中波锥面顶小天线及其应用研究

楚红明

（作者单位：河南广播电视台104台）

1 中波天线最佳高度的分析

中波传统天线大部分采用垂直铁塔天线，天线顶端开路，底端用绝缘瓷柱与地隔离，铁塔底部以铁塔为中心用铜线辐射状向外铺设0.3～0.5 λ长度的地网线，与铁塔构成一个开放的电容器结构，可以无方向性的向外发射与地面垂直的电磁波，如下图1所示。

图1 传统拉线塔

对于中波而言，由于其波长187 m＜λ＜566 m，所以天线的横向尺寸无论如何都小于其发射波长。这样就可以把天线当作细导体来看待。其上的电流分布计算可以近似为：

I=I0sink(h-z)

单塔天线的辐射场强是天线上各段电流的辐射场强的矢量和，主要由波腹附近的电流起作用，其他部分电流的影响较小。所以，增加天线的高度就可以将电流的波腹向上移，增强辐射效果，从而达到更远距离传播的要求。而经过研究表明，天线高度并不是越高越好，当天线高度超过0.625λ时，在近距离就会产生天波干扰，经过试验，最合适的天线高度为0.53λ，所以，0.53λ高度的天线也称作抗衰落天线。

图2 电流分布图

2 增加天线高度的方法

增加天线高度的方法有两种。

2.1 增加天线的物理高度

对于中波天线低频段来说，要想达到理想的0.53λ天线高度。需要架设200～300 m的天线高度，天线的架设及维修有很大困难。

2.2 增加天线的有效高度

天线的有效高度定义为：一个电流分布不均匀的天线高度如为h，用一个沿天线具有均匀电流分布的电基本振子天线等效，与h对应的有效高度就为h0。

其中，I0一般取输入点的电流值或者最大电流值。

由定义可知，当天线的有效高度越高，天线的辐射能力越强。

等效高度与实际高度对比如图3所示。

图3 有效高度图

由以上阐述可知，实际高度与有效高度产生差别的原因是实际天线上电流分布不均匀造成的，正是因为电流分布不均，导致天线的辐射效率降低。

为提高天线的效率，就要改善天线上的电流分布，使其分布均匀。改善天线上的电流分布，可以采用顶部加载的方法，即在天线顶端增加电抗负载或扩展状枝干以增加天线的有效高度。有效高度增加了，电流驻波腹部也就随之升高，天线发射也就得到了增强，节目也就可以传输得更远。天线加载前后电流分布示意图如图4所示。

图4 加载前后对比图

可见，天线加载后，改变了天线的有效高度，等效于加高了实际天线高度。

3 76米双锥式中波小天线原理分析

第一，利用锥面缓变原理，降低终端反射和谐振频率，在塔高一定的条件下使天线的有效高度增加，也不影响天线的效率，如图5所示。

天线顶端正置一开口向上的，椎体长度为7 m的锥面体，一方面由于电波的缓变效应，减小了天线上端的反射。另一方面，锥体与地之间产生了一定的容抗，这就使天线的谐振点下移，从而使同样波长的发射所需要的最佳天线高度大大降低。经过测算，7 m的锥面体加上竖直塔体，其有效高度相当于原96 m直立塔塔高。

第二，利用天线的长细比原理，降低阻抗的变化率，提升天线带宽。我们知道天线的特性阻抗越大，天线的带宽就越宽，就越能更好地匹配不同的发射频率；特性阻抗越小，天线的阻抗带宽就越窄。根据天线的长细比原理，振子天线的特性阻抗主要取决于长细比α，即α=2ln（2h/r）。其中，h是天线振子臂的长度，r是天线臂的半径。α越大，天线的特性阻抗就越大，因此，在同样长度条件下，较粗的天线具有较宽的工作带宽。

第三，利用套筒天线理论，调高输入电阻和辐射电阻，降低阻抗变化率，从而提高小天线的带宽。套筒内发射体的电流和套筒内壁电流反相，起到了传输线的作用，套筒外壁电流和内发射体的电流同方向，也构成了辐射体的一部分。这种结构不仅提高了天线的机械强度，而且由于振子加粗，明显改善了天线的特性阻抗，有效拓展了天线的工作频带。

理论分析和实验都证明：套筒式单极小天线的上辐射体长度为L，套筒长度为l；内辐射体的直径d，套筒直径为D。当l/L=2.25时，套筒天线方向图在4：1频带范围内变化最小，并可使天线的旁瓣电平最低，所以通常认为l/L=2.25是套筒单极子天线的最佳长度。实验表明，如果加粗上辐射体的直径，则可进一步降低高粗段旁瓣，一般认为D/d=2∽39是最佳值，天线的输入阻抗为：Zc=60lnD/d。

图5 锥面体小天线

4 锥面顶天线与传统天线场强的对比测试以及主要技术性能指标。

10 kW锥面顶负荷天线和原拉线天线场强对比测试数据如表1所示。

表1 两种天线场强测试数据的对比

由以上阐述和数据我们可以看出，新型锥面顶天线已经具备了代替传统拉线天线的完备功能，而且还具有占地面积小、塔高不高、便于维护等很多优点，所以，锥面顶天线代替传统天线已经是必然的发展趋势。