中波天线地网对发射效果的影响分析

刘钰毅

（广东省惠州中波转播台，广东 惠州 516007）

0 引 言

中波广播主要是以地面波为主、以夜间天波为辅来进行信息传播的。发射天线是中波广播系统重要的组成部分，其主要功能是将发射的信号转换为电磁波。天线接地网不仅可以有效减少各种环境因素对信号的干扰，而且可以提高发射系统的信号质量。

1 中波天线地网的原理和运用

1.1 中波地网的原理

地网以天线铁塔为中心，在发射场地地下铺设导线，作为天线辐射的回路。地网导线的电阻远小于大地电阻，因此在大地形成的电流通常都小于地网导线电流，这样很大程度地减少了信号在大地的损耗，从而提高天线效率。中波天线的地网主要以铁塔的底部作为中心圆心，使用直径φ2～3 mm铜导线。在数量方面需要考虑土壤地导系数情况以及相关的地形情况，还应当结合长度和高度，充分考虑地面状况和土壤性质情况。一般情况下导线长度为0.3λ～0.5λ（λ为信号的波长），很多时候其长度等于塔高。为减少地损，地网的埋设深度越浅越好，但为了保护导线，地网的深度一般在离地面0.3～0.5 m。距离天线塔底中心部位小于0.5λ的区域设置为天线电磁感应区，考虑到损耗和地网的关系，距离塔底大于0.5λ的区域一般都是辐射场，但与天线效率无关。

通常情况下，发射台都处于城市的中心位置，天线大多被高层建筑遮挡，也需要进行地网敷设，这样才可以提高发射效率。天线地网可以采用中心径向敷设模式，这样可以扩大中波发射范围，提升收听稳定性[1]。

1.2 中波地网的运用实践

以惠州中波转播台新台搬迁建设为例，介绍地网在实际工作中的运用。

惠州中波转播台新台共建设3座中波自立塔，其中2座高120 m（1 170 kHz与1 557 kHz共塔，927 kHz与1 206 kHz共塔），另外1座高76 m（1 098 kHz单频塔）。铁塔地网以中波自立塔（塔基中心）为圆心，每3°铺设一根Φ3 mm紫铜线（地网线），共120根，埋深40～50 cm，呈放射状均匀向外铺设，铺设至天线区场地边界和两塔距离中间的交界处。地网长度小于0.3λ的要在地网线的末端靠外围墙处加建简易高频地井（每12条地网线末端配置1个）。地网线之间用3个不同半径的圆环（内环、中环及外环）连接，如图1所示。

图1 惠州中波转播台地网简易平面图

在铁塔围墙和调配室外侧、铁塔与调配室之间沿着调配室墙外侧铺设10 cm×0.75 mm紫铜板，作为连接地网线与塔基回流条的地网内环，用厚10 cm、宽40 cm的混凝土固封。在地网半径30 m处设一中环，用紫铜线将所有地网线连接起来。在地网线的末端设一外环，用紫铜线连接所有地网线的末端，并与相邻地网连接。地网遇到围墙圈界的地方铺设至围墙底端，遇建筑障碍的地方绕过后继续铺设；遇水池时，将相邻12根并接后以3 mm×30 mm紫铜板埋池底深50 cm敷设，每隔6 m使用1根10 cm×10 cm×60 cm的砼柱垂直固定，离砼柱上端10 cm处开孔，用于穿孔固定紫铜板。蓄水池需使用的砼柱数量约为80根（台站有两个水池，大概面积为3 000 m2）。在地网末端加一根长度为40 cm、直径为12 mm的圆钢，将其砸入地下，以保证接地更完好。在沿外墙的地网末端，用10 cm×10 cm×60 cm的砼柱作标志，使用量约为240根。惠州中波转播台每座中波自立塔要沿天线区边缘建简易高频地井10个，具体建设方法为：挖直径1 m、深度为2.5 m的圆柱形地井，埋入Φ3 mm紫铜线焊接的直径1 m、高2 m的圆柱形铜笼，回填混合土，其中包括降阻剂50 kg和改良土1.5 m³，填充时加水并分层踏实[2]。

