76米锥面顶负荷自立塔式宽频带中波发射天线的结构和特点

游航 李望

【摘要】传统的中波发射天线为桅杆式拉线天线，结构简单，但地网占地面积大，为节省土地资源，目前国内许多发射站采用中波自立塔的方式覆盖。自立塔有串馈式、并馈式等多种形式。本文重点介绍分析了76米锥面顶负荷自立塔式中波发射天线的结构和特点。

【关键词】中部传输；锥面顶负荷；中波自立塔；结构；特性

中图分类号：TN929                           文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.004

2021年某市中波转播台因发射场区土地置换，原76米拉线天线需更址迁建，原天线承载省台农村广播747kHz/10kW和经济广播972kHz/10kW的发射覆盖任务，新規划改建需增设实验频率1557kHz/10kW覆盖项目，由原双频共塔规划设计为三频共塔。考虑到新规划建设土地面积较小，且占用了中波频段低、中、高三个频点区域，对天线的要求较高，为实现上述目标任务，其规划建设的重点及难点是：新塔建设选址论证；发射天线的选择与建设；三频共塔天调网络设计；中波多邻频干扰抑制及系统联调联试等。经技术论证，选用了76米锥面顶负荷自立塔式天线，其地网半径10～15米，占地面积较少，在完成天线迁建后，三个工作频率均可满足技术要求稳定达标运行，其天线如图1、图2所示。

1.中波传输的理论基础

通信中电磁波按波长分类，频率300kHz～3MHz为中频电波，中波在空间可以用地波或者天波方式传播。地波传播时波长较短，地面损耗大，绕射能力差，所以传播有效距离短。又因为中频频谱在电离层临界频率以下，电离层也能反射中波频谱，即天波传播。在空间电离层中，D层离地面约60～120公里，E层离地面约90～160公里，大气稠密，电子、中性粒子和离子碰撞频繁，电波在这衰减严重。因此白天D、E层吸收作用大，不能有效反射。夜晚D层消失、E层电子浓度减少，吸收显著减小，天波传输能力增强、辐射距离远远超过地波。

2. 天线结构特点及原理

天线高度76米，天线类型为四边形自立式钢管，角钢组合结构形式，天线防腐为热镀锌，天线体为四边形自立塔结构形式，上锥体为不锈钢立体结构（采用特制202不锈钢结构），下锥体采用热镀锌结构，结构合理科学；塔体通过中间并联接地，防雷效果好，图1中在塔高50米左右设并联接地；天线底部绝缘子材质为特种陶瓷，绝缘装置设计合理，安全可靠，更换便捷；采用Solidworks软件设计，无线结构美观。地端口，其接地高度根据实际情况可调整，从而改变天线特性阻抗值。

根据天线的长细比原理，振子天线的输入阻抗随电长度而变化的剧烈程度主要取决于天线的特性阻抗。振子天线的特性阻抗主要取决于长细比Ω，即Ω=2ln<2L/a>，其中L是天线振子臂的长度，a是天线臂的半径，Ω越大，天线的特性阻抗就越大，因此，在同样长度条件下，粗振子天线具有较宽的工作带宽。该天线顶部锥体结构，正是引用双锥天线理论，提高输入电阻，降低阻抗变化率，从而提高了天线的带宽，也相当提高了天线的有效高度，可替代76～150米传统中波拉线天线，并实现多频共塔（频率比≥1.25时），带宽满足531kHz ～1602kHz，驻波比VSWR＜1.2，频率Δf≥20kHz。

3. 天线带宽提高方式

利用双锥天线理论，提高输入电阻，降低阻抗变化率，从而提高了天线的带宽。

小锥角双锥天线的输入阻抗随电长度的变化十分剧烈，不具有宽频带特性。

天线阻抗可能同时包含电抗与电阻成分，天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值，一般来说天线的输入阻抗是个复数，包括实部和虚部，实部称为输入电阻，虚部称为输入电抗。天线和馈线相连接时，最理想的状态是天线的输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时在馈线终端没有反射功率，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作，就是为了消除天线输入阻抗中的电抗分量，使得电阻分量尽可能接近馈线的特性阻抗。将顶端负载制作成椎体形状，尤其是锥角2θ接近90°时，其输入阻抗接近50Ω，因而这种天线具有很宽的阻抗带宽。

