基座的检修、更换更加便捷、快速。由于检修螺栓可承受天线塔体的垂直压力以及其他荷载力，因此在维护时，对天气的要求大大降低，避免了因天气等原因而导致的不能施工。

1.2 中波小天线工作原理及特点

中波小天线是在传统λ/4拉线塔的基础上演变而来，通过加顶、加粗天线直径而缩短天线高度，天线高度一般为45 m，地网占地面积225 m2，调配房占地面积约36 m2。天线体做成四边形塔体，顶部做成指数曲线或高斯曲线锥体，其等效电路仍是一种串联谐振电路如图1（a）所示，天线结构如图1（b）所示。

图1 小天线结构及工作原理

天线由曲线锥形振子顶A和塔体L以及接地板（地网）B和馈电箱K组成。曲线锥体振子顶由金属导体制成,直径为4～10 m。塔体L由角钢制作，接地板B采用直径为10 m的地网或10 m×10 m的金属板焊接而成。天线钢塔结构由绝缘座支撑，并通过设计的匹配网络K馈电。

该天线为非平衡单极馈电，电流经由天线振子与其镜象形成对称曲线振子分布，在空间辐射能量。该天线为垂直极化天线，主要传输地波。

天线是由振子与其镜像在空间形成辐射，因此，可以改变天线振子形状而改变天线辐射场形，图2（a）和（b）计算的是张家口109转播台48 m中波小天线水平辐射场和垂直辐射场方向性图。

图2 （a） 张家口109转播台48 m中波小天线水平辐射场方向性图

图2 （b） 张家口109转播台48 m中波小天线垂直辐射场方向性图

1.3 中波小天线的特点

（1）天线采用了实用的自立式钢塔结构，无拉线、维护简单，可依据我国各地的不同地理及气候条件因地制宜设计中波塔的抗风、抗震强度。天线采用热浸锌钢结构制作，具有防腐性好、可抗台风、抗强地震以及使用寿命长的特点。

（2）馈电采取单极非平衡馈电，解决了中波小天线实现双频共塔的难题。网络采用阻塞、双并谐匹配、陷波等复合技术，保证了天线技术指标的先进性和设备性能的稳定性，温度适应范围在-40～+50 ℃，驻波比带宽更宽。在选择频率的情况下还可实现三频共塔。

（3）根据频率选定塔身高度，天线的高度范围在1/6λ～1/12λ，无需铺设传统天线式的大型地网，占用土地面积小（100 m2）。天线顶端振子形状可根据用户需要选用直锥形、曲线锥形和高斯曲线锥形等三种形式，可使天线同周围建筑物相互协调，个性而美观。

2 中波天线配套设施建设

中波天线配套设施建设包括地网敷设、调配房修建以及防雷接地工程等。

2.1 调配房建设

调配房利用基础柱而建，墙体采用普通砖垒砌，调配房总体面积约36 m2，并根据现场具体情况确定门的方位。调配房屋顶采用现浇筑，为便于排水，需向后倾斜5°伸出后墙体200 mm，房顶做防水处理；室内地面C15混凝土，厚150 mm；调配室四面安装屏蔽网，材料为铜网；楼顶中心位置线位置方处开一400 mm×400 mm的孔作为天线引下线入孔。

2.2 中波天线地网建设

地网线以中波小天线塔基中心为圆心，埋设一块1 m×1 m的铜板作为中心地板，并在铜板四周放射状焊接120根长约30～70 m的Ф3铜线形成工作地网，埋深约为30～50 cm。地网末端环连，每根铜线的内外环接点最好用氧气加铜焊条焊好，如图3所示。

图3 地网建设示意图

2.3 防雷系统建设

防雷接地网采用水平接地体及垂直接地体相互连接而成，并在对角线上加装防雷接地装置，接地装置采用角钢和扁钢焊接制作，大小规格为500×500×2500，埋深 4 m，置于冻土层以下，接地电阻不大于4 Ω。天线防雷接地应与机房防雷地相连接，形成统一的均衡接地网。水平接地体选材规格不低于扁钢40×4，垂直接地体为2 m∠50×4角钢。接地体采用热浸锌表面处理。当接地电阻不够时，可增加一条或多条接地装置，并用水平接地体进行环形连接。

3 调配网络

中波小天线由于阻抗低难于匹配，因此调配网络采用了成都凌风公司新型电·磁耦合双回路型调配网络技术，在驻波比VSWR≤1.20的情况下，可使603 kHz的工作带宽达到9 kHz以上，1 278 kHz达到30 kHz以上。根据实测天线阻抗，设计的电·磁耦合双回路型调配网，其工作原理如图4所示。