惠州中波转播台新台位于城市郊区，已经播出运行了3年。跟旧台相比，整个地网敷设设计更加完善，改善了播出的质量和覆盖范围，以新台为中心的45 km范围内收听质量优良，而且极大地减少了极端雷雨天气产生的天线驻波过大等故障，也避免了发射机受到雷电的侵害。

2 中波天线地网对发射效果的影响分析

天线设计、地网设计以及地网铺设质量，会直接影响发射天线的辐射功率、辐射范围以及信号质量。详细分析地网多方面因素对发射效果的影响，在地网施工中综合考虑各种因素，可以更好地提升中波的传输效果。

地网不良主要有以下表现。

（1）接地电阻增大，天线辐射能量有一部分损失在地面，造成辐射效率降低。天线发射信号时，应当考虑其辐射效率，即将天线高频电流充分地转换为电磁波能量，天线辐射效率η是辐射功率Pr与输入功率Pi之比。设天线电流为IA，辐射电阻为RA，损耗电阻为RL，则：η=Pr/（Pr+PL）=RA/（RA+RL）。由这个公式可以看出，影响天线辐射效率的因素主要有两个，分别是天线辐射电阻RA和地电阻RL（即地面损耗）。如果地网设计和铺设效果不理想，会导致接地电阻增大，造成地面损耗大，辐射效果减弱。一般接地电阻要小于2 Ω，越小越好。

（2）天线辐射的主电场与地面地电流反射副电场相位不一致，导致辐射总电场减弱。在发射空间电磁波时，一般情况下地面会受电磁波作用而产生地电流。地电流由位移电流和传导电流组成，其中电导率成正比。在天线的辐射空间里，地电流会产生再辐射，因此除了主电场外，还有附加副电场，总电场是由主电场和副电场共同叠加形成的。由于两个电场的电磁波在空间中的路径不同，因此存在很大的相位差，会使天线振幅发生波动，导致所需要覆盖的区域覆盖不了，不需覆盖的区域又可收到信号。为了减少地电流的影响，在选择新建台站地址时，除了选择平坦、湿润及导电性好的地面外，还要妥善细致地做好天线地网的铺设工作，地网可以为地电流提供良好的通路[3]。

（3）影响天线和馈线的匹配度，使阻抗不匹配，造成反射过大。天线的输入阻抗是一个复数Z=R+Xj。在天线的特性方面，阻抗与天线形状、工作频率、周围环境、地网以及季节因素有关。当特性阻抗与馈线特性相等，称为阻抗匹配。通常馈线的特性阻抗为50 Ω，天线的特性阻抗可以通过天线调配网络进行调整，使其达到50 Ω，与馈线匹配。这时天线系统的辐射电阻和损耗电阻正好吸收了发射机输出并通过馈线发送。当天馈线不匹配时，所造成的电波主要从天线系统反射回馈线以及向发射机传输，从而造成传输效率下降。因此地面环境的变化和地网会影响天线的特性阻抗，从而影响到天馈线的匹配。

（4）作为发射天线的接地端，如果地网质量不好，易造成发射机驻波过大甚至遭到雷击。如果天线接地不好，阻抗匹配容易受天气的影响，在雷雨天气，容易造成天线阻抗变化大，电波反射回发射机，从而造成驻波比过大，发射机频繁降功率，影响播出功率。天线接地不好更为严重的后果是雷电直接通过天馈线通道烧坏发射机，对广播设施造成严重破坏。

此外，发射频率会对辐射场产生较强的影响，其中地波衰减情况与波长有很大关系。相同的功率等级下，中波发射机的工作频率较低，而辐射场的抗衰减能力就会越强，覆盖半径也就越大。相反，如果工作频率较高，那么中波覆盖半径就会越小[4]。