4. 天线特性阻抗对比分析

76米锥面顶负荷自立塔式中波发射天线，由其结构特性决定了其天线输入阻抗特性，可定性判断其天线输入阻抗的实部和虚部随频率改变而变化的幅度与76米自立塔相比应较为平缓，在理想状态下其两者天线阻抗对比（如图3）所示，通过对比可清晰得出前者所呈现的特性优势：在中波全频率段内，无线阻抗无论是实部还是虚部随频率改变在曲线平缓，微变特性良好，没有较剧烈的起伏，Δ×/ΔR<即天线Q值>较小，特别是在中波低端频率段和高端频率段呈现出较好的阻抗特性，较好地满足三频共塔的需求。

76米锥面顶负荷自立塔式宽频带中波发射天线与76米自立塔天线经实际测量，747kHz、972kHz、1557kHz三个工作频率的天线输入阻抗分别为：

737kHz：26.8-j28.7；747kHz：26.5-j25.3；757kHz：26-j21.2

962kHz：78.2+j28.6；972kHz：83.5+j33；982kHz：92.3+j36.1

1547kHz：18.5-j33.8；1557kHz：18.1-j32.7；1567kHz：17.6-j31.4

可以看出实际测量值与理想状态有一些差距，这是由发射场区环境、地质结构、地网状况等外部多种因素所造成，应属正常范围内的变化，对其天线特性优势不会产生实质性的改变，实际运行效果稳定可靠，三个工作频率带宽满足要求，较迁建前的覆盖效果有显著提高，达到并超过了预期目标。

5. 实际应用中的调整

此天线的主要技术特点是采用新型并聯加载技术，天线阻抗可以优化调整，提高天线的发射效率，拓宽了中波天线的带宽，因此在实际的安装调试特别是天调网络的测试中，项目开始时在地网东西两侧各增设一口地井，并调整天线接地端的高度位置改变天线阻抗，但其最佳状态与该类天线中波频段理想状态频阻特性仍有一定偏差，特别是高端频率1557kHz的天线阻抗实部阻值较小（十几欧姆），与理想状态值有近一倍的差距。而天线在高端频率1557kHz附近阻抗实部较小，通常会造成其带宽不足，发射机降功率保护，天线零位值较高，驻波报警等现象，所以必须在天调网络设计中需着重加以考虑。

可以调整偏向网络，利用对发射振子馈以等幅但是不同相位的电流，调整左右偏向发射，保留原有的调配网络，需要另外加装相位网络。如果发射天线和反射天线电流相等，相位差α，则此天线阵辐射场型的最大值不在两个发射塔连线的垂直水平线上，而是偏离一个角度，即偏向辐射。移相网络的作用是让天线的主向偏移一个角度，若相移网络的负载是纯电阻W，接移向网络后，其术儒电阻还是W，输入电流和输出电流幅度不变，但有一定的相位差。所以，接入移向网络并不影响天线和候纷之间的阻抗匹配。可以在中心调配室和左右发射塔各安装一套切换开关，根据左偏和右偏，直接接入移向网络。主向只使用调配网络，当偏向发射时，接入移向网络。移向网络通过切换开关倒换。偏移角度通过工程中实际调试决定，寻找最大方向性场强图。

最后在总结调试经验的基础上，归纳其方法是选择参照点，以阻抗匹配为主线，辅助调整干扰抑制。以1557kHz系统联调为例，分别选择天调网络端口、机房馈线端口和发射机槽路端口为测试点，调整天调匹配网络和发射机槽路使之达到最佳匹配状态，具体操作是使用网络分析仪在端口测试，手机视频远程监测调整，节省调整时间，化难入简。

6. 结束语

某市中波转播台中波发射塔迁建项目自在2020年立项后，由市中波转播台牵头组织实施，该项目主要包括：76米锥面顶负荷自立塔式宽频带中波新型发射天线的建设和应用、三频共塔天调网络的设计与改进，尤其是采用简易技术手段有效改善中波高端频率1557kHz传输覆盖带宽。

项目初步验收结果表明，完全达到设计预期效果，利用了锥面患变原理、天线长细比原理、双锥天线理论，有效提升了天线辐射效率，较大改善了中波天线的技术性能，加强了天线体稳定性能，具有良好经济效益和社会效益。实现了该中波新型自立塔天线在省地市级台站的首次应用，为进一步完善中波宽频带天线多频共塔实践提供了技术试验和经验。

参考文献：

[1]张丕灶.全固态中波发送系统调整与维修[M].厦门：厦门大学出版社，2007.

[2]金明.DX中波发射机与天馈网络[M].北京：中国广播影视出版社，2013.

作者简介：游航，助理工程师，研究方向：中波覆盖;李望，助理工程师，研究方向：中波覆盖.