图4中L0为微亨级防雷接地泄放线圈；L1与C1、L5与C5并联谐振形式分别构成对12 781 kHz与603 kHz的阻塞网络，C2与C3为隔直电容，加强网络的防雷作用；L3、L4、C3、C4、与CM1构成603 kHz的电磁耦合双并联调配网络，完成对603 kHz的阻抗匹配；同理，L7、L8、C7、C8、与 CM2构成 1 278 kHz的电磁耦合双并联调配网络，完成对1 278 kHz的阻抗匹配。

本网络中L0为防雷接地泄放线圈，C2、C6为隔直电容，L3、L4、L7、L8、均为微亨级电感接地，因此，本网络具有多重防雷泄放作用，防雷效果极佳。

调试完成后各频率驻波比测试曲线如图5所示。

图4 电·磁耦合双回路型调配网工作原理

图5 各频率驻波比测试曲线

与传统的调配网络相比，电·磁耦合双回路型调配网具有以下优点。

（1）使各频率的工作带宽得到实质性提高。与传统调配网络相比，新型调电磁双耦合双回路调谐技术采用双调谐技术，其工作带宽比传统调配网络的工作带宽增加2倍左右，大大增加了天馈网络的工作带宽，使发射系统工作更稳定。

（2）使各频率的载频驻波比达到最佳。由于采用电·磁耦合双回路型调配网络技术使各频率具有足够宽的工作带宽，而不需要牺牲载频驻波比来满足工作带宽的需要，因此，各频率的载频驻波比可以达到1.05以下，满足招标文件提出载频驻波比小于1.05的指标要求。

（3）实质性地增强了防雷效果。一般情况下，中波天线属于区域中最高建筑物，极易遭受雷击，而绝缘自立式中波天线与大地隔绝，当遭遇雷击时，天线自身不能为雷电流提供有效的泄放通路，而只能依靠调配网络提供的通路进行泄放，因此，绝缘自立式中波天线的防雷主要取决于调配网络的防雷效果。传统网络对于防雷一般采取的是加高频扼流接地线圈，这种方法能解决一定的雷电问题，但当高频扼流接地线圈不能完全泄放或泄放不及时时，雷电流仍可能通过调配网络传送到发射机，造成设备损坏。而新型电磁耦合双回路调配网络采用电磁耦合原理，具有物理隔离雷电流作用，使天线端与发射机之间形成物理隔离，同时，调配网络多处使用微亨级电感线圈接地以及电容隔直，对雷电流进行多级泄放和设防，因此，能更好地解决天线防雷问题。

（4）提高了抗电磁干扰能力。电·磁耦合双回路型调配网络具有较强的抗干扰能力。当前，中波台已不是传统意义上只发射中波频率的中波台，除发射多套中波频率以外，还兼顾短波及调频电视节目的发射，很少有单频工作的，因此，常常出现各频率之间相互串扰的问题。传统的解决办法是在匹配网络后面增加陷波吸收网络，如果出现多个频率之间的串扰，则需增加几套吸收网络，从而增加元器件的使用量，造成网络损耗加大。在当前信息化高速发展，干扰源增多，电磁场日益复杂，同时临近台站发射频率常常出现晚上通过天波相互串扰的情况，采用传统方式已不能很好地解决这些问题，而新型电磁耦合并联谐振双回路调配网络采用两级变换，波形平坦，具有良好的矩形宽带特性，带外衰减也大大提高，从而有效减少了本台或临近台其他频率之间的相互串扰问题，实质性提高了调配网络要求的抗电磁干扰能力。

4 结语

通过上述中波小天线一系列新技术的运用，张家口中波台中波小天线工作正常稳定，在满功率状态下各项指标均达到甲级。通过场强测试近中远场区场强衰减平稳，效果满意。在开阔地带，与使用传统桅杆天线的场强基本一致；在山区地带，小天线的场强略逊于其他天线。总之，小天线具有结构简单、占地面积小、便于维护等特点，结合电磁耦合双回路调配网络技术的运用，提高了各频率的工作带宽，增强了防雷能力，减少外来的电磁干扰，整个天馈系统运行更加稳定，确保了安全、优质、不间断的播出。因此，中波小天线建设和新技术在的应用，彻底解决了张家口109转播台场地小、土地使用紧张的难题，具有广阔的市场前景和推广价值。