3 地网设计与铺设的优化措施

3.1 加设地井和环形连接

目前，天线地网系统的应用过程中，主要的问题是信号的传输质量和稳定性得不到保障。设计人员可以在地网外环加设一定数量的地井，用颗粒盐、木炭等阻降剂和改良土进行埋设，更好地提升发射效率，并能实现有效的防雷；也可以在地网线之间增加两至三个圆环并连接起来，形成良好的导电通路[5]。

3.2 地网铺设施工规范

铺设地网前，施工人员要对地形环境和地质条件进行勘察，绘制出细致的施工图，做好选材工作。铺设选材需要进行严格的控制，在夏冬温差特别大的地区，考虑到热胀冷缩对地网的影响，可以选择铺设较粗的铜线。铺设地网时，各种连接点的焊接必须采用高温处理，保证焊接点稳固。由于铁塔正下方的地面的电磁场能量大，为了更好地减少衰减和损耗，在接近铁塔基座的地方铺设的地网要埋得浅一些，以提高天线的辐射效率。在地网的敷设过程中，遇到调配室等障碍物时，要绕过障碍物再分散敷设。天线地网的敷设是一项难度较大的工程，需要由专业的技术人员负责，检查天线接地电阻是否达标（小于2 Ω）。

4 地网和发射天线系统维护

4.1 对于天馈线的维护

对于天馈线的维护要做好天线地网、铁塔、调配网络以及馈线等天馈线日常维护工作，做好周检、月检、季检及年检工作。地网焊点多，埋设较浅，容易因各种原因造成断损现象。在实践工作中，维护人员需要及时有效地处理破损问题，焊接好相关的接头，检查地网外观的完整性。维护人员可利用电缆探位仪测出地网线的断损位置，测试电气特性，从而更好地做好地网维护工作。天线铁塔一般每3年深入维护一次，主要工作是矫正拉线位置的偏差，为拉锚接点和铁塔各连接点做好紧固工作并上黄油。维护人员要定期检查接地点和放电球等，测试接地电阻是否合规。对于调配网络和馈线，维护人员应利用每周停机检修时间进行巡查，特别是在夏天雷雨天气，需检查电容电感是否有雷击烧坏现象，馈线各接点是否架设稳固，杜绝因接触不良引起馈线传输效率低和发热现象。

4.2 对于发射机系统的维护

发射机维护对于中波发射系统十分重要，因为发射机是能量发射的开端。发射机对于发射信号的传输具有各种监控指标和报警信号，主要有入射功率、反射功率、调制度以及天线驻波比等，值班人员在值班巡查时要留意这些重要指标，将实时记录和之前的记录进行对比，监控异常情况。如果反射功率和驻波比出现异常，值班人员一定要及时进行检查，尽快解决问题，确保系统的稳定。

4.3 对于中波发射系统的维护

中波发射系统需要定期进行检查，还需要定期进行大范围修理，大修的时间是3～5年实施1次。整修过程最重要的是检查拉线状况，其对天线铁塔的影响比较大。在检查过程中，检修人员要检查拉线的腐蚀现象、拉线形状以及拉线破损情况。对于馈线检查，检修人员要先检查导线情况，查看导线是否有断裂或者裸露在外的情况，如果有，需要及时更换馈线。在进行全面大修检查时，检修人员需要全面和细心地检查整体中波发射系统。

5 结 语

天线地网是中波广播发射传输过程保证天线发射效率的重要因素。如果天线地网铺设不好，会导致信号发射效果达不到预期，影响广播信号的覆盖率和收听质量，还会影响传播设备的安全。因此在设计、铺设以及维护天线地网的过程中，相关人员需要根据中波的发射特点，不断地进行地网的完善和优化，减少天线的损耗，确保达到良好的中波发射效果。