中波转播台天线系统性能优化设计与实施

吴 杰，李天琦

（1.辽宁朝阳三二八转播台，辽宁 朝阳 122000；2.上海大学，上海 200444）

0 引言

传播媒介离不开广播电视，中波转播台是无线广播网中波信号的重要传输平台之一。中波转播台传输设备主要包括发射机、阻抗变换器及天馈线系统，天线系统的质量会直接影响播出信号的质量及其传输节目的覆盖面[1]。工作环境处于室外的发射天线，因转播台场地原因，大多数不备有备用天线，如果出现故障会造成节目长时间停播。

为了确保天线系统能够稳定运行，需要定期对天馈线系统进行维护以及指标测试[2]。针对发射机易发生的天线驻波比故障、天线零位数值过高、地网对地电阻过大、发射天线雷雨天气放电现象等问题，对天线系统进行相应的改造与优化设计是行之有效的解决方法。本文阐述了天线性能优化设计方案，并结合具体案例分析了方案实施的结果。

1 卫星天线性能优化设计与实施

1.1 卫星天线接收信号原理

卫星天线即卫星接收天线，俗称 “大锅” ，是一个金属抛物面，主要由天线、馈源、高频头、卫星接收机组成，如图1 所示。卫星天线将卫星传来的微弱信号反射到馈源和高频头，对信号进行放大、变频、滤波处理，再经过馈线传递给卫星接收机，以获取要播出节目的信号[3]。

图1 卫星天线结构

1.2 卫星天线的优化设计与实施

1.2.1 卫星天线位置及天线类型选择

为了更好地接收到卫星信号，卫星天线要安装在视野开阔、无高大建筑物遮挡且远离噪声源的空旷地最高处。工作中使用的天线口径理论上来说越大越好，因为天线的直径越大，所接收的信号强度就越强。但考虑场地、运输、安装成本等因素，实操中要求在满足接收通信卫星基本要求的前提下天线直径规格应尽量小。在具体工作中，各台站可根据实际情况选择合适口径的卫星天线。

一般情况下，通信卫星要求地面接收站的G/T 值不小于26 dB·K-1，故对于C 频段（3.7 ～4.2 GHz）卫星接收天线需使用较大口径的正馈天线，一般选择直径为1.8 ～6.0 m 的天线。Ku 波段（11.7 ～12.2 GHz）的频率较高，卫星天线口径可小于1 m。例如，使用0.35 m 天线就能接收中星9 号的电视节目。

1.2.2 合理选择高频头

高频头是卫星天线的核心部件，将馈源传输来的信号进行解调、放大、变频、滤除杂波后，经电缆线送入卫星接收机。卫星天线一般选用本振频率稳定度高、本振相位噪声小、动态增益大的高频头[4]。

随着第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技术的发展应用，紧邻5G 基站的转播台站C 波段卫星天线的信号易受到干扰。针对这一问题，可安装使用抗5G 干扰的高频头，或在高频头前增加过滤5G 干扰装置。

1.2.3 选择合适的馈线长度

连接抛物面天线和室内卫星接收机的馈线越短越好，馈线过长会衰减信号。例如， “辽宁之声” 的信号有段时间出现卡顿现象，经故障分析排查，原因正是连接天线和卫星接收机的馈线过长。将绕行的馈线改为近距离连接，即可正常接收卫星信号。选择合适的馈线长度对接收卫星信号十分重要。

1.2.4 定期维护

在日常工作中，应通过检测卫星接收机信号的强度，监听伴音的音质、响度，定期或不定期微调天线，使其始终处于最佳的工作状态。在雷雨雪天气，特别是北方的冬季，要及时清理金属抛物面和馈源上的雨雪，以免雨衰、雪衰造成接收信号衰减或中断。为防止反射面长期风吹日晒雨淋造成掉漆、腐蚀，应定期对金属抛物面涂漆[5]。

2 发射天线系统性能优化设计与实施

2.1 发射天线及其作用

发射天线是将导行波模式的射频电流或电磁波变换成扩散波模式的空间电磁波的转换器，中波转播台发射机的输出功率依靠发射天线才能有效地辐射出去。发射天线具有两个作用：一是把传输线上传的高频电磁能转化为自由空间的电磁波；二是集中能量，减少其他方向的能量损耗。

对于中波转播台来说，发射机输出的高频信号能否高效地辐射出去，与天馈线系统的性能密切相关。如果天馈线系统的天线质量不达标，播出的声音信号会出现强度弱、失真、噪音大、有串音等等问题。在雷雨雪等极端天气下，如果天线性能不好，天线驻波比过大将引发发射机功率降低，甚至导致关机故障。因此，发射天线系统是中波转播台站安全播出的一个重要环节，除日常维护，对长期运行的天馈线系统进行性能优化设计也是转播台工作的重中之重。

2.2 发射天线的基本参数

2.2.1 天线的极化方式

发射天线是辐射电磁波的器件，天线极化就是指天线辐射电磁波时形成的电场强度方向，其线极化可分为水平极化和垂直极化。当电场矢量平行于地面时为水平极化，此时电波称为水平极化波；电场矢量垂直于地面时为垂直极化，电波称为垂直极化波[6]。水平极化波贴近地表面传播，由于大地对波有吸收作用，会使电场信号迅速衰减。而垂直极化波不易产生极化电流，信号衰减慢，可以保证信号传输质量。在无线广播通信中，一般采用垂直极化的方式。

2.2.2 天线的方向性和天线增益

发射天线会向空间中辐射电磁波，但不同的方向上天线辐射电磁波的能量不相同，即天线具有方向性。天线的方向性是指天线辐射的能量集中在期望方向上的程度，可以用方向图表示，如图2 所示。

图2 直角坐标系天线方向图

天线增益是用于定量描述天线把输入功率辐射出去的程度的指标，是天线的重要参数之一。在输入功率相同的情况下，实际天线和理想天线在空间同一点处的功率密度之比即为天线增益。天线增益与天线方向图密切相关，方向图主瓣越窄能量辐射越集中，副瓣越小，能量分散越少，增益越高。

2.2.3 天线输入阻抗与天线驻波比

天线和馈线的连接处称为天线的输入端或馈电点。对天线来说，天线输入端的电压与电流的比值则称为天线的输入阻抗，表达式为

式中：Rin为实部，称为输入电阻；Xin为虚部，称为输入电抗；U和I分别为天线输入端的电压与电流。

天线的输入阻抗与天线本身的结构形式、尺寸、工作频率、馈电点位置及工作环境等因素有关。当天线的输入阻抗和馈线的特性阻抗不匹配，即天线输入阻抗等于馈线特性阻抗时，会在馈线上产生反射波，称为驻波比（Standing Wave Ratio，SWR）。SWR 就是馈线上的电流（或电压）最大值与电流（或电压）最小值之比。

SWR 是天线及发射机是否能够稳定工作的电气指标，对于发射系统而言，SWR 越小，反射功率越小，能量传输效率相对越高。一般情况下，移动通信天线的SWR≤1.5，单频工作的中波天线SWR≤1.1。

3 中波发射天线优化设计的关键因素

发射天线类型的选取由天线工作频率决定。在天线的优化设计中，天线的方向性、天线增益、输入阻抗、SWR 及带宽都是决定天线性能的关键因素，在具体实施过程中要考虑天线高度、天线结构、地网和馈线系统的铺设，调配网络的匹配等问题。

中波天线是中频波段的传输设备。中波广播的 频 率 为526.5 ～1 606.5 kHz，波 长 为567.0 ～187.3 m。中波工作的频率低，波长比较长，不易受到建筑物的影响，根据这个频段的电波传播特性，中波能以表面波（地波）和天波的形式传播，中波转播台采用垂直极化天线。以前常用T 形发射天线和倒L 形发射天线，发射效率低、效果差，现在逐渐被自立塔天线或桅杆式单塔天线取代。

4 天线优化设计方案的具体实施案例

辽宁朝阳三二八转播台为中波转播台站，转播的两套工作频率在600 ～900 kHz 的节目采用双频共塔的方式发射，工作频率之比为1.25，满足双频共塔的两个发射频率之比不小于1.25 的要求。在日常维护检测中发现发射天线存在以下问题：第一，天线地网对地电阻过大，近10 Ω；第二，发射机面板显示屏电压驻波比经常亮红灯；第三，天线零位过高，最高纪录达12.9；第四，遇到打雷天气，发射塔的放电现象比较严重。基于以上问题对发射天线实施优化改造，具体从以下5 个方面实施。

第一，采用76 m 拉线桅杆式单塔天线。塔身由若干截面为正三角的塔节组成，带三方向拉绳，底部绝缘。桅杆钢材采用Q355C 钢，绝缘子均采用能承受雷电激发的静电场影响的高频瓷，拉线塔基础为独立基础，地锚为板式锚。

第二，地网应与塔底的地井良好连接。地网线每3°一根，深埋0.3 m，均匀铺设到铁塔周围的接地铜带上，锡焊牢固。地网线、铁塔地线及调配室接地线均采用电气连接，以确保其接地良好。

第三，在塔座底部的绝缘子上并联避雷器作为防雷措施。石磨放电球的间距调节到2 cm，如图3所示。

图3 基础屏蔽与放电球装置

第四，铁塔天线的拉绳用高频绝缘子隔开，分段连接，减少感应电流的二次辐射对铁塔的影响。

第五，桅杆优化设计改造之后，对天线的调配网络进行测试，使输入阻抗与馈线的特性阻抗相匹配。天线调配网络参数的变化大多由电感元件线圈带动引线电感产生，配合网络测试仪微调电感线圈，使天线输入阻抗与馈线的负载阻抗匹配，最终确定参数。

5 结语

随着科技的不断进步和对节目质量要求的不断提高，天线系统优化设计及实施已成为必然趋势。辽宁朝阳三二八转播台的天线系统经过优化设计和改造后，性能得到极大改善。实践表明，该方法具有一定的有效性，可以为中波转播台天线系统的设计改造提供参考。